ปัจจัยใดบ้างที่ส่งผลต่อความแข็งแรงของชิ้นส่วนโมเดลที่พิมพ์ด้วยเครื่องพิมพ์ 3 มิติ?

หากคุณเคยถือชิ้นส่วนที่พิมพ์ 3 มิติซึ่งหักง่ายเมื่อคุณพยายามขันเข้าด้วยกัน หรือส่วนประกอบที่รู้สึกว่าแข็งพอที่จะทนทานต่อการใช้งานซ้ำๆ คุณก็รู้อยู่แล้วว่าความแข็งแกร่งของการพิมพ์ 3 มิติไม่ได้ถูกสร้างขึ้นเท่ากันทั้งหมด ในฐานะซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนโมเดลการพิมพ์ 3 มิติ ฉันใช้เวลาหลายปีในการแก้ไขปัญหาความแตกต่างเหล่านี้ให้กับลูกค้า ตั้งแต่บริษัทสตาร์ทอัพด้านหุ่นยนต์ขนาดเล็กที่ต้องการตัวเรือนที่ทนทาน ไปจนถึงทีมอุปกรณ์ทางการแพทย์ที่ต้องการต้นแบบที่แม่นยำและแข็งแกร่ง ความจริงก็คือ จุดแข็งของชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิตินั้นไม่ได้เกิดขึ้นแบบสุ่ม ออกแบบโดยการผสมผสานระหว่างวัสดุที่เลือกใช้ การตั้งค่าเทคโนโลยีการพิมพ์ การตัดสินใจในการออกแบบ และขั้นตอนหลังการประมวลผล เรามาแจกแจงปัจจัยแต่ละอย่าง แบ่งปันบทเรียนจากโลกแห่งความเป็นจริงที่ฉันได้เรียนรู้จากงาน และเชื่อมโยงเข้ากับประเภทของชิ้นส่วนที่เราผลิตทุกวัน

ประการแรกและสำคัญที่สุด วัสดุที่คุณเลือกคือปัจจัยพื้นฐานในด้านความแข็งแกร่งของชิ้นส่วน ฉันไม่สามารถบอกคุณได้ว่ากี่ครั้งแล้วที่ลูกค้ามาหาเราที่ต้องการที่อยู่อาศัยหุ่นยนต์แบบกำหนดเองสำหรับหุ่นยนต์คล้ายมนุษย์และหุ่นยนต์ที่คล่องแคล่ว [ลิงก์] ที่ต้องจับของหนัก แต่เลือกเรซินราคาถูกเพราะพิมพ์ได้เร็วกว่า เพียงเพื่อให้ตัวเรือนแตกหลังจากการทดสอบหนึ่งสัปดาห์ เรซินเหมาะสำหรับเก็บรายละเอียดเล็กๆ น้อยๆ แต่โฟโตโพลีเมอร์เรซินมาตรฐานส่วนใหญ่จะเปราะ โดยเฉพาะเมื่อเปรียบเทียบกับเทอร์โมพลาสติกที่ใช้ในการพิมพ์แบบผงเบด สำหรับชิ้นส่วนที่รับน้ำหนัก ฉันจะแนะนำให้ลูกค้าดูข้อมูลความแข็งแรงเฉพาะของวัสดุ ไม่ใช่แค่ผิวสำเร็จเท่านั้น ตัวอย่างเช่น หากคุณกำลังพิมพ์ชิ้นส่วนที่ต้องการความต้านทานแรงดึงหรือทนต่อแรงกระแทกสูง คุณจะได้ผลลัพธ์ที่แตกต่างจาก PLA (เทอร์โมพลาสติกทั่วไป) เทียบกับไนลอน และโลหะ เมื่อประมวลผลผ่านการเผาผนึกด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร (SLS) ไนลอนจะมีความยืดหยุ่นและทนทานต่อแรงกระแทก ทำให้เหมาะสำหรับตู้หุ่นยนต์ ในขณะที่ชิ้นส่วนรุ่นสเตนเลสสตีลการพิมพ์ SLM 3D ให้ความต้านทานแรงดึงสูงสุดสำหรับส่วนประกอบเครื่องจักรอุตสาหกรรม แม้แต่ในกลุ่มเรซิน เรซินเกรดวิศวกรรม (เช่น เรซินชนิดเหนียวหรือเรซินที่มีแรงกระแทกสูง) ยังมีความแข็งแรงที่ดีกว่าเรซินใสมาตรฐานอย่างมาก เราพบว่าลูกค้าอัพเกรดจากเรซินมาตรฐานเป็นเรซินวิศวกรรมในการออกแบบที่คล้ายคลึงกัน และความทนทานของชิ้นส่วนเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าโดยไม่ต้องปรับการตั้งค่าการพิมพ์ นอกจากนี้ ยังเป็นที่น่าสังเกตว่าเทคโนโลยีการพิมพ์ที่แตกต่างกันใช้วัสดุที่แตกต่างกัน: ชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติด้วยเรซิน [ลิงก์] อาศัยโฟโตโพลีเมอร์เหลว ในขณะที่ SLS ใช้ผงเทอร์โมพลาสติก และ SLM ใช้ผงโลหะ ดังนั้นการจับคู่วัสดุกับการใช้งานขั้นสุดท้ายของชิ้นส่วนจึงไม่สามารถต่อรองได้ ข้อผิดพลาดที่ฉันเห็นบ่อยครั้งคือลูกค้าเลือกวัสดุโดยพิจารณาจากต้นทุนหรือเวลาในการพิมพ์เท่านั้น ไม่ใช่คุณสมบัติเชิงกลที่แท้จริง เรามักจะพิจารณากรณีการใช้งานก่อนเสมอเพื่อจำกัดตัวเลือกวัสดุให้แคบลงก่อนที่เราจะสัมผัสเครื่องพิมพ์ด้วยซ้ำ

ต่อไป เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติและพารามิเตอร์กระบวนการมีบทบาทสำคัญในการแปลความแข็งแกร่งของวัสดุนั้นให้กลายเป็นส่วนสุดท้าย เริ่มจากความสูงของเลเยอร์ ซึ่งเป็นหนึ่งในการตั้งค่าที่มีผลกระทบมากที่สุด ความสูงของเลเยอร์ที่ต่ำกว่า (ชั้นที่บางกว่า) มักจะส่งผลให้ชิ้นส่วนแข็งแรงขึ้น เนื่องจากมีพันธะระหว่างเลเยอร์ที่อยู่ติดกันมากกว่า แต่จะใช้เวลาในการพิมพ์นานกว่า เมื่อเดือนที่แล้วฉันมีลูกค้ารายหนึ่งที่กำลังพิมพ์ขายึดฟังก์ชั่นสำหรับแขนหุ่นยนต์ ตอนแรกเขาใช้ชั้น 0.2 มม. เพื่อประหยัดเวลา แต่ขายึดจะแตกไปตามเส้นชั้นเมื่อยกด้วยน้ำหนัก 5 กก. เมื่อเราเปลี่ยนไปใช้ชั้น 0.1 มม. การยึดเกาะระหว่างชั้นของชิ้นส่วนดีขึ้นมากจนรับน้ำหนักได้ 8 กก. โดยไม่มีปัญหา แต่ความสูงของเลเยอร์ไม่ใช่พารามิเตอร์เดียวเท่านั้น ตัวอย่างเช่น สำหรับบริการการพิมพ์ SLS [ลิงก์] พลังงานเลเซอร์ที่ใช้ในการหลอมอนุภาคผงมีความสำคัญ: ต่ำเกินไป และอนุภาคเกาะติดกันไม่เต็มที่ ทำให้เกิดช่องว่างที่ทำให้ชิ้นส่วนอ่อนแอลง สูงเกินไป และคุณเสี่ยงต่อการย่อยสลายวัสดุ ซึ่งจะทำให้ความแข็งแรงลดลงด้วย สำหรับการพิมพ์เรซิน เวลาเปิดรับแสงและอุณหภูมิในการบ่ม (ทั้งระหว่างการพิมพ์และหลังการบ่ม) ส่งผลต่อการเชื่อมโยงข้ามระหว่างโมเลกุลเรซิน การบ่มน้อยเกินไปจะทำให้ชิ้นส่วนอ่อนนุ่มและอ่อนแอ ในขณะที่การบ่มมากเกินไปอาจทำให้เรซินเปราะได้ ปัจจัยสำคัญอีกประการหนึ่งคือความหนาแน่นและรูปแบบของการเติม ซึ่งเราปรับเปลี่ยนสำหรับลูกค้าเกือบทุกราย Infill คือโครงสร้างภายในของชิ้นส่วน และชิ้นส่วน Infill 100% จะมีความแข็งแกร่งกว่าชิ้นส่วน Infill 20% มาก แต่ก็หนักกว่าและมีราคาแพงกว่าเช่นกัน สำหรับชิ้นส่วนที่รับน้ำหนัก เรามักจะแนะนำการเติม 50-70% ด้วยรูปแบบสามเหลี่ยมหรือหกเหลี่ยม ซึ่งกระจายความเค้นได้เท่าๆ กันมากกว่ารูปแบบเชิงเส้นหรือตาราง เราทดสอบสิ่งนี้กับส่วนประกอบแขนหุ่นยนต์แบบกำหนดเอง: ช่องเติมรูปสามเหลี่ยมให้ความต้านทานแรงกระแทกได้ดีกว่าช่องเติมกริดที่ความหนาแน่นเท่ากันถึง 30% และลูกค้าไม่ต้องจ่ายค่าวัสดุเพิ่มเติม การวางแนวของชิ้นส่วนบนเตียงพิมพ์ก็มีความสำคัญเช่นกัน ส่วนที่พิมพ์โดยมีชั้นต่างๆ ขนานกับโหลดมักจะอ่อนกว่าส่วนที่พิมพ์โดยมีชั้นตั้งฉากกับโหลดเกือบทุกครั้ง เนื่องจากพันธะระหว่างชั้นจะอ่อนกว่าพันธะภายในชั้น ฉันไม่สามารถบอกคุณได้กี่ครั้งที่เราปรับทิศทางส่วนของลูกค้าเพื่อแก้ไขปัญหาจุดแข็ง โดยไม่จำเป็นต้องเปลี่ยนแปลงเนื้อหา ตัวอย่างเช่น ตัวยึดที่พิมพ์วางราบ (ชั้นขนานกับแรงดึง) จะหักที่ 100N; เมื่อเราหมุนมัน 90 องศา เพื่อให้ชั้นต่างๆ วิ่งสวนทางกับแรงดึง มันก็รับน้ำหนักได้ 250N นั่นเป็นการแก้ไขง่ายๆ ที่สร้างความแตกต่างอย่างมาก

นอกจากนี้ยังมีปัจจัยเฉพาะด้านการออกแบบที่มักถูกมองข้ามโดยผู้ใช้การพิมพ์ 3D ครั้งแรก สิ่งที่ใหญ่ที่สุดคือเรขาคณิตของชิ้นส่วน โดยเฉพาะความเข้มข้นของความเค้น มุมที่แหลมคม ผนังบาง และรอยบากทำให้เกิดจุดที่ความเครียดสะสม นำไปสู่การร้าวหรือแตกหัก ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนที่มีมุมฉาก 90 องศาจะมีความแข็งแรงต่ำกว่าชิ้นส่วนเดียวกันที่มีมุมโค้งมน (เป็นแผ่น) มาก เนื่องจากมุมโค้งมนจะกระจายแรงเค้นได้เท่าๆ กันมากขึ้น เรามักจะเพิ่มเนื้อปลาอย่างน้อย 1 มม. ให้กับชิ้นส่วนใดๆ ที่ต้องรับน้ำหนัก และเราเตือนลูกค้าเกี่ยวกับผนังบาง: หากผนังมีความหนาน้อยกว่า 1.5 มม. ก็มีแนวโน้มที่จะโค้งงอหรือแตกหักได้ง่ายมากขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากทำจากวัสดุที่เปราะ ปัจจัยการออกแบบอีกประการหนึ่งคือความหนาของผนัง: ความหนาของผนังที่สม่ำเสมอเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากความหนาที่แตกต่างกันนำไปสู่การระบายความร้อนที่ไม่สม่ำเสมอระหว่างการพิมพ์ ซึ่งทำให้เกิดความเครียดภายใน หากพื้นที่หนึ่งของชิ้นส่วนมีความหนาเป็นสองเท่า พื้นที่ที่หนากว่าจะเย็นลงช้าลง ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวหรือมีช่องว่างที่ทำให้ชิ้นส่วนอ่อนแอลง เราต้องออกแบบชิ้นส่วนที่กำหนดเองใหม่จำนวนมากสำหรับลูกค้าที่ส่งงานออกแบบที่มีผนังไม่เรียบ—การปรับเปลี่ยนเล็กน้อยที่ทำให้ชิ้นส่วนสามารถพิมพ์ได้และแข็งแกร่งขึ้น สำหรับชิ้นส่วนโลหะ เช่น ชิ้นส่วนโลหะการพิมพ์ 3D SLA อลูมิเนียม สแตนเลส [ลิงก์] เรายังต้องคำนึงถึงโครงสร้างรองรับด้วย: หากวางส่วนรองรับไม่ถูกต้อง อาจทำให้พื้นผิวขรุขระหรือทำให้ชิ้นส่วนเสียหายได้เมื่อถอดออก ทำให้เกิดจุดอ่อน เราออกแบบการวางตำแหน่งรองรับสำหรับชิ้นส่วนโลหะที่รับน้ำหนักโดยเฉพาะ โดยเลือกประเภทการรองรับที่ลดการเอาวัสดุออกหลังการพิมพ์ ดังนั้นส่วนสุดท้ายจึงมีความแข็งแรงเท่ากับวัสดุฐาน

กระบวนการหลังการประมวลผลเป็นขั้นตอนสุดท้ายที่สามารถสร้างหรือทำลายความแข็งแกร่งของชิ้นส่วน และมักจะได้รับการประเมินต่ำเกินไปที่สุด สำหรับชิ้นส่วนเรซิน การบ่มหลังการพิมพ์ถือเป็นสิ่งสำคัญ: แม้ว่าการตั้งค่าการบ่มของเครื่องพิมพ์จะสมบูรณ์แบบ แต่ชิ้นส่วนนั้นยังจำเป็นต้องได้รับรังสียูวีเพิ่มเติมหลังจากการพิมพ์เพื่อเชื่อมโยงเรซินอย่างสมบูรณ์ เราได้ทดสอบชิ้นส่วนที่ไม่ได้รับการบ่มหลังการพิมพ์ โดยจะรู้สึกได้ถึงความแข็งแกร่งทันทีหลังจากพิมพ์ แต่จะมีความนุ่มและเปราะหลังจากใช้งานไปหนึ่งสัปดาห์ สำหรับชิ้นส่วน SLS การขจัดผงและการพ่นลูกปัดสามารถปรับปรุงผิวสำเร็จได้ แต่การขัดด้วยลูกปัดมากเกินไปสามารถกัดกร่อนผนังบางและลดความแข็งแรงได้ เราปรับสมดุลระหว่างความเรียบของพื้นผิวกับความสมบูรณ์ของโครงสร้างโดยการปรับแรงกดและเวลาในการระเบิดของเม็ดบีดสำหรับแต่ละชิ้นส่วน สำหรับชิ้นส่วนโลหะ ขั้นตอนหลังการประมวลผล เช่น การอบชุบ เป็นเรื่องปกติเพื่อลดความเครียดภายในจากกระบวนการพิมพ์ ตัวอย่างเช่น ชิ้นส่วนสเตนเลสสตีลที่พิมพ์ด้วย SLM มีความเค้นภายในเล็กน้อยจากกระบวนการหลอมด้วยเลเซอร์ ซึ่งอาจทำให้เกิดการบิดงอหรือแตกร้าวได้หากไม่บรรเทาลง การอบชุบด้วยความร้อนหลังการพิมพ์จะช่วยลดความเครียดเหล่านี้ และเพิ่มความแข็งแรงของชิ้นส่วนได้สูงสุดถึง 20% ในบางกรณี นอกจากนี้เรายังมีตัวเลือกการตกแต่งขั้นสุดท้าย เช่น การเคลือบหรือการตัดเฉือน แต่เราเตือนลูกค้าเสมอว่าการเพิ่มการเคลือบที่หนาเกินไปอาจเพิ่มความเครียดหรือสร้างความไม่สม่ำเสมอได้หากใช้ไม่ถูกต้อง

ผมขอเชื่อมโยงทั้งหมดนี้เข้ากับตัวอย่างจริงจากงานของเราในไตรมาสที่แล้ว บริษัทวิศวกรรมด้านหุ่นยนต์แห่งหนึ่งต้องการที่อยู่อาศัยสำหรับหุ่นยนต์รูปทรงมนุษย์และหุ่นยนต์ที่คล่องแคล่วโดยเฉพาะ [ลิงก์] ที่สามารถทนทานต่อการใช้งานในแต่ละวันในการทดสอบในห้องปฏิบัติการ รวมถึงการหยิบจับสิ่งของที่มีน้ำหนักไม่เกิน 2 กก. การออกแบบเบื้องต้นที่พวกเขาส่งมานั้นทำจากเรซินมาตรฐาน พิมพ์ที่ชั้น 0.2 มม. โดยมีการเติมกริด 20% และมีมุมที่แหลมคม เมื่อเราทดสอบต้นแบบ มันพังหลังจากการคว้าครั้งแรก เราพิจารณาปัจจัยต่างๆ ร่วมกัน ประการแรก เราเปลี่ยนวัสดุเป็น Tough Resin เกรดวิศวกรรม (ชิ้นส่วนการพิมพ์ 3 มิติด้วยเรซิน [ลิงก์]) ซึ่งมีความต้านทานแรงดึงมากกว่าเรซินมาตรฐานถึง 2 เท่า จากนั้น เราปรับความสูงของชั้นเป็น 0.1 มม. เพื่อปรับปรุงการยึดเกาะระหว่างชั้น เปลี่ยนการเติมเป็นรูปแบบสามเหลี่ยม 60% เพิ่มเนื้อ 2 มม. ในทุกมุม และปรับทิศทางชิ้นส่วนบนเตียงพิมพ์ใหม่ เพื่อให้ชั้นต่างๆ วิ่งต้านแรงดึงของมือจับหุ่นยนต์ นอกจากนี้เรายังเพิ่มขั้นตอนหลังการบ่ม 24 ชั่วโมงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการเชื่อมโยงข้ามเรซินอย่างสมบูรณ์ ชิ้นส่วนสุดท้ายรับน้ำหนักได้ 5 กก. โดยไม่แตกหัก และตั้งแต่นั้นมา ลูกค้าก็สั่งเพิ่มอีก 50 ชิ้นสำหรับห้องปฏิบัติการของตน โปรเจ็กต์นั้นทำให้ฉันกลับบ้านใจว่าจุดแข็งไม่ได้ขึ้นอยู่กับปัจจัยเดียวเท่านั้น แต่เป็นการผสมผสานวัสดุที่เหมาะสม พารามิเตอร์กระบวนการ การออกแบบ และขั้นตอนหลังการประมวลผลเพื่อตอบสนองความต้องการเฉพาะของชิ้นส่วน

ในฐานะซัพพลายเออร์ งานของเราไม่เพียงแค่พิมพ์สิ่งที่ลูกค้าขอเท่านั้น แต่ยังให้ความรู้พวกเขาว่าปัจจัยเหล่านี้ส่งผลต่อชิ้นส่วนสุดท้ายของพวกเขาอย่างไร ไม่ว่าคุณจะพิมพ์ต้นแบบขนาดเล็ก ส่วนประกอบทางอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริง หรือชิ้นส่วนหุ่นยนต์แบบกำหนดเอง การสละเวลาเพื่อแก้ไขปัจจัยแต่ละข้อเหล่านี้ให้ถูกต้องจะหมายถึงความแตกต่างระหว่างชิ้นส่วนที่ใช้งานได้กับชิ้นส่วนที่ล้มเหลวเมื่อจำเป็น หากคุณกำลังทำงานในโครงการและต้องการให้แน่ใจว่าชิ้นส่วนที่พิมพ์แบบ 3 มิติของคุณมีความแข็งแกร่งเพียงพอสำหรับการใช้งานตามวัตถุประสงค์ เราพร้อมให้ความช่วยเหลือคุณในทุกขั้นตอน ตั้งแต่การเลือกวัสดุไปจนถึงการตกแต่งขั้นสุดท้าย ติดต่อเราเพื่อหารือเกี่ยวกับความต้องการของคุณ และรับใบเสนอราคาที่เหมาะกับโครงการของคุณ

อ้างอิง

1. Gibson, I., Rosen, DW, & Stucker, B. (2015) เทคโนโลยีการผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุ: การพิมพ์ 3 มิติ การสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว และการผลิตดิจิทัลโดยตรง สปริงเกอร์.
2. ASTM อินเตอร์เนชั่นแนล (2020). วิธีทดสอบมาตรฐานสำหรับคุณสมบัติแรงดึงของพลาสติก (ASTM D638)
3. บักชี, อ., และกูเซรี, SI (1994) สมบัติทางกลของชิ้นส่วนสเตอริโอลิโธกราฟี วารสารการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็ว, 1(1), 16-23.
4. Wong, KV, และ Hernandez, A. (2012) การทบทวนการผลิตสารเติมแต่ง วิศวกรรมเครื่องกล ISRN, 2555, 1-10