مواد چاپ سه‌بعدی مقاوم در برابر حرارت: یک راهنمای جامع

چاپ سه بعدی آزادی طراحی باورنکردنی را ارائه می دهد ، اما مواد استاندارد مانند PLA اغلب در محیط های خواستار و درجه حرارت بالا شکست می خورند. برای قطعات عملکردی در کاربردهای خودرو ، هوافضا یا صنعتی ، مقاومت در برابر گرما یک خاصیت مهم است. انتخاب مواد مناسب نیاز به درک عملکرد حرارتی ، خصوصیات مکانیکی و سازگاری با فناوری های چاپی خاص دارد.

این راهنما یک مرور کلی از مواد چاپ سه بعدی مقاوم در برابر حرارت را ارائه می دهد. ما متریک کلیدی برای ارزیابی عملکرد حرارتی ، تجزیه بهترین گزینه ها برای پلاستیک و فلزات را کشف خواهیم کرد و یک چارچوب روشن برای انتخاب مواد ایده آل برای پروژه خود ارائه خواهیم داد.

درک دمای انحراف گرما (HDT)

مهمترین متریک برای ارزیابی عملکرد حرارتی یک ماده آن استدمای انحراف گرما (HDT)بشر HDT نقطه ذوب مواد نیست. در عوض ، دما را تعریف می کند که یک ماده در یک بار خاص شروع به تغییر شکل می کند.

این اندازه گیری عملی بسیار مهم است زیرا شبیه سازی می کند که چگونه بخشی در یک کاربرد در دنیای واقعی رفتار می کند که در آن باید یکپارچگی ساختاری خود را در حالی که در معرض گرما و استرس مکانیکی قرار دارد ، حفظ کند. HDT بالا نشان می دهد که یک جزء شکل خود را حفظ کرده و با اطمینان در یک محیط گرم عمل می کند. هنگام انتخاب یک ماده ، HDT آن اولین مشخصات بررسی است.

پلاستیک های مقاوم در برابر حرارت برای چاپ سه بعدی

دنیای پلیمرهای چاپ سه بعدی طیف گسترده ای از مقاومت در برابر گرما را ارائه می دهد ، از رشته های سطح ورودی گرفته تا ترموپلاستیک با کارایی بالا. این مواد به طور معمول با استفاده از فن آوری های FDM ، SLA یا SLS پردازش می شوند.

رشته های FDM: از ابتدایی تا با کارایی بالا

مدل سازی رسوب ذوب شده (FDM) یک فناوری محبوب با طیف وسیعی از گزینه های رشته مقاوم در برابر گرما است.

• ABS (آکریلونیتریل بوتادین استایرن):ABS یک ماده مقاوم در برابر گرما است. با داشتن HDT در حدود 98 درجه سانتیگراد ، پیشرفت متوسطی نسبت به PLA و PETG ارائه می دهد. این یک انتخاب مقرون به صرفه برای نمونه های اولیه یا مؤلفه هایی است که گرمای متوسط ​​را تجربه می کنند.

• نایلون (پلی آمید یا PA):نایلون به دلیل چقرمگی ، دوام و مقاومت شیمیایی خوب شناخته شده است. مقاومت در برابر حرارت آن براساس درجه متفاوت است. نایلون استاندارد دارای HDT در حدود 60-80 درجه سانتیگراد است ، اما انواع پر از شیشه یا پر از فیبر کربن می توانند این مقدار را به خوبی بالاتر از 150 درجه سانتیگراد فشار دهند و تعادل عالی عملکرد مکانیکی و پایداری حرارتی را ارائه می دهند.

• PEEK (پلی اتر کتون):Peek استاندارد طلا برای پلیمرهای چاپ سه بعدی با کارایی بالا است. این ماده ترکیبی استثنایی از خواص را ارائه می دهد: HDT بالا (حداکثر 260 درجه سانتیگراد) ، استحکام مکانیکی برجسته و مقاومت شیمیایی برتر. با این حال ، مزایای آن با هزینه ای حاصل می شود. Peek گران است و برای پردازش صحیح به چاپگرهای سه بعدی درجه حرارت بالا نیاز دارد.

• PEI (پلی اتریمید):PEI که معمولاً با نام تجاری آن Ultem شناخته می شود ، یکی دیگر از ترموپلاستیک های سطح بالا است. دارای HDT بالایی در حدود 200 درجه سانتیگراد ، استحکام عالی و عقب ماندگی ذاتی شعله (رتبه بندی FST) است و آن را به عنوان انتخاب برتر برای هوافضا و کاربردهای خودرو تبدیل می کند. مانند Peek ، چاپ PEI چالش برانگیز است و به تجهیزات درجه صنعتی نیاز دارد.

• PSU/PPSU (polysulfone/polyphenylsulfone):این مواد HDT بالا ، مقاومت در برابر هیدرولیز عالی را فراهم می کنند و می توانند در برابر چرخه های استریلیزاسیون مکرر (به عنوان مثال ، اتوکلاو بخار) مقاومت کنند و آنها را برای کاربردهای پزشکی و مواد غذایی مناسب جلوه دهند.

رزین های SLA: دقت در دماهای بالا

استریولیتوگرافی (SLA) به دلیل تولید قطعات با جزئیات بالا و سطوح صاف شناخته شده است. در حالی که رزین های استاندارد از مقاومت در برابر حرارت کم برخوردار هستند ، فرمولاسیون تخصصی می تواند در برابر درجه حرارت قابل توجهی مقاومت کند.

• رزین های درجه حرارت بالا:این فتوپلیمرهای مهندسی شده به طور خاص برای عملکرد حرارتی طراحی شده اند. آنها می توانند به HDT بیش از 250 درجه سانتیگراد دست یابند ، و آنها را برای برنامه های کاربردی مانند درج قالب تزریق ، جیگ ها و وسایل مقاوم در برابر گرما و مدل هایی برای هوای گرم یا آزمایش جریان سیال مناسب می کند. مبادله اصلی این است که این رزین ها اغلب نسبت به سایر پلاستیک های مهندسی شکننده تر هستند و با قیمت حق بیمه آمده اند.

پودرهای SLS: متعادل کردن عملکرد و هزینه

لیزر انتخابی (SLS) قطعات قوی و کاربردی را از یک بستر پودر پلیمری می سازد. این فناوری گزینه های قوی را برای برنامه های مقاوم در برابر گرما ارائه می دهد.

• پودرهای نایلونی (PA11 ، PA12):پودرهای نایلون استاندارد کارگاههای SLS هستند. با ایجاد مواد کامپوزیت - اضافه کردن الیاف شیشه ای یا الیاف کربن به پودر نایلون - مأمورین به طور قابل توجهی عملکرد حرارتی را افزایش می دهند. یک نایلون پر از شیشه می تواند HDT را از حدود 95 درجه سانتیگراد به بیش از 170 درجه سانتیگراد افزایش دهد و قطعاتی را ایجاد کند که هم قوی و هم از نظر حرارتی پایدار باشند.

• پودر Peek:برای بیشترین برنامه های SLS ، Peek به صورت پودر نیز موجود است. این خصوصیات حرارتی ، مکانیکی و شیمیایی نخبه ای را به عنوان همتای رشته خود ارائه می دهد و باعث می شود که در محیط های سخت صنعتی برای قطعات استفاده نهایی مناسب باشد.

فلزات مقاوم در برابر حرارت برای تولید افزودنی

هنگامی که نیازهای دمای یک برنامه از قابلیت های هر پلیمر فراتر رود ، چاپ سه بعدی فلزی راه حل است. فن آوری هایی مانند ذوب لیزر انتخابی (SLM) و پودرهای فلزی مستقیم لیزر فلزی (DMLs) برای ایجاد قطعات کاملاً متراکم و با استحکام.

فولاد ضد زنگ

فولاد ضد زنگ یک انتخاب همه کاره و مقرون به صرفه برای چاپ سه بعدی فلزی است. این ترکیب خوب از استحکام ، مقاومت در برابر خوردگی و عملکرد درجه حرارت بالا را ارائه می دهد که قادر به کار در دمای تا 870 درجه سانتیگراد است. این ماده به طور گسترده ای برای ابزارهای صنعتی ، منیفولدها و قطعات استفاده نهایی با دوام استفاده می شود.

الومینیوم

آلیاژهای آلومینیوم برای چگالی کم و هدایت حرارتی عالی آنها جایزه می گیرند. در حالی که نقطه ذوب آنها پایین تر از فولاد است ، آنها برای بسیاری از کاربردهای درجه حرارت بالا مناسب هستند که در آن وزن یک عامل مهم است ، مانند صنایع خودرو و هوافضا برای تولید براکت های سبک ، محفظه ها و مبدلهای حرارتی.

تیتانیوم

تیتانیوم نسبت استثنایی به وزن و یک نقطه ذوب بسیار بالا (بیش از 1600 درجه سانتیگراد) را ارائه می دهد. زیست سازگاری و مقاومت در برابر خوردگی آن ، آن را به یک ماده ایده آل برای ایمپلنت های پزشکی تبدیل می کند ، در حالی که خصوصیات عملکرد آن ، آن را برای اجزای هوافضا پر استرس ضروری می کند.

Superalloys مستقر در نیکل

برای شدیدترین محیط های دما ، Superalloys مبتنی بر نیکل (مانند Inconel) انتخاب نهایی هستند. این مواد برای حفظ مقاومت مکانیکی خود در دمای نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد مهندسی شده اند. این امر آنها را برای اجزای موجود در موتورهای جت ، توربین های گازی و سایر برنامه های کاربردی که مواد به محدوده مطلق آنها منتقل می شوند ، ضروری می کند.

نحوه انتخاب مواد مقاوم در برابر حرارت مناسب

انتخاب بهترین مواد شامل تجزیه و تحلیل دقیق نیازهای خاص برنامه شما است. هیچ گزینه "بهترین" واحد وجود ندارد - فقط مناسب مناسب برای کار. این عوامل کلیدی را در نظر بگیرید:

• 1. دمای کار:حداکثر دمای مداوم یا متناوب که بخشی از آن تجربه خواهد کرد چیست؟ این بلافاصله گزینه های مواد قابل دوام را باریک می کند.

• 2. بار مکانیکی:آیا این قسمت تحت فشار ، تنش ، تنش یا لرزش خواهد بود؟ HDT یک ماده در اینجا بسیار مهم است ، زیرا عملکرد زیر بار را تعریف می کند.

• 3. محیط شیمیایی:آیا این قسمت در معرض روغنها ، سوخت ها ، حلال ها یا سایر عوامل خورنده قرار خواهد گرفت؟ موادی مانند PEEK ، PEI و فولاد ضد زنگ مقاومت شیمیایی برتر را ارائه می دهند.

• 4. هزینه و بودجه:پلیمرها و فلزات با کارایی بالا به طور قابل توجهی گران تر از مواد استاندارد هستند. عملکرد مورد نیاز را با بودجه پروژه متعادل کنید.

• 5. فناوری موجود:موادی که انتخاب می کنید باید با فناوری چاپ سه بعدی که به آن دسترسی دارید سازگار باشد. به عنوان مثال ، چاپ Peek یا PEI در یک چاپگر استاندارد FDM دسک تاپ امکان پذیر نیست.

نتیجه گیری: تطبیق مواد با کاربرد

زمینه چاپ سه بعدی یک ابزار قدرتمند از مواد مقاوم در برابر حرارت برای مقابله با چالش های مهندسی خواستار است. از ABS مقرون به صرفه و نایلون پر از شیشه گرفته تا مجریان نخبه مانند Peek و Nickel Superalloys ، تقریباً برای هر برنامه با درجه حرارت بالا یک راه حل وجود دارد.

نکته اصلی موفقیت نه در یافتن یک ماده کامل کامل ، بلکه در ارزیابی روشهای تجاری بین عملکرد حرارتی ، استحکام مکانیکی ، مقاومت شیمیایی و هزینه است. مهندسان با تطبیق دقیق خواص مواد با نیازهای برنامه ، می توانند پتانسیل کامل تولید افزودنی را برای ایجاد قطعات نوآورانه ، قابل اعتماد و با کارایی بالا باز کنند.