Awaria uchwytu, osłony, prowadnicy czy elementu mocującego często wymaga szybkiej decyzji. Samo odtworzenie geometrii nie wystarczy, jeśli detal ma wrócić do pracy w maszynie. Wybór tworzywa dla części decyduje o tym, czy wydruk będzie funkcjonalnym komponentem, czy jedynie modelem sprawdzającym kształt. Materiał trzeba rozpatrywać razem z obciążeniami, temperaturą, środowiskiem pracy i sposobem wykonania.
W druku FDM nie istnieje jedno „najmocniejsze” tworzywo, dobre dla każdego zastosowania. Materiał odporny na temperaturę może być trudniejszy w druku, a tworzywo o dużej sztywności nie zawsze dobrze znosi uderzenia. W praktyce właściwy dobór zaczyna się od funkcji części, nie od listy dostępnych filamentów.
Wybór tworzywa dla części zaczyna się od warunków pracy
Pierwsze pytanie powinno brzmieć: co dokładnie ma robić detal? Inne wymagania ma osłona czujnika, inne koło prowadzące przewód, a jeszcze inne uchwyt pracujący pod stałym obciążeniem. Część może przenosić siłę rozciągającą, ściskającą, zginającą albo udarową. Niekiedy jej głównym zadaniem jest zachowanie stabilnego wymiaru, a nie wysoka wytrzymałość.
Warto określić, czy obciążenie jest jednorazowe, cykliczne czy stałe. Element, który działa poprawnie podczas krótkiej próby, może odkształcić się po kilku tygodniach pod ciągłym naciskiem. To zjawisko pełzania ma szczególne znaczenie w uchwytach, zaciskach, wspornikach i adapterach montowanych na stałe.
Równie istotna jest temperatura. Detal zamontowany w pobliżu grzałki, silnika, formy, przewodu gorącego powietrza lub w zamkniętej obudowie maszyny może pracować w warunkach, których standardowe tworzywo nie wytrzyma. Trzeba brać pod uwagę nie tylko temperaturę maksymalną, lecz także czas ekspozycji oraz liczbę cykli nagrzewania i chłodzenia.
Środowisko pracy bywa czynnikiem pomijanym na etapie zapytania. Kontakt z olejem, smarem, chłodziwem, detergentem, promieniowaniem UV lub wilgocią może zmienić właściwości materiału. Część do zastosowania wewnątrz hali nie musi mieć takiej samej odporności jak element na zewnątrz, w myjni przemysłowej albo przy stanowisku obróbczym.
Co oznaczają właściwości materiału w praktyce
Parametry z karty materiałowej są użyteczne, ale nie powinny być odczytywane w oderwaniu od konstrukcji detalu. Wysoka wytrzymałość na rozciąganie nie gwarantuje odporności na pęknięcie w cienkim narożu. Duża sztywność może oznaczać małą zdolność do przejęcia uderzenia. Dlatego przy doborze analizuje się cały zestaw właściwości.
Sztywność jest kluczowa dla elementów ustalających pozycję, obudów, uchwytów i części, które nie mogą się uginać. Odporność udarowa ma większe znaczenie w osłonach, zatrzaskach oraz detalach narażonych na przypadkowe uderzenia. Gdy część współpracuje z innym elementem i występuje tarcie, trzeba uwzględnić odporność na ścieranie oraz współczynnik tarcia. W przypadku elementów tłumiących drgania, uszczelek, stopek i elastycznych osłon priorytetem będzie sprężystość.
Liczy się również dokładność wymiarowa. Tworzywa różnią się skurczem i skłonnością do odkształceń podczas chłodzenia. Jeżeli detal ma współpracować z wałkiem, łożyskiem, gwintem lub istniejącym korpusem, model CAD należy przygotować z uwzględnieniem tolerancji montażowych. W razie odtwarzania elementu bez dokumentacji punktem wyjścia mogą być pomiary i skanowanie 3D, ale końcowa geometria powinna uwzględniać zachowanie wybranego materiału podczas druku.
Kierunek druku jest częścią decyzji materiałowej
Części FDM nie są jednorodne we wszystkich kierunkach. Wytrzymałość między warstwami jest zwykle niższa niż w płaszczyźnie pojedynczej warstwy. Ten fakt może przesądzić o powodzeniu projektu bardziej niż zmiana filamentu na materiał o lepszych parametrach katalogowych.
Przykładowo wspornik obciążony prostopadle do warstw może rozwarstwić się przy niewielkiej sile. Ten sam model, odpowiednio obrócony i wyposażony w żebra wzmacniające, może pracować poprawnie bez zwiększania masy detalu. Dobór tworzywa, orientacji wydruku, liczby obrysów i stopnia wypełnienia należy prowadzić jako jedno zadanie konstrukcyjne.
Najczęściej stosowane tworzywa FDM i ich zastosowanie
W profesjonalnym druku 3D FDM materiał wybiera się pod konkretną funkcję części. Poniższe grupy dobrze pokazują różnice między popularnymi rozwiązaniami:
- PLA sprawdza się w modelach wizualnych, przyrządach pomocniczych i prototypach, które nie pracują w podwyższonej temperaturze. Jest sztywne i pozwala uzyskać dobrą jakość powierzchni, lecz nie jest pierwszym wyborem dla detali obciążonych mechanicznie lub pozostających w nagrzanej maszynie.
- PETG jest uniwersalnym materiałem do wielu elementów użytkowych. Łączy dobrą odporność mechaniczną z większą tolerancją na uderzenia niż PLA i sprawdza się w osłonach, uchwytach czy obudowach. Należy jednak ocenić jego zachowanie przy stałym obciążeniu i wysokiej temperaturze.
- ABS stosuje się tam, gdzie potrzebna jest wyższa odporność cieplna i udarowa. Materiał wymaga kontrolowanych warunków druku, ponieważ ma większą skłonność do skurczu i odkształceń. Dobrze zaprojektowany detal z ABS może być funkcjonalnym komponentem przemysłowym.
- ASA ma właściwości zbliżone do ABS, ale lepiej znosi promieniowanie UV i warunki zewnętrzne. Jest rozsądnym wyborem dla obudów, osłon i elementów montowanych poza halą.
- PA, czyli poliamid, wyróżnia się wysoką odpornością na zużycie, udary i zmęczenie materiału. Stosuje się go w częściach pracujących mechanicznie, prowadnicach, elementach ruchomych oraz zastosowaniach wymagających większej trwałości. Należy pamiętać o jego wrażliwości na wilgoć i o wymaganiach procesowych podczas druku.
- TPU jest tworzywem elastycznym, przeznaczonym do elementów amortyzujących, osłon elastycznych, odbojów czy uchwytów poprawiających chwyt. Nie zastępuje materiału konstrukcyjnego tam, gdzie wymagana jest stabilność kształtu.
Materiał „techniczny” nie zawsze jest właściwą odpowiedzią. Jeżeli część ma służyć jako jednorazowy sprawdzian montażu, koszt i czas potrzebny na druk z poliamidu mogą być nieuzasadnione. Z kolei do elementu krytycznego dla ciągłości produkcji nie należy wybierać tworzywa wyłącznie dlatego, że jest łatwe i szybkie w druku.
Konstrukcja może ograniczyć wymagania wobec materiału
W wielu przypadkach problemu nie rozwiązuje zmiana tworzywa, lecz korekta geometrii. Zbyt ostre przejście przekrojów, cienka ścianka przy otworze montażowym albo długi wspornik bez żebra tworzą miejsca koncentracji naprężeń. Nawet dobry materiał pęknie, jeśli siła jest wprowadzana w niekorzystny sposób.
Zaokrąglenia, żebra, pogrubienie stref mocowania i właściwe rozmieszczenie otworów potrafią wyraźnie zwiększyć trwałość części. Czasem lepszym rozwiązaniem będzie zastosowanie wkładek gwintowanych, metalowego trzpienia albo zmiana połączenia śrubowego. Druk 3D nie wymaga kopiowania ograniczeń typowych dla obróbki skrawaniem – warto wykorzystać tę swobodę już na etapie modelowania CAD.
Jeżeli odtwarzany detal pochodzi z maszyny, oryginalna konstrukcja także nie musi być wzorem idealnym. Część mogła ulec uszkodzeniu właśnie przez zbyt słabe żebro, niewłaściwe podparcie lub materiał niedopasowany do realnej eksploatacji. Inżynieria odwrotna pozwala odtworzyć funkcję i wprowadzić uzasadnione modyfikacje, zamiast powielać wadę.
Jak przygotować dane do szybkiego doboru materiału
Dobry opis zastosowania przyspiesza wycenę i zmniejsza ryzyko nietrafionej decyzji. Nie trzeba znać wszystkich parametrów materiałowych. Wystarczy przekazać, gdzie część pracuje, jakie siły przenosi, z czym ma kontakt oraz czy jest elementem prototypowym, pomocniczym czy docelowym.
Przydatne są zdjęcia miejsca montażu, wymiary współpracujących elementów oraz informacja o przyczynie uszkodzenia poprzedniej części. Gdy detal jest niedostępny w sprzedaży lub nie ma do niego rysunku, można rozpocząć od pomiaru albo skanowania 3D obiektu. Pozwala to przygotować model CAD, zweryfikować geometrię i dopasować technologię wykonania do rzeczywistych warunków montażu.
W 3D STEP proces można uporządkować w czterech etapach: analiza zapytania i warunków pracy, pomiar lub skanowanie części, przygotowanie bądź korekta modelu CAD, a następnie wydruk oraz kontrola dopasowania. Taki sposób pracy jest szczególnie użyteczny przy dużych maszynach, których nie trzeba transportować do wykonawcy tylko po to, aby pobrać wymiary elementu.
Najlepszym punktem startu nie jest pytanie „z czego można to wydrukować?”, lecz „jak ta część ma pracować przez kolejne miesiące?”. Odpowiedź pozwala dobrać tworzywo, geometrię i parametry druku tak, aby gotowy detal faktycznie ograniczał przestój, a nie tworzył kolejne zadanie dla utrzymania ruchu.