Как выбрать правильные композитные материалы промышленного класса для ваших 3D-проектов

Если ваши 3D-печатные детали должны быть прочнее или долговечнее стандартных пластиков, самое время обратить внимание на промышленные композиты. Использование этих передовых материалов позволяет создавать прочные, лёгкие и долговечные функциональные детали. Для любого, кто работает в сфере инженерии или дизайна, выбор правильного композита — критически важный шаг. Выбранный материал влияет на производительность детали, её срок службы и стоимость. Это руководство предлагает простой процесс выбора. лучший материал для конкретных нужд вашего проекта.

Что такое промышленные композитные материалы для 3D-печати?

Промышленные композиты для 3D-печати состоят из двух основных компонентов: базового пластика и армирующего волокна. Понимание функций каждого компонента — ключ к правильному выбору.

Базовый полимер и армирующее волокно

Базовый полимер, или матрица, — это основной пластик, который придаёт детали её основную форму и свойства, такие как химическая и термостойкость. Распространенными вариантами являются обычные инженерные пластики, такие как нейлон (ПА) или ПЭТГ, а также высокопроизводительные полимеры, такие как ПЭЭК, которые могут выдерживать экстремальные температуры и агрессивные химические вещества.

Армирующее волокно обеспечивает высокую прочность композита. Эти волокна добавляются в базовый полимер для значительного улучшения механических свойств, таких как жёсткость и ударопрочность. Три наиболее распространённых волокна — это углеродное волокно, стекловолокно и Кевлар®.

Рубленые волокна против непрерывных волокон

То, как волокно добавляется в пластик, имеет огромное значение для характеристик конечной детали.

Рубленые волокна – это короткие пряди волокон, которые добавляются в пластиковую нить перед печатью. В процессе печати детали эти волокна распределяются по всему материалу, делая всю деталь прочнее и жёстче, чем базовый пластик. Многие стандартные 3D-принтеры можно использовать эти нити, если они имеют закаленное сопло, которое не будет изнашиваться под воздействием абразивного материала.

Непрерывные волокна, с другой стороны, представляют собой отдельные, неразрывные нити, которые укладываются внутрь детали в процессе печати специализированным принтером со вторым соплом. Этот процесс позволяет обеспечить прочность именно там, где это необходимо, создавая детали, которые могут быть такими же прочными, как обработанный алюминий, но значительно легче. Именно это делает возможной замену металлических деталей композитными материалами, напечатанными на 3D-принтере.

Как выбрать материал для ваших 3D-проектов

Правильный материал не всегда самый прочный — это тот, который отвечает потребностям вашего проекта, обеспечивая при этом практичность и экономическую эффективность. Чёткий процесс поможет вам избежать выбора материала со слишком сложными и неоправданно дорогими характеристиками.

Шаг 1: Определите требования

Сначала определите, что должна делать деталь и в каких условиях ей предстоит работать. Это включает оценку её механических, термических и химических характеристик.

• Механические потребности: Часто это основная причина использования композита. Подумайте, какие нагрузки должна выдерживать деталь. Нужны ли ей высокая прочность и жёсткость для сопротивления изгибу, как, например, опорному кронштейну или производственному приспособлению? Или же ей необходимы прочность и ударопрочность, чтобы выдерживать падения и удары, что характерно для роботизированных захватов? Для подвижных деталей усталость и износостойкость имеют решающее значение.
• Тепловые потребности: Рабочая температура — критический фактор. Температура изгиба при нагреве (HDT) материала показывает, когда он начнёт размягчаться под нагрузкой. Это критически важно для деталей, используемых рядом с двигателями, в транспортных средствах или в жарких заводских условиях.
• Химические и экологические потребности: Учитывайте условия окружающей среды, в которых будет эксплуатироваться деталь. Будет ли она подвергаться воздействию масел, охлаждающих жидкостей или других химикатов? Детали, предназначенные для использования на открытом воздухе, должны быть устойчивы к УФ-излучению, чтобы предотвратить их хрупкость.Точные инструменты должны обладать низким влагопоглощением для сохранения точности размеров во влажных условиях.

Шаг 2: расставьте приоритеты в своих потребностях

Составив список требований, определите, что из этого «обязательно», а что «желательно». Это важно, поскольку вам почти всегда придётся искать компромиссы. Например, углеродное волокно обладает высокой жёсткостью, но более хрупкое, чем кевлар®. Высокотемпературные пластики, такие как ПЭЭК, обладают хорошими характеристиками, но стоят значительно дороже нейлона. Оценка потребностей поможет вам сосредоточиться на самом важном и найти сбалансированное и доступное решение.

Сравнение армирующих волокон

Чётко определив требования и расставив приоритеты, вы сможете оценить, какое армирующее волокно вам подходит. Каждое из них обладает своим набором преимуществ.

Углеродное волокно

Углеродное волокно — лучший материал для изделий, которым требуется прочность и жёсткость при небольшом весе. Благодаря этому оно идеально подходит для облегчения деталей в аэрокосмической и робототехнической промышленности, а также для создания промышленных инструментов, способных заменить более тяжёлые детали из алюминия. Однако из-за своей жёсткости оно также очень хрупкое, поэтому не подходит для ситуаций, где возможны сильные удары. Это самый дорогой и дорогостоящий способ укрепления.

Стекловолокно

Стекловолокно — прочный и долговечный материал, который можно использовать во многих целях. Кроме того, оно очень дёшево. Поскольку оно не проводит электричество, его часто используют для изготовления рабочих прототипов, корпусов для электронных устройств, а также универсальных приспособлений и креплений, которые должны быть прочнее, чем просто пластик. Углеродное волокно прочнее, но легче и жестче углеродного волокна.

Кевлар® (арамидное волокно)

Кевлар®, изготовленный из арамидных волокон, — лучший материал для долговечности, поскольку он очень прочный и не подвержен износу. Он отлично подходит для деталей, которые должны служить долго и не повреждаться, например, для мягких зажимов для хрупких деталей или сборочных узлов, подвергающихся интенсивной эксплуатации. Его сложно шлифовать и изготавливать, а его прочность на сжатие уступает прочности стекловолокна или углеродного волокна.

Помимо выбора материала: практические факторы успеха

Выбор правильного материала — это лишь одна часть уравнения. Возможности вашего принтера, конструкция детали и ваш бюджет не менее важны для успеха.

Требования к 3D-принтеру

Не все 3D-принтеры могут работать с этими материалами. Как уже упоминалось, рубленые волокна абразивны и требуют сопло из закаленной стали Чтобы избежать повреждений. Для успешной печати высокотемпературными пластиками, такими как ПЭЭК, требуется принтер с нагреваемой камерой печати. ​​А если вам нужна превосходная прочность непрерывных волокон, о которой мы говорили, вам необходимо использовать принтер, специально оснащённый этой технологией.

Проектирование для аддитивного производства (DfAM)

Чтобы максимально эффективно использовать композитный материал, необходимо проектировать деталь специально для него. Нельзя просто напечатать конструкцию, предназначенную для металла, и ожидать, что она будет работать хорошо. Чтобы соответствовать требованиям прочности, которые вы определили ранее, конструкция должна быть оптимизирована. При использовании непрерывных волокон это означает ориентацию волокон по траекториям, где напряжение наиболее велико. Вы также можете использовать программное обеспечение для оптимизации топологии, чтобы создавать конструкции, в которых материал используется только там, где это необходимо, максимизируя соотношение прочности и веса.

Бюджет и объем производства

Наконец, учтите общую стоимость. Она включает в себя не только стоимость катушка с материалом, но и время печати и износ принтера. Всегда оценивайте, сможет ли менее дорогой композит удовлетворить все ваши «обязательные» требования, прежде чем выбирать более дорогой и высокопроизводительный вариант.

Двигайтесь вперед со своими 3D-проектами и четким планом!

Путь к созданию качественной композитной детали — это последовательный процесс. Он начинается с чёткого понимания требований вашего проекта. Определив свои потребности, вы сможете эффективно сравнить преимущества таких материалов, как углеродное волокно, стекловолокно и кевлар®. Учитывая особенности принтера, стратегию проектирования и бюджет, вы превращаете догадку в разумное инженерное решение. Этот практичный подход гарантирует, что созданная вами деталь будет надёжной, эффективной и будет соответствовать вашему проекту.