Привет! На связи студия 3d_print_uu
Сегодня я хочу посвятить статью такой теме как - детали работающие под нагрузкой. Я как раз специализируюсь на таких деталях, и если вам нужна деталь работающая под нагрузкой, то вам ко мне.
Цель сатьи: объяснить нюансы и дать общее представление о прочности напечатанных деталей.
И так, давайте разбираться.
Когда клиенты обращаются с запросом изготовить деталь по их сломанному образцу, первое на что я обращаю внимание, это на маркировки. В автомобилестроении в основном используются 6 типов полимерных материалов: ABS, ASA, PP, PC, PA, POM. В зависимости от их геометрии и конструкционных требований, данные материалы могут быть наполнены композиционным наполнителем, типа:
1. GF - стекловолокно.
2. СF - углеродное волокно.
тогда их обозначение будет PP/GF30, или PA/CF20. Цифры в конце означают процент содержания наполнителя от общей массы.
Кратко опишу каждый материал:
ABS - корпусной материал, характеризуется лёгкой обработкой, применяется в деталях, которые практически не испытывают нагрузки. Промышленный ABS держит температуру до 90 градусов. Материал ABS используемый в 3d печати может использоваться при температуре до 105 - 110 градусов. За счёт того, что в его формуле увеличено содержание стирола. Сразу обращу ваше внимание, что композиционный ABS, это не тоже самое что обычный ABS, в нём очень много дополнительных присадок, которые увеличивают прочностные характеристики материала. Поэтому не путайте обычный ABS, и композиционный ABS, этот материал может использоваться в функционально-нагруженных деталях!
ASA - композиционный материал на основе ABS. отличается лишь только тем, что у него незначительно повышены прочностные характеристики по сравнению с обычным ABS, и его температура эксплуатации повышена до 105 градусов. В 3d печати такой материал есть, но если честно, по моим наблюдениям, он ничего общего не имеет с промышленным материалом, т.к. в 3d печати не используется давление! Поэтому вполне можно использовать обычный филамент ABS, или же композиционный ABS/GF10.
PP - из полипропилена делают как правило детали, которым необходима гибкость в процессе эксплуатации, или температурная стойкость, в автомобилестроении используется PP, который выдерживает до 130-140 градусов. В принципе ничем не отличается от ABS насыщенного ацетоном, только модуль упругости выше и температурная стойкость.
PC - поликарбонат достаточно интересный конструкционный материал, выдерживает температуру до 130 градусов. и имеет хорошую жёсткость. В автомобилестроении в основном используется для стёкол фар или элементы заглушек. Я этот материал в шутку называю "всё или ничего" потому что этот материал в отличии от всех предыдущих, работает до самого конца, и как правило всегда разбивается в дребезги, или работает на износ. В 3d печати есть достойные представители этого материала, которые не уступают по своим характеристикам промышленному материалу. Может использоваться в нагруженных элементах.
PA - Полиамиды, он же нейлон, пожалуй самая обширная и известная группа материалов это и PA6, PA12, Taulman 645 и др. Это конструкционный материал, применяется в механически нагруженных деталях, характеризуется повышенной износостойкостью, часто используется в шестерёнках и в элементах контактирующих с бензином, дизелем! В 3d печати есть достойные аналоги, но этот материал в чистом виде очень капризный и сложный, не каждый с ним cможет справиться, поэтому чаще его используют в виде композитов.
POM - Полиацеталь, очень крутой, достойный материал, с идеальными механическими и термическими характеристиками, очень прочный из-за своей высокой плотности, единственное только ему не надо контактировать с минеральными кислотами, хлором и щёлочью. Его часто используют в качестве заменителя металлов и сплавов в конструкциях. В 3d печати пока к сожалению аналогово приближенных к промышленному материалу нет. Но его можно заменить композитом на основе полиамида с большим содержанием стекловолокна. Полиацеталь очень ядовитый материал, плавить его не стоит! Если дым попадает в глаза, очень неприятные ощущения возникают. Работать с ним можно только в маске и в очках.
Все заводские детали, как правило делаются литьём, термопрессованием, вакуумной формовкой, или штамповкой. Маленькие детали делаются в основном литьём под давлением, причём очень большим!
Определив какой перед нами материал, далее на что я обращаю внимание, это на геометрическую форму детали:
1. Есть ли в ней хотя бы одна из сторон, которая является плоской.
2. Есть ли такие элементы в детали как: тонкостенные перегородки, защёлки, отверстия, пустоты, или навесающие фрагменты.
3. Спрашиваю о том, как работает деталь в механизме, есть ли какие-то элементы в ней, которые находятся под нагрузкой.
4. Определяю визуально конструкционную работу детали по базовой механике, какие из её элементов подвергаются: сжатию, растяжению, моменту вращения, смещению, и изгибу. Ищу толерантно-нейтральные силы. Т.к. по образованию я инженер, учился на кафедре сопротивления материалов, мне не составляет труда это сделать.
5. Cамое главное выясняю, есть ли температурное воздействие на деталь.
Все эти данные очень важны! Так как они предопределяют конечный результат, который клиент может получить.
Выяснив необходимую информацию, мы можем предложить клиенту определённые решения относительно детали:
1. Предложить усиление детали, заполнив пустоты, и усилив толщину стенок элементов. Часто производители экономят, уменьшая вес детали за счёт создания пустот, убрав их, можно значительно повысить прочность детали.
2. Узнав как распределяется нагрузка по детали, стараюсь расположить деталь таким образом по возможности, чтоб в процессе печати, волокна печатаемой детали располагались вдоль осей нагрузок, это даёт значительное повышение прочности в некоторых случаях.
3. Определив материал, если нет такого материала в наличии или в принципе нет в 3d печати, стараюсь подобрать аналог, который приближен по температурам работы и прочностным характеристикам.
4. В процессе печати на сколько возможно, стараюсь использовать возможности экструзии, печатаем всегда на самых минимальных параметрах, это занимает время, иногда очень много, до двое суток для небольших деталей, но оно того стоит! Также используем функцию сглаживания и вдавливание экструдируемого материала кончиком фильеры в предыдущий слой. В некоторых случаях используем уплотнение эктрудированных волокон нити для более плотной сварки соседних стенок.
5. В некоторых случаях когда требуется, меняем температуру экструзии, отклоняясь от рекомендованных параметров производителя филамента, стараясь немного перегреть пластик, это увеличивает общею жёсткость материала, но уменьшает при этом модуль упругости, делая деталь более хрупкой на излом.
6. Если геометрия детали позволяет, предлагаю клиентам дополнительно армировать деталь, в качестве армирования используем обвязочную медную проволоку, мягкую сетку серпянку для отделки стен, или строительную стальную серпянку. Так же используем стальные стержни, болты, в некоторых случаях можем использовать двухкомпонентый полиуретан для литья. Также в некоторых случаях, можем искуственно изменить распределение нагрузок в особо ответственных участках деталей, например использовать внутреннее резьбовое соединение, использовать геометрическое сопряжение (сделать юбку у основания фрагмента на детали) и др.
7. В некоторых случаях для дополнительного упрочнения деталей, используем технологические процессы: варим детали в воде для уменьшения внутренних напряжений с дополнительными присадочными материалами в виде различных солей, кислот. Для некоторых материалов, используем термическую сушку (закалку) по определённому циклу. Также используем электрохимическое армирование (электролизные ванны).
8. В случае если деталь имеет не сложную геометрическую форму, но требуется более повышенная прочность, предлагаем клиентам сделать деталь литьём из металла, или с помощью токарной обработки, используя литьевые экструзионные заготовки сделанные под давлением.
Как понимаете, возможностей сделать что-то достойное, а в некоторых случаях и превосходящею по качеству оригинальную деталь у нас большой, при правильном использовании головы и рук. Но всё, всегда упирается в стоимость изделия, и не понимание, почему это стоит так дорого, а не дешевле. Поэтому предпочтение отдаётся более дешёвому варианту производства.
В любом случае, возможности есть, обращайтесь, сделаем!
До следующей статьи! Ваш Зd_print_uu
