Fשימוש Deposition Modeling (FDM) התבגר בתהליך ייצור של תוספי ייצור המסוגל לייצר חלקים בסביבות הנדסיות תובעניות. בעוד FDM קשורה לעתים קרובות עם יישומים prototyping ונמוך, התקדמות בתרמופלסטיקה ביצועים גבוהים וחומרת המדפסת הפכו אותו קיימא עבור רכיבים חשופים לטמפרטורות גבוהות.

עיצוב חלקי FDM עבור סביבות עתירה גבוהה דורש גישה שיטתית כי חשבונות התנהגות חומרית תחת עומס תרמי, תכונות מכניות anisotropic אינטרימיקה לתהליך FDM, ושיקולים גאומטריים המפחיתים את ההתרחבות והריכוזים של ריכוזי הלחץ.מהנדסים חייבים לעבור מעבר להנחיות עיצוב סטנדרטיות ולאמץ אסטרטגיות שמטפלים, חישוקלות, ונפיחות בטמפרטורה.

מאמר זה מספק מסגרת מקיפה לעיצוב חלקי FDM המיועדים לחשיפה ממושכת או מחזורית, כיסוי ברירה חומרית, גיאומטריה חלקית, פרמטרים הדפסה, שיטות עיבוד ואימות.

הבנת הדרישות הארומאליות

סביבות ארוכות-טמפרטורה גבוהה באווירה (רכיבי מתחת לגיל, ducting), רכב (חלקי מפרץ אנרגטי, דוקטרונות אוויר חם), ומכונה תעשייתית (ממריצה, תיקון ליד תנורים) כוויות תרמיות שיכולות להפיג חומרים FDM סטנדרטיים כמו PLA או ABS. מעצבי חייב לשקול:

  • (ב) ,0) הטמפרטורה של חליל 1 (FLT) - חשיפה מתמדת מעל טמפרטורת החישה החום של החומר (HDT) מובילה לרכך ולסחף ממדי.
  • (ב) ,0) טמפרטורה של טמפרטורה צהובה 1 (FLT:1) - חימום חוזר וקירור גורם עייפות תרמית, במיוחד ממשקי שכבה.
  • (FLT:0) עליית הטמפרטורה של Peak עולה 1FLT - חשיפה קצרת-דור מעל דירוג מתמשך דורש חומרים עם טמפרטורת מעבר זכוכית גבוהה (Tg) והתנהגות מודיעה.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

כל אחד מהגורמים האלה משפיע ישירות על בחירת החומר, עובי הקיר, תומך בגיאומטריה, וצעדים שלאחר עיבוד.

בחירת חומרים ל-High-Temperature FDM

בחירת ה filament הנכונה היא ההחלטה החשובה ביותר.תרמופלסטים עתיריים עבור FDM הם בדרך כלל חצי קריסטלליין או amorphous פולימרים עם ערכי Tg ו HDT גבוהים. החומרים הנפוצים ביותר ואת התכונות העיקריות שלהם הם המפורטים להלן.

Polye Theretherketone (PEEK)

PEEK מציע יציבות תרמית יוצאת דופן עם טמפרטורות שימוש רציף עד 250 מעלות צלזיוס, הוא שומר כוח מכני ונוקשות הרבה מעל Tg (כ 14 מעלות צלזיוס) PEEK הוא חצי-קריסטלליין, כלומר זה יכול להשיג גבישיות גבוהה באמצעות קירור מבוקר, אשר משפר התנגדות כימית וביצועים מצמרר.עם זאת, הוא דורש טמפרטורת מיטה הדפסה של לפחות 160 מעלות צלזיוס ותא סגור ל -100 -160 מעלות צלזיוס למנוע התנגדות לא מספקת.

Polyphenylsulfone (PPSU)

PPSU משלב התנגדות בחום גבוהה (Tg -220 ° C, HDT -20 ° C ב 264 psi) עם כוח השפעה מעולה והתנגדות כימית.It is amorphous, אשר מפשט עיבוד יחסית לחומרים חצי-קלסטליניים, אבל עדיין דורש תא מחומם (120 מעלות צלזיוס) וסוף חם כל מטר.

Ultem (PEI - Polyetherimide)

Ultem 9085 (amorphous) ו- Ultem 1010 (התנהגות דמוית קרמיקה) משמשים נרחב בפנים אוויריות וכלי. Ultem 9085 יש Tg של 186 ° C ו- HDT של 15 ° C ב 264 psi. יש טמפרטורה שימוש רציפה יותר מאשר PEEK (כ 170 מעלות צלזיוס) אבל הוא קל יותר להדפיס תפקידים כימיים רבים יותר עבור 10.

מועמדים נוספים ל-High-Temperature

  • (ב) ,0) פוליקרבונט (PC)FLT:1 ; HDT - 130 מעלות צלזיוס, בעלות נמוכה יותר, אך נוטה להתחמש אם לא יבש כראוי.
  • (FLT:0)Nylon 12 (PA12) עם סיבי פחמן ראטפל 1 - HDT יכול לעלות על 150 מעלות צלזיוס במידות מחזקות, מתאים לטמפרטורה מתונה.
  • (FLT:0)Polypropylene (PP)FIRLT:1) - התנגדות כימית מעולה, אך HDT נמוך (~100°C) מגביל את היישום שלה בטמפרטורה גבוהה.

(ב) עיין ב[[המאה ה-20]] ב[[1924]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]]

עיצוב התרחבות ומתח

כל התרמופלסטים מתרחבים כאשר מחומם.המקדם של התרחבות תרמית (CTE) עבור חומרים FDM נע בין כ 30-100 מיקרומטר / m ° C בהתאם לממלאים ו anisotropy. חלק מתוכנן גרוע יכול לקשור, להתנדפק או לפצח שינויים בטמפרטורה.

המונחים: Fits

כאשר חלק מודפס חייב להחליק נגד או לסגור מרכיב אחר (למשל, שיח בדוכס אוויר חם), עיצוב בנקה חשבונות עבור הרחבה תרמית.

(ב) ⁇ = ⁇ = ⁇ = α × L × ⁇ TreaFLT 1

כאשר α הוא CTE, L הוא הממד הדומיניאלי, ו ⁇ T הוא עליית הטמפרטורה מעל ambient. עבור חומרים פחמן-fiber-reinforceed, CTE לאורך כיוון הסיבים יכול להיות הרבה יותר נמוך, אז חשבון עבור anisotropy. עבור התאמה (למשל, תוספות מחונכות), להימנע סובלנות הדוקה שיכולה לגרום לקריפטציה בטמפרטורה; במקום זאת, להשתמש בסובלנות או כקנדגנציה.

מילוי ומאמץ מתח

פינות שארפ מתנהגות כמו העלאת מתח, ובקצבה מוגברת של טמפרטורה יכול להתחיל בנקודות אלה.כל פינה פנימית וחיצונית צריכה לכלול רדיוס מלא של לפחות 1-2 מ"מ, רצוי 3-5 מ"מ עבור קטעים עבים. השתמש במעברים חלק ולא שינויים פתאומיים בפרשת המעבר כדי להפיץ מתח תרמי אפילו.

ריכינג ומבנה סטריפטינג

עבור חלקים מעוקלים כי חייב לתמוך עומסים בטמפרטורה, להוסיף גועלים או צלעות מוכווני perpendicular לכיוון ההתרחבות התרמית הצפויה. Ribs גם לעזור לנהל את הייבוש במהלך הדפסה כי הם מספקים נתיב מתמשך עבור פירוק חום. כלל טוב של אצבע: גובה rib צריך להיות פחות משישה פעמים עובי, ואת עובי בבסיס שלה לא צריך להיות עבה יותר מאשר מנספחים, למנוע סימני כיור.

תכונות דיסipation

עבור חלקים שיוצרים חום או מלכודות (למשל, מתחמי אלקטרוניקה), לשלב חריצים או מבנים גילוח או lattice. A hexagonal או gyroid infill ניתן לתכנן לפעול כמו החלפת חום תוך שמירה על שבילי עומס. השתמש סימולציה FEA עם עומס תרמי כדי לייעל גיאומטריה.

אוריינטציה ושכבה Adhesion

חלקי FDM הם אנטרופיה מטבעו: Z-axis (layer-to-layer) כוח הוא בדרך כלל 1⁄2 עד 2 וחצי של כוח XY. בטמפרטורות גבוהות, זה אנזוטרופיה מחמיר כי השרשראות פולימרים פחות מסבך על פני שכבות. חומרים עתירי גבוה רגישים במיוחד לקישורים נמוכים הנגרמים על ידי ⁇ באזור הטמפרטורות extrus.

אסטרטגיית האוריינטציה

  • לכיוון טעינה מתמשך עם מטוס XY (דפסת נפיחות) בכל פעם שניתן. עבור ⁇ שחווה מתח מתקרב, להדפיס אותו על קצהו כך ששכבות לרוץ במקביל לרגע ההפוך המקסימלי.
  • עבור חלקים עם חורי דרך או תערובות חוט, או להקל על החורים כך ציר הבור הוא perpendicular שורות השכבה כדי להימנע חלש, מדרגות מדרגות מדרגות מדרגות מדרגות כי יכול להיכשל תחת רכיבה תרמית.
  • השימוש תומך רק במידת הצורך; חומרים עתירי זמן גבוהים יקרים, והתמיכה בהסרה יכולה לפגוע משטחים קריטיים.חשבו על בניית פריצה מקרית תומכת בחומר אחר (למשל, תמיכה כהלולית) אם המדפסת מאפשרת חדירה כפולה.

שיפור עוצמת האינטר-שכבות

בטמפרטורות שירות גבוהות, אזור האינטרל החלש הוא הראשון להיכשל.

  • (FLT:0) הדפסה עם טמפרטורה גבוהה של חדירה 1 (בטווח המומלץ של היצרן (למשל, עבור PEEK, טמפרטורה ללא סחרחורת 360-420 מעלות צלזיוס).
  • (FLT:0) Increase לבנות טמפרטורה תא חום 1FLT כדי להפחית את שיעור הקירור בין שכבות, המאפשר שרשראות פולימר לטבול על פני הממשק.עבור Ultem, טמפרטורה קאמרית של 80-120 מעלות צלזיוס אופייני; עבור PEEK, 100-160 ° C.
  • (FLT:0)Use עבה יותר שכבות (0.2-0.3 מ"מ)FLT ( 1:1 עבור חלקים מבניים. שכבות דקנר מגניב מהר יותר ועשויות לא להשיג חיבור מלא, במיוחד עם חומרים גבוהים.
  • (ב) ,0) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

דרישות ייצור עבור High-Temperature FDM

מדפסת שולחן העבודה הסטנדרטית FDM אינה יכולה לעבד חומרים עתירי זמן גבוהים.תכונות החומרה הבאות הכרחיות:

  • (ב) ,0) , סופה חמה של כל מטר (FLT:1 ), המסוגלת לטמפרטורות ננוכות מ-350 מעלות צלזיוס, לעתים קרובות עם הפסקת חום דומטית כדי למנוע חום לזחול לתוך נתיב השחה.
  • (FLT:0) בניית תאב"ל:1 - סגור ומבודד, עם טמפרטורה פעילה לשלוט עד 100 מעלות צלזיוס (200 מעלות צלזיוס עבור מערכות PEEK מתקדמות). חדר מחומם מקטין את התפתל ומשפר את הדבקות בין-שכבת.
  • (FLT:0) קארי אחסון צנרת:1 - חומרים עתירי גבוה הם Hygroscopic. PEEK, Ultem, ו-PPSU חייב להיות יבש פחות מ 0.02% לחות לפני הדפסה. השתמש מייבש מפואר או תנור ריק, להאכיל מ מיכל חתום במהלך הדפסה.
  • (FLT:0) מערכת תנועה מקדימה (Precision Motionהמחשה) 1 - רכבות ליניאריות באיכות גבוהה או כדור ברגים כדי לשמור על דיוק בעת הדפסה בטמפרטורות גבוהות של תאים, שבו התרחבות תרמית יכולה להשפיע על גיאומטריה של מכונה.

(ב) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

תוצאות חיפוש עבור Thermal Stability

עיבוד פוסט יכול לשפר באופן משמעותי את הביצועים של חלקי FDM. הטכניקות היעילות ביותר הן טיפול חום נשימה ולחצים.

אנליינג

אנלילינג כרוך חימום החלק המודפס עד מתחת ל Tg (לפולימרים amorphous) או מעל Tg (עבור פולימרים חצי-קריסטליים) לתקופה מוגדרת, ולאחר מכן קירור איטי זה מקדם צמיחה גבישית, מפחית מתחים פנימיים, ומגדיל את HDT עד 10-30 מעלות צלזיוס. טיפוסי מחזורי annealing:

  • PEEK: 200 מעלות C במשך 2-4 שעות בתנור, ואז קריר ב 5 מעלות צלזיוס / מי לטמפרטורת החדר.
  • אולטום: 190 מעלות צלזיוס למשך 1-2 שעות.
  • PPSU: 200 מעלות C למשך שעה אחת.

יש לתמוך בחלקים במהלך annealing כדי למנוע ייבוש חול או מיטות טיח ניתן להשתמש, או את החלק ניתן לקנן בתיקון. Note כי annealing יכול לגרום לכווץ של 0.2-0.5%, כך עיצוב פיצוי קטן (למשל, גרף 1.003 ל 1.005) אם דיוק לאחר דחיסה הוא קריטי.

הקלה ללא שינוי קריסטל

עבור חומרים נבונים כמו Ultem 9085, מחזור פשוט לחץ (180 ° C במשך 30 דקות, קריר איטי) להפחית את הלחץ המשתנים מ הדפסה ללא שינוי דרמטי של תכונות מכניות.זה משפר יציבות ממדית לטווח ארוך תחת רכיבה תרמית.

התנהגות מכנית בטמפרטורות

בטמפרטורות שירות גבוהות, חלקי FDM מפגינים את המודולולים מופחתים, דוקטריות מוגברת, ו-Time-תלויה מעצבי חייב לקחת בחשבון שינויים אלה כדי להימנע מכישלון מוקדם.

Creep

Creep הוא העיוות האיטי תחת עומס קבוע בטמפרטורה גבוהה.כל התרמופלסטים מצמררים, אבל ציונים חצי-קריסטלליין (PEEK, אולטימם 1010) יש הרבה יותר נמוך יותר מאשר אלה amorphous. הלחץ שניתן לחיינו יכול להיות מוערך מעוקלים של מתח הניתנים על ידי ספקים חומרים.

עייפות תרמית

מחזורי חימום חוזרים וקירור גורמים לעייפות בממשקי שכבה.מספר המחזורים לכשל פוחת באופן אקספוננציאלי עם טווח טמפרטורה גדל.

  • להימנע משינוי תרמי חד - עיצוב לטמפרטורה הדרגתית.
  • השתמש בחומר עם ארכה גבוהה בהפסקה (למשל, PPSU > 50%) כדי להתאים את הזן.
  • שילוב תכונות זנים-relief כגון פעמונים או flexures שבו רכיבה תרמית מרוכזת.

בדיקות ואימות

לפני פריסת חלק FDM בטמפרטורה גבוהה, לאמת את הביצועים שלה עם הבדיקות הבאות:

  • (FLT:0) המדידהFLT:1 - השוו את ה-HDT של הדגימה המודפסת (ASTM D648, שיטה A) לגליון הנתונים החומרי. A טיפות משמעותיות מצביעות על קשר בין-שכבות עניות או ייבוש.
  • מבחן אופניים קדמוני (FLT:0) Thermal רכיבה על אופניים (FLT:1) - מעגל את החלק בין מינימום לטמפרטורה מקסימלית של שירות עבור 50-100 מחזורים; לבדוק סדקים, החלמה או צלצול.
  • מבחן FLT:0Creep תחת עומס FLT:1 - החל עומס נציג בטמפרטורת השירות ומדד לחץ על פני 24 שעות.הקצב המצטיף צריך לדרג בתוך השעות הראשונות; אם הוא מאיץ, העיצוב אינו בטוח.
  • (FLT:0) יציבות משמעותית (FLT:1) - למדוד ממדים קריטיים לפני ואחרי חשיפה תרמית.שינויים ממדיים גדולים מ 0.5% עשויים לדרוש התאמות עיצוב או חומרים חלופיים.

(ב) להפחתה עמוקה יותר של ה-FDM, בטמפרטורה, מתייחסים ל-FLT:0 (FLT:0) למחקר של FDM על טעינה תרמית של חלקי FDM:2uaFLT 3: 3.

דוגמה: High-Temperature dut for Aerospace

שקול את הדלנק שמסתובב 150 מעלות אוויר ממנוע מדמם לבקרות סביבתיות.הדוכס הוא 300 מ"מ ארוך, 50 מ"מ קוטר, וחייב לעמוד בלחץ פנימי של 2 בר.חומר: תכונות עיצוב: PEEK.

  • עובי קיר 2.5 מ"מ כדי להתמודד עם לחץ ומצמר.
  • « « « ⁇ עם 3 מ"מ רדיוי בכל הפינות.
  • אוריינטציה הדפסה: ציר דוקט perpendicular לשכבות (סעיף צלבי צ'רי מודפס בצדו) כדי למקסם את כוח ההופ.
  • ב-200 מעלות צלזיוס במשך 3 שעות, נבדק עד 160 מעלות צלזיוס בשעה 3 בר למשך שעה ללא כישלון.
  • Clearance for mating רכיבים להגדיר 0.2 מ"מ כדי לאפשר הרחבה תרמית (α=50 μm / m ° C).

חלקים אלה החליפו את מדד אלומיניום, וחסכו 60% משקל תוך עמידה בדרישות הביצוע.

מסקנה

תכנון חלקי FDM לסביבות עתירה גבוהה דורש גישה רב תחומית המשלבת מדע חומרי, עיצוב מכני, ניהול תהליך ייצור תוספת, והנדסת אימות. על ידי בחירת פולימר המתאים (PEEK, PPSU, Ultem, או גרסאות מחזקות), גיאומטריה עבור התרחבות תרמית וריכוז, שליטה פרמטרים כדי למקסם את האגרה הבין-שכבת, וליישם מהנדסים מתאימים, יכול לייצר רכיבים אמינים בתחום הרכב.

התחום ממשיך להתפתח: סדקים מורכבים חדשים עם סיבים קרמיקה ומערכות אנמנלינג באינטרנט מבטיח אפילו גבולות תרמיים גבוהים יותר.מהנדסים צריכים להישאר נוכחיים עם FLT:0.10.10.10.3 חומרים ייצוריים חומרים ייצוריים מצופים:203FLT 3 והמשך תהליכי התכנון שלהם המבוססים על בדיקות אמפיריות.