Sebagai pembekal alat ganti model pencetakan 3D, saya telah menghabiskan lima tahun yang lalu untuk menyelesaikan masalah projek untuk pelanggan yang terdiri daripada pemula aeroangkasa kepada pasukan robotik, dan satu soalan timbul lebih daripada yang lain: "Bagaimanakah saya boleh mencetak bahagian yang keras dan boleh dipercayai yang tidak lentur, retak atau gagal semasa beban?" Ini bukan soalan muslihat—kekakuan pada bahagian bercetak 3D jauh lebih sedikit bergantung pada hanya memilih bahan "kaku" dan lebih banyak lagi pada padanan sains bahan, tetapan pencetak dan reka bentuk dengan beban khusus yang akan dihadapi oleh bahagian anda. Saya telah melihat projek yang hebat tergelincir kerana pereka bentuk mencapai bahan kaku seperti ABS atau PETG, hanya untuk mengubah tetapan yang salah atau memotong sudut pada orientasi, mengakibatkan bahagian yang bengkok di bawah sebahagian kecil daripada beban yang dijangkakan. Hari ini, saya membahagikan langkah praktikal yang disokong sains yang kami gunakan di sini untuk menyampaikan bahagian bercetak 3D berkekukuhan tinggi yang tahan kepada penggunaan dunia sebenar—tiada tekaan diperlukan.
Pertama, mari kita bercakap tentang asas: memilih bahan kekakuan tinggi yang betul. Tidak semua bahan keras dicipta sama, dan memilih yang salah adalah satu-satunya kesilapan terbesar yang kami lihat pelanggan lakukan. Untuk kamiBahagian Model Cetakan 3Dpelanggan, kami sentiasa bermula dengan kesesuaian bahan untuk aplikasi. Untuk bahagian yang memerlukan ketegaran yang melampau—seperti kurungan lengan robotik, prototaip aeroangkasa berstruktur atau perumahan tersuai untuk peralatan industri—termoplastik dengan modulus tegangan tinggi tidak boleh dirunding. ABS adalah pilihan klasik di sini, dengan modulus tegangan sekitar 2.2 GPa, yang bermaksud ia tahan terhadap regangan dan lenturan jauh lebih banyak daripada bahan yang lebih fleksibel seperti TPU. Kami kerap menggunakan kamiPerkhidmatan Percetakan 3D Prototaip Pantas Plastik ABSgarisan untuk bahagian ini; proses SLA (Stereolithography) yang kami gunakan menyembuhkan resin ABS menjadi bahagian yang mempunyai penjajaran molekul yang konsisten, menghapuskan "lentur garisan lapisan" yang biasa dalam cetakan FDM berkualiti rendah. Untuk bahagian perubatan yang memerlukan kedua-dua kekakuan dan biokompatibiliti (seperti panduan pembedahan atau lekapan implan), kami beralih kepada resin SLA khusus dengan modulus tegangan 3.5 GPa, dan kamiPercetakan 3D SLA untuk Bahagian Perubatanperkhidmatan memastikan setiap bahagian memenuhi piawaian biokeserasian ISO tanpa mengorbankan ketegaran. Malah untuk lebih banyak projek khusus, seperti kamiPerumahan Tangan Robotik Tersuai Untuk Robot Humanoid & Dexteroustalian, kami memilih resin seperti ABS berkekukuhan tinggi yang menahan tork berulang dan impak sendi robot. Nota ringkas di sini: elakkan sebarang resin "kekakuan tinggi" yang dipasarkan hanya untuk bahagian hiasan yang kecil-kebanyakan ini menggunakan pengisi yang menjadikannya kaku tetapi rapuh, terdedah kepada pecah walaupun di bawah beban kecil. Kami sentiasa menguji sampel bahan untuk modulus tegangan dan lentur sebelum memproses sebarang pesanan, jadi anda tidak membuang masa pada bahagian yang kelihatan kaku tetapi gagal digunakan.
Seterusnya, mereka bentuk untuk kekakuan bukan hanya mengenai bahan-ia mengenai cara anda membentuk bahagian itu. Malah bahan yang paling tegar di dunia akan melentur jika anda mereka bentuknya seperti papan nipis dan rata. Mari kita gunakan contoh mudah: kurungan untuk memasang sensor 5kg pada lengan robot. Jika anda mereka bentuk pendakap itu sebagai bar rata tebal 2mm, walaupun dalam ABS, ia akan tunduk di bawah berat sensor. Tetapi jika anda menambah rusuk melengkung setinggi 0.5mm di sepanjang tepi galas beban, ketebalan 2mm yang sama akan mempunyai 3x kekakuan lentur. Ini ialah konsep asas dalam kejuruteraan struktur yang menterjemah terus kepada bahagian bercetak 3D, dan ini adalah sesuatu yang kita lakukan setiap kaliBahagian Model Cetakan 3Dpelanggan melalui proses semakan reka bentuk. Peraturan utama di sini: ikut "laluan beban" dengan ciri geometri. Beban mengalir melalui bahagian dalam garis lurus (atau garisan melengkung terkawal), jadi sebarang ciri yang melintasi laluan itu—seperti rusuk, gusset atau tepi bertetulang—menambahkan kekakuan tanpa menambah berat. Kami juga mengelakkan overhang yang memerlukan struktur sokongan jika boleh, kerana bahan sokongan menghasilkan ikatan yang lemah dan tidak konsisten pada titik sentuhan, yang bertukar menjadi titik lentur kemudian. Untuk bahagian robotik, kami sering menyepadukan struktur selular berongga (kekisi) di dalam dinding luar yang tebal; ini mengurangkan penggunaan bahan, memastikan bahagian itu ringan, dan kekisi mengagihkan beban secara sama rata, meningkatkan kekukuhan sebanyak 40% berbanding bahagian pepejal dengan saiz luar yang sama. Kesilapan reka bentuk biasa yang pelanggan lakukan ialah menambah terlalu banyak ciri atau lubang kecil; setiap lubang mencipta kepekatan tegasan, yang melemahkan bahagian itu walaupun bentuk keseluruhannya kaku. Kami sentiasa menandakan titik panas tekanan ini dalam ulasan reka bentuk kami dan mencadangkan melicinkan atau menambah jejari kecil di sekeliling lubang untuk mengurangkan tekanan.
Sekarang, mari kita masuk ke tetapan pencetakan—di sinilah sains bertemu mesin dan pencetakan 3D menjadi rumit. Saya telah melihat dua reka bentuk bahagian yang sama dicetak pada pencetak yang sama dengan tetapan berbeza, satu cukup kaku untuk menampung beban 10kg dan satu lagi lentur di bawah 2kg. Faktor terbesar di sini ialah penjajaran lapisan. Untuk bahagian kekakuan tinggi, anda tidak mahu daya beban melintasi berbilang lapisan pada sudut tajam. Jika beban tegangan menarik sepanjang bahagian, anda mahu lapisan dijajarkan selari dengan arah beban itu, bukan berserenjang. Contohnya, jika anda mencetak rod segi empat tepat yang akan ditarik sepanjang paksi panjangnya, cetaknya supaya paksi panjang rod itu mendatar, jadi setiap lapisan terletak di sepanjang arah beban itu. Kami mengira orientasi optimum untuk setiapPerkhidmatan Percetakan 3D Prototaip Pantas Plastik ABSprojek sebagai standard; pasukan reka bentuk kami menjalankan simulasi untuk menunjukkan kepada pelanggan cara orientasi akan mempengaruhi kekakuan, jadi mereka tidak perlu meneka. Seterusnya, ketinggian lapisan: lapisan nipis memberikan ikatan antara lapisan yang lebih baik, yang bermaksud kurang lentur antara lapisan. Untuk kebanyakan bahagian kekukuhan tinggi, kami menggunakan lapisan 0.1mm atau 0.15mm, bukannya 0.2mm biasa untuk kelajuan. Tradeoff adalah masa cetakan yang lebih lama sedikit, tetapi kekuatan ikatan antara lapisan meningkat sebanyak 25-30%, yang merupakan perbezaan besar dalam kekakuan. Isian ialah satu lagi tetapan kritikal—peratusan isian dan corak secara langsung mempengaruhi tahap kekakuan teras bahagian tersebut. Untuk bahagian galas beban kekakuan tinggi, kami menggunakan grid atau isian rectilinear pada ketumpatan 30-50%, bukan isian 10% yang sering digunakan untuk prototaip. Isian grid lebih kaku daripada heksagon (sarang lebah) kerana beban diagihkan sama rata merentasi garis lurus, dan ia mengikat lebih baik pada dinding luar. Kami juga mengelakkan kemasukan jarang untuk bahagian galas beban; malah isian pepejal pada 20% adalah lebih keras daripada isian heksagon pada 10%. Untuk bahagian SLA, yang menggunakan resin cecair dan bukannya filamen, tetapan utama ialah masa pendedahan lapisan dan penyejukan bahagian. Lapisan yang kurang terdedah mempunyai ikatan yang lemah, jadi kami menentukur masa pendedahan untuk setiap jenis resin—contohnya, resin SLA gred perubatan kami untukPercetakan 3D SLA untuk Bahagian Perubatanmenggunakan pendedahan 2 saat setiap lapisan, iaitu 0.5 saat lebih lama daripada standard, untuk memastikan pengawetan penuh dan ikatan interlayer yang kuat. Akhir sekali, untuk bahagian FDM (walaupun kebanyakan bahagian kekakuan tinggi kami ialah SLA atau SLS), kami menggunakan suhu muncung 245-250C untuk ABS, yang mencairkan filamen cukup untuk mencipta lekatan antara lapisan yang kuat, dan suhu katil 110C untuk mengelakkan meledingkan, yang boleh menghasilkan tegasan tidak sekata yang mengurangkan kekakuan.
Pasca pemprosesan ialah langkah terakhir yang ramai orang terlepas pandang, dan ia boleh membuat atau memecahkan bahagian yang kaku. Walaupun dengan bahan, reka bentuk dan tetapan yang sempurna, bahagian yang tidak diproses selepas diproses akan mempunyai kelemahan tersembunyi. Untuk bahagian ABS, kami sentiasa melakukan mandian wap aseton. Ini melicinkan lapisan luar dan mencairkan sedikit permukaan setiap lapisan, mewujudkan struktur monolitik (sekeping tunggal) dan bukannya lapisan berasingan, yang meningkatkan kekakuan lentur sehingga 40%. Kami juga menggerudi atau mengetuk benang untuk pengikat selepas mencetak, bukan sebelum ini, kerana mengetik benang pracetak boleh memecahkan struktur berlapis yang lemah. Untuk bahagian perubatan daripadaPercetakan 3D SLA untuk Bahagian Perubatan, pasca pemprosesan termasuk penawar UV 72 jam untuk memastikan pengawetan resin penuh, yang meningkatkan modulus tegangan sebanyak 15% lagi dan menghapuskan sebarang tekanan sisa pada bahagian tersebut. Untuk bahagian yang akan terdedah kepada perubahan suhu (seperti prototaip aeroangkasa), kami melakukan pembakaran pelepasan tekanan: 2 jam pada suhu 80C untuk ABS, yang menghilangkan sebarang tekanan dalaman daripada proses pencetakan yang akan menyebabkan bahagian itu meleding atau melentur dari semasa ke semasa. Saya pernah meminta pelanggan memesan kurungan untuk muatan satelit yang gagal dalam ujian kerana kami melangkau pembakar pelepasan tekanan—ternyata tekanan baki daripada cetakan menyebabkannya bengkok apabila terdedah kepada perubahan vakum dan suhu di angkasa. Kesilapan itu mengajar kami untuk menjadikan pasca pemprosesan sebagai langkah yang tidak boleh dirunding untuk setiap bahagian menanggung beban yang kami hantar.
Mari kita ikatkan semua ini dengan contoh sebenar daripada kamiBahagian Model Cetakan 3Dkerja: perumah tangan robot tersuai yang kami hasilkan untuk robot humanoid, salah satu produk khusus kami yang paling popular. Pelanggan memerlukan perumah yang boleh memuatkan 8 motor kecil dan menahan impak berulang daripada gerakan hayunan robot, dengan sifar lentur. Kami bermula dengan resin SLA seperti ABS berkekakuan tinggi kami, dipilih untuk modulus lenturan 3.2 GPa dan biokompatibiliti (walaupun itu tidak diperlukan di sini, ia menambah penimbal keselamatan). Seterusnya, kami mereka bentuk perumah dengan dinding luar setebal 1.5mm, rusuk melengkung 0.5mm bersepadu di sepanjang tepi galas beban di mana motor dipasang, dan struktur kekisi berongga di rongga dalam untuk mengagihkan berat dan beban. Kami mengorientasikan perumah supaya laluan beban dari pelekap motor berjalan selari dengan lapisan cetakan, menggunakan lapisan 0.15mm, isian grid 40% dan masa pendedahan yang ditentukur semasa pencetakan SLA. Akhirnya, kami melakukan pembakar tekanan selama 2 jam dan penawar UV. Bahagian akhir seberat 120g, menyokong jumlah beban sebanyak 2.2kg, dan melepasi 10,000 kitaran impak tanpa kelenturan yang kelihatan—tepat seperti yang diperlukan pelanggan. Mereka kemudiannya memesan 12 unit lagi, yang digunakan dalam demo di persidangan robotik yang menjadi tular.
Pada penghujung hari, mencetak bahagian bercetak 3D berkekakuan tinggi bukanlah tentang memotong sudut atau menggunakan bahan yang paling mahal—ia mengenai pendekatan holistik yang menghubungkan sains bahan, niat reka bentuk, tetapan pencetak dan pasca pemprosesan bersama-sama. Sebagai aBahagian Model Cetakan 3Dpembekal, kami bukan sahaja menghantar sebahagian kepada anda; kami bekerjasama dengan anda untuk memperhalusi setiap langkah supaya bahagian anda memenuhi keperluan kekukuhannya, sama ada perumah robot tersuai, panduan perubatan atau prototaip aeroangkasa. Jika anda sedang mengusahakan projek yang memerlukan bahagian bercetak 3D yang boleh dipercayai dan berkekukuhan tinggi, kami sedia membantu anda menavigasi pilihan bahan, tweak reka bentuk dan tetapan pengeluaran untuk mendapatkan hasil yang anda perlukan. Hubungi kami untuk membincangkan keperluan anda dan dapatkan penyelesaian tersuai.
Rujukan
- Gibbs, B. (2021). Analisis Struktur Bahagian Polimer Bercetak 3D. Journal of Additive Manufacturing, 45, 102018.
- ASTM Antarabangsa. (2018). Kaedah Ujian Standard untuk Sifat Tegangan Plastik (D638-18). West Conshohocken, PA: ASTM.
- Mellor, S., Hao, L., & Zhang, D. (2014). Aplikasi pembuatan aditif dalam industri: Kajian semula. Jurnal Proses Pembuatan, 16(1), 2-12.
- ISO 10993-5:2019. Penilaian biologi peranti perubatan – Bahagian 5: Ujian untuk sitotoksisiti in vitro. Geneva, Switzerland: Pertubuhan Antarabangsa untuk Standardisasi.
- Wang, Y., et al. (2020). Kesan Orientasi Lapisan pada Sifat Mekanikal Bahagian ABS Bercetak 3D FDM. Bahan & Reka Bentuk, 190, 108557.
