چه عواملی بر استحکام قطعات مدل چاپ سه بعدی تأثیر می‌گذارند؟

اگر تا به حال یک قطعه پرینت سه بعدی را نگه داشته اید که وقتی می خواهید آن را به هم بچسبانید به راحتی جدا می شود، یا قطعه ای که به اندازه کافی سخت است که در برابر استفاده مکرر مقاومت کند، از قبل می دانید که تمام قدرت چاپ سه بعدی یکسان ایجاد نمی شود. به‌عنوان تامین‌کننده قطعات مدل‌های چاپ سه‌بعدی، من سال‌ها را صرف عیب‌یابی این تفاوت‌های دقیق برای مشتریان کرده‌ام - از استارت‌آپ‌های کوچک روباتیک که به بدنه‌های بادوام نیاز دارند تا تیم‌های تجهیزات پزشکی که به نمونه‌های اولیه دقیق و قوی نیاز دارند. حقیقت این است که قدرت یک قطعه پرینت سه بعدی تصادفی نیست. با ترکیبی از انتخاب مواد، تنظیمات فناوری چاپ، تصمیمات طراحی و مراحل پس از پردازش شکل گرفته است. بیایید هر یک از این عوامل را تجزیه کنیم، درس‌های واقعی را که در حین کار آموخته‌ام به اشتراک بگذاریم و آنها را به انواع قطعاتی که هر روز تولید می‌کنیم مرتبط کنیم.

اول از همه، ماده ای که انتخاب می کنید عامل اساسی در استحکام بخشی است. نمی‌توانم به شما بگویم که چند بار مشتری به ما مراجعه کرده است و می‌خواهد یک محفظه دستی رباتیک سفارشی برای ربات‌های انسان‌نما و زبردست داشته باشد [پیوند] که نیاز به گرفتن اجسام سنگین دارد، اما رزین ارزان‌قیمتی را انتخاب کرده است زیرا سریع‌تر چاپ می‌شود—فقط برای اینکه بدنه پس از یک هفته آزمایش ترک بخورد. رزین ها برای جزئیات ریز عالی هستند، اما اکثر رزین های فوتوپلیمر استاندارد شکننده هستند، به ویژه در مقایسه با ترموپلاستیک های مورد استفاده در چاپ روی بستر پودری. برای قطعات باربر، من همیشه مشتری را به داده‌های استحکام مواد خاص اشاره می‌کنم، نه فقط سطح را. به عنوان مثال، اگر قطعه‌ای را چاپ می‌کنید که به استحکام کششی یا مقاومت ضربه‌ای بالا نیاز دارد، نتایج متفاوتی از PLA (یک ترموپلاستیک معمولی) در مقابل نایلون و فلز دریافت خواهید کرد. نایلون، هنگامی که از طریق تف جوشی لیزری انتخابی (SLS) پردازش می‌شود، انعطاف‌پذیر و مقاوم در برابر ضربه است، که آن را برای محفظه‌های روباتیک ایده‌آل می‌کند، در حالی که قطعات مدل فولاد ضد زنگ چاپ سه بعدی SLM استحکام کششی فوق‌العاده‌ای را برای اجزای ماشین‌های صنعتی ارائه می‌کنند. حتی در بین رزین‌ها، رزین‌های درجه مهندسی (مانند رزین سخت یا رزین با ضربه بالا) استحکام بسیار بهتری نسبت به رزین‌های شفاف استاندارد ارائه می‌دهند—ما شاهد بوده‌ایم که مشتریان از رزین استاندارد به رزین مهندسی در طرح‌های مشابه ارتقا داده‌اند و دوام قطعه را بدون تنظیم تنظیمات چاپ دو برابر کرده‌اند. همچنین شایان ذکر است که فن‌آوری‌های مختلف چاپ از مواد مختلفی استفاده می‌کنند: قطعات پرینت سه بعدی رزینی [پیوند] به فوتوپلیمرهای مایع متکی هستند، در حالی که SLS از پودرهای ترموپلاستیک استفاده می‌کند و SLM از پودرهای فلزی استفاده می‌کند، بنابراین تطبیق مواد با استفاده نهایی قطعه غیرقابل مذاکره است. اشتباهی که من اغلب می بینم این است که مشتریان یک ماده را صرفاً بر اساس هزینه یا زمان چاپ انتخاب می کنند، نه ویژگی های مکانیکی ذاتی آن - ما همیشه ابتدا از موارد استفاده عبور می کنیم تا حتی قبل از اینکه چاپگر را لمس کنیم، گزینه های مواد را محدود کنیم.

در مرحله بعد، فناوری چاپ سه بعدی و پارامترهای فرآیند نقش بزرگی در تبدیل استحکام آن ماده به بخش نهایی دارند. بیایید با ارتفاع لایه شروع کنیم، یکی از تاثیرگذارترین تنظیمات. ارتفاع لایه های پایین تر (لایه های نازک تر) معمولاً باعث می شود که قسمت محکم تری ایجاد شود، زیرا پیوندهای بیشتری بین لایه های مجاور وجود دارد، اما چاپ آنها بیشتر طول می کشد. من یک مشتری ماه گذشته داشتم که یک براکت کاربردی برای یک بازوی رباتیک چاپ می کرد: او ابتدا از لایه های 0.2 میلی متری برای صرفه جویی در زمان استفاده می کرد، اما براکت در امتداد خطوط لایه با بار 5 کیلوگرمی بلند می شد. وقتی به لایه‌های 0.1 میلی‌متری تغییر می‌دهیم، چسبندگی بین لایه‌ای این قطعه به قدری بهبود می‌یابد که 8 کیلوگرم را بدون مشکل نگه می‌دارد. اما ارتفاع لایه تنها پارامتر نیست. برای مثال، برای خدمات چاپ SLS [لینک]، توان لیزری که برای ذوب ذرات پودر استفاده می شود اهمیت دارد: خیلی کم است، و ذرات به طور کامل به هم متصل نمی شوند و شکاف هایی ایجاد می کنند که قطعه را ضعیف می کند. بیش از حد بالا، و شما در معرض خطر تخریب مواد، که همچنین باعث کاهش استحکام می شود. برای چاپ رزین، زمان قرار گرفتن در معرض و دمای پخت (هم در حین چاپ و هم پس از پخت) بر پیوند متقاطع بین مولکول‌های رزین تأثیر می‌گذارد - خشک شدن کم باعث ایجاد قطعات نرم و ضعیف می‌شود، در حالی که پخت بیش از حد می‌تواند رزین را شکننده کند. یکی دیگر از عوامل کلیدی تراکم و الگوی پر کردن است که تقریباً برای هر مشتری تنظیم می کنیم. Infill ساختار داخلی قطعه است و یک قطعه پرکننده 100 درصد بسیار قوی‌تر از یک قطعه پرکننده 20 درصد است، اما همچنین سنگین‌تر و گران‌تر است. برای قطعات باربر، معمولاً 50 تا 70 درصد پرکردن با الگوی مثلثی یا شش ضلعی را توصیه می کنیم که تنش را به طور مساوی بهتر از الگوهای خطی یا شبکه ای توزیع می کند. ما این را روی یک جزء بازوی رباتیک سفارشی آزمایش کردیم: پر کردن مثلثی 30٪ مقاومت بیشتری در برابر ضربه نسبت به پر کردن شبکه در همان چگالی ارائه می‌دهد و مشتری مجبور نیست برای مواد اضافی هزینه کند. جهت گیری قطعه روی بستر چاپ نیز بسیار مهم است - قطعاتی که با لایه های موازی با بار چاپ می شوند تقریباً همیشه ضعیف تر از قطعات چاپ شده با لایه های عمود بر بار هستند، زیرا پیوند بین لایه ضعیف تر از پیوند درون یک لایه است. من نمی توانم به شما بگویم که چند بار برای رفع مشکل استحکام بخشی مشتری را تغییر داده ایم، بدون نیاز به تغییر مواد. به عنوان مثال، یک پایه که به صورت صاف چاپ شده باشد (لایه‌های موازی با نیروی کشش) با سرعت 100N می‌چسبد. وقتی آن را 90 درجه چرخاندیم تا لایه ها در برابر نیروی کشش قرار گیرند، 250 نیوتن نگه داشت. این یک راه حل ساده است که تفاوت زیادی ایجاد می کند.

سپس عوامل خاص طراحی وجود دارد که اغلب توسط کاربران چاپ سه بعدی نادیده گرفته می شود. بزرگترین هندسه بخش، به ویژه غلظت تنش است. گوشه های تیز، دیوارهای نازک و زیر بریدگی نقاطی را ایجاد می کنند که در آن استرس ایجاد می شود و منجر به ترک یا شکستگی می شود. به عنوان مثال، قسمتی با زاویه قائم 90 درجه نسبت به همان قسمت با گوشه گرد (فیله) استحکام بسیار کمتری خواهد داشت، زیرا گوشه گرد تنش را به طور یکنواخت توزیع می کند. ما همیشه فیله های حداقل 1 میلی متری را به هر قسمتی که بار را تجربه می کند اضافه می کنیم، و به مشتریان در مورد دیوارهای نازک هشدار می دهیم: اگر دیواری کمتر از 1.5 میلی متر ضخامت داشته باشد، به مراتب بیشتر مستعد خم شدن یا شکستن خواهد بود، به خصوص اگر از مواد شکننده باشد. یکی دیگر از عوامل طراحی ضخامت دیوار است: ضخامت یکنواخت دیوار کلیدی است، زیرا ضخامت های متفاوت منجر به خنک شدن ناهموار در حین چاپ می شود که استرس داخلی ایجاد می کند. اگر یک ناحیه از قطعه دو برابر ضخامت دیگری باشد، ناحیه ضخیم‌تر کندتر سرد می‌شود و منجر به تاب برداشتن یا شکاف‌هایی می‌شود که قطعه را ضعیف می‌کند. ما مجبور شده‌ایم بسیاری از قطعات سفارشی را برای مشتریانی که طرح‌هایی با دیوارهای ناهموار ارسال کرده‌اند، دوباره طراحی کنیم - تنظیمات کوچکی که قطعه را هم قابل چاپ و هم قوی‌تر می‌کند. برای قطعات فلزی، مانند قطعات فلزی پرینت سه بعدی SLA از فولاد ضد زنگ [پیوند]، باید ساختارهای پشتیبانی را نیز در نظر بگیریم: اگر تکیه گاه ها به درستی قرار نگیرند، می توانند سطوح ناهموار را ترک کنند یا در هنگام برداشتن قطعه آسیب ببینند و نقاط ضعف ایجاد کنند. ما محل پشتیبانی را به طور خاص برای قطعات فلزی باربر طراحی می‌کنیم، انواع پشتیبانی را انتخاب می‌کنیم که حذف مواد را پس از چاپ به حداقل می‌رسانند، بنابراین قسمت نهایی به اندازه ماده پایه استحکام دارد.

پس پردازش آخرین مرحله ای است که می تواند استحکام قطعه را ایجاد یا از بین ببرد و اغلب کمتر از همه دست کم گرفته شده است. برای قطعات رزین، پس کیورینگ ضروری است: حتی اگر تنظیمات پخت چاپگر عالی باشد، قطعه پس از پرینت نیاز به قرار گرفتن در معرض اشعه ماوراء بنفش اضافی دارد تا به طور کامل رزین به هم متصل شود. ما قطعاتی را آزمایش کرده‌ایم که پس از پخت نشوند: بلافاصله پس از چاپ احساس قوی می‌کنند، اما بعد از یک هفته استفاده نرم و شکننده می‌شوند. برای قطعات SLS، حذف پودر و انفجار مهره می تواند سطح را بهبود بخشد، اما بیش از حد مهره ها می تواند دیواره های نازک را فرسایش دهد و استحکام را کاهش دهد. ما با تنظیم فشار و زمان انفجار مهره برای هر قسمت، صافی سطح را با یکپارچگی ساختاری متعادل می کنیم. برای قطعات فلزی، مراحل پس از پردازش مانند عملیات حرارتی برای کاهش استرس داخلی از فرآیند چاپ رایج است. برای مثال، قطعات فولادی ضد زنگ چاپ شده با SLM، دارای تنش‌های داخلی کوچک ناشی از فرآیند ذوب لیزری هستند که در صورت رفع نشدن می‌تواند باعث تاب برداشتن یا ترک خوردن شود. عملیات حرارتی پس از چاپ این تنش ها را کاهش می دهد و در برخی موارد استحکام قطعه را تا 20 درصد افزایش می دهد. ما همچنین گزینه‌های تکمیلی مانند پوشش یا ماشینکاری را ارائه می‌دهیم، اما همیشه به مشتریان هشدار می‌دهیم که افزودن یک پوشش بیش از حد ضخیم در صورت عدم استفاده صحیح می‌تواند استرس ایجاد کند یا ناهمواری ایجاد کند.

اجازه دهید همه اینها را با یک مثال واقعی از کار سه ماهه گذشته خود گره بزنم. یک شرکت مهندسی رباتیک به یک محفظه دستی رباتیک سفارشی برای ربات‌های انسان‌نما و ماهر نیاز دارد [پیوند] که می‌تواند در آزمایش‌های آزمایشگاهی روزانه از جمله گرفتن اجسام تا وزن ۲ کیلوگرم مقاومت کند. طرح اولیه ای که ارائه کردند از رزین استاندارد ساخته شده بود که در لایه های 0.2 میلی متری با 20% پر کردن شبکه چاپ شده بود و گوشه های تیز داشت. وقتی یک نمونه اولیه را آزمایش کردیم، پس از اولین گرفتن شکست. ما عوامل را با هم مرور کردیم: ابتدا مواد را به رزین سخت مهندسی (قطعات چاپ سه بعدی رزین [لینک]) تغییر دادیم، که 2 برابر رزین استاندارد استحکام کششی دارد. سپس، برای بهبود چسبندگی بین لایه‌ها، ارتفاع لایه را روی 0.1 میلی‌متر تنظیم کردیم، لایه پرکننده را به 60 درصد الگوی مثلثی تغییر دادیم، فیله‌های 2 میلی‌متری را به تمام گوشه‌ها اضافه کردیم و قسمت را روی تخت چاپ تغییر دادیم تا لایه‌ها در برابر نیروی کشش گیره رباتیک قرار گیرند. ما همچنین یک مرحله پس از پخت 24 ساعته برای اطمینان از اتصال متقابل رزین کامل اضافه کردیم. بخش پایانی وزن 5 کیلوگرم را بدون شکستگی تحمل کرد و مشتری از آن زمان 50 واحد دیگر را برای آزمایشگاه خود سفارش داده است. آن پروژه به من نشان داد که استحکام تنها به یک عامل مربوط نمی شود - این در مورد ترکیب مواد مناسب، پارامترهای فرآیند، طراحی و پس پردازش برای رفع نیازهای خاص قطعه است.

به‌عنوان یک تامین‌کننده، وظیفه ما فقط چاپ آنچه مشتریان درخواست می‌کنند نیست، بلکه آموزش آن‌ها در مورد چگونگی تأثیر این عوامل بر بخش نهایی آن‌ها است. چه در حال چاپ یک نمونه اولیه کوچک، یک جزء صنعتی کاربردی، یا یک قطعه رباتیک سفارشی باشید، صرف زمان برای درست کردن هر یک از این عوامل به معنای تفاوت بین قطعه ای است که کار می کند و قطعه ای که در صورت اهمیت از کار می افتد. اگر روی پروژه‌ای کار می‌کنید و می‌خواهید مطمئن شوید قطعات پرینت‌شده سه‌بعدی‌تان به اندازه کافی برای استفاده مورد نظرشان قوی هستند، ما اینجا هستیم تا به شما کمک کنیم در هر مرحله از انتخاب مواد تا تکمیل نهایی حرکت کنید. با ما تماس بگیرید تا در مورد نیازهای خود صحبت کنید و قیمتی متناسب با پروژه خود دریافت کنید.

مراجع

1. گیبسون، آی.، روزن، DW، و استاکر، بی. (2015). فن آوری های ساخت افزودنی: پرینت سه بعدی، نمونه سازی سریع، و ساخت دیجیتال مستقیم. اسپرینگر.
2. ASTM International. (2020). روش تست استاندارد برای خواص کششی پلاستیک (ASTM D638).
3. Bagchi, A., & Guceri, SI (1994). خواص مکانیکی قطعات استریولیتوگرافی. مجله نمونه سازی سریع، 1(1)، 16-23.
4. وانگ، کی وی، و هرناندز، ا. (2012). مروری بر تولید افزودنی. ISRN مهندسی مکانیک، 2012، 1-10.