Wytrzymałość druku 3D: Jak drukować 3D mocne części

Siła w liczbach

Niektóre zastosowania druku 3D wymagają części, które mogą wytrzymać przyłożone obciążenia mechaniczne. Większość z nich to “projekty punktowe”, gdzie projekt części i proces budowy zostały opracowane i przetestowane w procesie iteracyjnym w celu osiągnięcia pożądanych rezultatów.

Jak pokazano na ilustracji, istnieje wiele różnych rodzajów obciążeń, które mogą być stosowane do części. W rzeczywistości często występuje więcej niż jeden rodzaj obciążeń. Kombinacje obciążeń wymagają zastosowania zaawansowanych technik analizy naprężeń w celu zapewnienia zrozumienia naprężeń we wszystkich miejscach części.

W tym artykule przeanalizujemy kilka sposobów na zwiększenie wytrzymałości drukowanych części , włączając w to użycie materiałów o wysokiej wydajności, optymalną orientację druku, gęstość wypełnienia, post-processing i lokalne wzmocnienie. Zaczynajmy!

Wybór materiału

Jedną z najbardziej oczywistych rzeczy do zrobienia jest rozpoczęcie od używania materiałów, które mają solidne adekwatności mechaniczne. Materiały o wysokich parametrach mogą być trudne do wydrukowania na maszynach klasy konsumenckiej ze względu na wymagane wysokie temperatury.

Niektóre mocne materiały, które są częściej używane to ABS, PETG, ASA i nylon, ponieważ można je drukować na zamkniętych drukarkach klasy konsumenckiej. Większość systemu do cięcia ma wstępnie ustawienia dla tych materiałów, można również sprawdzić sugestie producenta.

Kierunek druku

Części drukowane na drukarkach FDM mają adekwatności mechaniczne, które są bardzo kierunkowe, a wytrzymałość części jest najsłabsza w kierunku druku. Ogólnie rzecz biorąc, najlepiej jest ustawić część na platformie tak, aby kierunek najmniejszego naprężenia był wzdłuż kierunku druku.

Obrzeża i wypełnienie

Wybór jednego z wielu wzorów wypełnienia dostępnych w slicerze zależy od przypadku użycia, a różne wzory zapewniają różne korzyści.

Ogólnie rzecz biorąc, większa gęstość wypełnienia zapewnia większą wytrzymałość. To samo dotyczy grubszych obwodów w stosunku do cieńszych, ale efekt ten jest w dużym stopniu zależny od przypadku obciążenia. Dodatkowo, o ile powierzchnia drukowanej części będzie szlifowana lub wygładzana chemicznie, należy pamiętać o dodaniu odpowiedniej ilości perymetrów, aby zapewnić możliwość usunięcia materiału z powierzchni.

Post-Processing

Powierzchnie drukowane zawierają rdzenie naprężeń ze względu na ich nieodłączną warstwową naturę, jak pokazano na powyższej ilustracji. Te wady powierzchniowe mogą prowadzić do wczesnych awarii, zwłaszcza jeżeli część jest narażona na zmęczenie spowodowane cyklicznymi obciążeniami.

Post-processing, takie jak wypełnianie, szlifowanie i chemiczne wygładzanie może wygładzić te powierzchnie i poprawić wydajność części.

Wzmocnienie lokalne

W tym rozdziale poznamy kilka sposobów na lokalne wzmocnienie części, w których występują naprężenia mechaniczne i wzmocnienie części lokalnie w obszarze narażonym na duże naprężenia. Dokonując modyfikacji tylko w obszarze dużych naprężeń, projekt części maksymalizuje stosunek wytrzymałości do wagi części, zmniejsza zużycie filamentu i minimalizuje czas drukowania.

Użyjemy prostej części C-frame. Ma ona wymiary 50 x 100 x 10 mm, a promień naroża wynosi 15 mm. Część została zaprojektowana i przeanalizowana w programie Fusion 360.

Krok 1: Analiza naprężeń i przygotowanie

Pierwszym krokiem do wzmocnienia części jest przeprowadzenie analizy naprężeń, aby zidentyfikować obszary, które wymagają wzmocnienia. W tym przypadku, materiał części został ustawiony na stal 4130. W celu obciążenia, do lewej strony części zastosowano stałe ograniczenie, a do prawej strony dodano obciążenie 1000 lb (jak pokazano powyżej). Czerwone podświetlenie wskazuje obszar o dużym naprężeniu.

Aby przygotować część do wzmocnienia miejscowego, utwórz ramkę wokół obszaru wysokiego naprężenia i zamodeluj ją jako oddzielną bryłę.

Krok 2: Gęstość wypełnienia

Modyfikacja gęstości wypełnienia jest prosta. Poniższe instrukcje są specyficznym procesem dla PrusaSlicer:

• Wczytaj część C-frame do swojego slicera.
• Wybierz część, kliknij prawym przyciskiem myszy i przejdź do “Settings “> “Import Modifier “.
• Wybierz obszar, które utworzyłeś wokół obszaru wysokiego naprężenia.
• Kliknij na zielony znak plusa, aby otworzyć okno dialogowe gęstości wypełnienia.
• Ustaw gęstość wypełnienia dla obszaru wysokiego naprężenia na 100%.

Aby sprawdzić, czy się udało, wykonaj operację “Slice Now”. Przejdź do okna podglądu a zaobserwujesz 100% wypełnienie w bardzo obciążonym obszarze.

Krok 3: Obwody

Modyfikacja obwodów modelu jest również prostym procesem:

• W PrusaSlicer kliknij prawym przyciskiem myszy na część C-Frame.
• Przejdź do Settings.
• Kliknij na zielony znak plusa, aby otworzyć okno dialogowe perymetrów.
• Zwiększ liczbę perymetrów do pożądanej grubości.

Ponownie wykonaj operację “Slice Now”. Przejdź do okna podglądu i zwróć uwagę na 100% wypełnienie oraz grubsze obwody w obszarze o dużym obciążeniu.

Etap 4: Wzmocnienie wewnętrzne

Możliwe jest również dodanie wzmocnień wewnętrznych. Aby to zrobić, wróć do swojego modelu 3D (w tym przypadku w programie Fusion 360) i zamodeluj wewnętrzny otwór w miejscu narażonym na duże naprężenia.

Choć może się to wydawać sprzeczne z intuicją, podczas cięcia części slicer potraktuje otwór jako cechę części. W związku z tym wydrukuje go z uwzględnieniem obwodów, tworząc wewnętrzny pręt w korpusie części.

Aby stworzyć wewnętrzny “pręt” wzmacniający, wykonaj operację “Slice Now” w PrusaSlicer z poprzednimi ustawieniami wypełnienia i obwodu. Przejdź do okna Preview i zwróć uwagę na 100% wypełnienie, grubsze obwody i wewnętrzny pręt w bardzo obciążonym obszarze.

Przemyślenia końcowe

Połączenie lokalnie zwiększonej gęstości wypełnienia, większej liczby obwodów i wewnętrznych prętów w miejscach narażonych na duże obciążenia zwiększa wytrzymałość i użyteczność części. Dzięki temu można uzyskać część, która jest strukturalnie wytrzymała, przy jednoczesnym zminimalizowaniu zużycia filamentu i czasu drukowania.

Inteligentne zastosowanie wszystkich sposobów na zwiększenie wytrzymałości części skutkuje wydrukami, które są odpowiednie dla ich zamierzonych zastosowań. Szczęśliwego drukowania!

Źródło: https://all3dp.com