Приборная доска, лакированнaя под дерево

Области применения финишной обработки

Скрепление, сварка и обработка напечатанных деталей

Для изготовления прототипов, почти неотличимых от изделий, созданных методом литья под давлением, сложных инструментов и прочных индивидуальных устройств, приятных на вид и в использовании, выполняйте простую финишную обработку деталей, созданных методом трехмерной печати.

Соединение и склеивание

Обзор

Создавайте модели, размеры которых превышают размеры камеры печати 3D-принтера, или объединяйте напечатанные на 3D-принтере детали с другими компонентами.

Соединение FDM-деталей

Для слишком больших для одного прогона деталей, для более быстрых построений с меньшим расходом материалов или для частей с мелкими деталями соединение и склеивание деталей методом послойного наложения расплавленной полимерной нити (Fused Deposition Modeling — FDM) является замечательным решением. Существует много методов и множество материалов для соединения деталей методом послойного наложения расплавленной полимерной нити.

Основные факторы, которые следует учитывать при выборе метода соединения, – это прочность соединения и совместимость с каждым материалом FDM. Что касается данных о прочности, компания Stratasys провела лабораторные исследования в Техасском университете Эль-Пасо для измерения прочности на разрыв. Кроме того, учитывались другие критерии, включая время, затраты, сложность операций, конфигурацию детали и общую производительность. Однако точность соединенных частей зависит от многих факторов. Например, клеящие свойства, такие как вязкость, влияют на точность. Навыки технического специалиста, стиль соединения и тип узла также имеют огромное значение.

В целях оказания помощи в выборе метода соединения, наиболее подходящего для ваших нужд, ниже приводится краткая оценка распространенных методов соединения деталей, выполненных из различных FDM-материалов.

Клеящее вещество (эпоксидный клей)

Для соединения FDM-деталей, как правило, используется эпоксидный клей в два слоя. Компоненты эпоксидного клея смешиваются и наносятся распылителями, кистями или с помощью пропитки. Вязкость варьируется от тонкой консистенции, похожей на герметик, до толстой консистенции, похожей на мастику, поэтому способы применения также будут различаться. После применения соединенные секции фиксируются или сжимаются, пока не высохнет эпоксидный клей.

Продолжительность высыхания различных эпоксидных клеев зависит от свойств материалов и прочности склейки. Однако в целом они просты в использовании. Они обеспечивают очень хорошую механическую прочность и, как правило, демонстрируют отличную устойчивость к воздействию тепла и химических веществ. Время, требующееся для реализации действия этих веществ, составляет от 20 до 70 минут, поэтому после состыковки секций может проводиться их небольшая коррекция. Однако за это приходится расплачиваться длительным временем высыхания. Высыхание при комнатной температуре не дает обрабатывать детали в течение многих часов, а циклы затвердевания составляют от одного до пяти дней. При затвердевании под нагревом цикл может быть значительно ускорен.

Клеящее вещество (цианоакрилат)

Цианоакрилат часто называют суперклеем. Это очень быстро сохнущее клеящее вещество, которое может использоваться для быстрого, простого ремонта и быстрого склеивания. Суперклей просто наносится на склеиваемые поверхности, после чего секции соединяются. Склеивание происходит за несколько минут. Прочность на разрыв FDM-деталей на суперклее выше, чем прочность на разрыв клеящих веществ на основе эпоксидного клея. Однако его стойкость к температуре, химическим веществам и растворителям очень низкая. Поэтому склеивание деталей с использованием суперклея может отрицательно сказаться на эффективности использования FDM-деталей. Таким образом использование суперклея рекомендуется ограничить концептуальными моделями и прототипами и не распространять на функциональные прототипы или производственные детали.

Растворитель

Склеивание на основе растворителя основано на химической плавке пластика соединяемых поверхностей. Растворитель может наноситься на секции, которые затем прижимаются друг к другу, или он может впрыскиваться в уже сочлененный узел или в трещину или зазор. Растворитель на водной основе впитывается в поверхность детали, что усиливает прочность ремонта и склейки. Можно использовать несколько растворителей, однако рекомендуемым продуктом является SAME STUFF от компании Micro–Mark. Этот метод обеспечивает склеивание, прочность которого превышает прочность многих клеящих веществ. Как и при использовании суперклея, процесс является простым, а склеивание происходит в считанные секунды. Другая схожая черта заключается в том, что растворитель можно наносить на труднодоступные участки, так как он впитывается в шов или трещину.

Преимущество при сравнении его с суперклеем и эпоксидным клеем заключается в том, что после испарения соединенная деталь содержит только FDM-материал. Хотя склеивание осуществляется за считанные секунды, деталям нужно дать затвердеть в течение не менее восьми часов. Кроме того, обратите внимание, что если деталь подвергается температурному воздействию выше 80 C (176 F), может произойти вспучивание поверхности. Сварка растворителем неприменима при использовании материалов PPSF или ULTEM 9085. Эти FDM-материалы являются химоустойчивыми, поэтому их реакция на растворители очень слаба.

Сварка пластика горячим воздухом

Сварка пластика горячим воздухом очень схожа с ацетилено-кислородной сваркой металла. Однако при этом струя горячего воздуха замещает струю пламени, а волокно FDM-материала заменяет собой присадочный пруток. При склеивании деталей инструмент сварки горячим воздухом медленно ведется вдоль места соединения. Тепло плавит волокно, которое заполняет шов. Этот метод обеспечивает склеивание, прочность которого превышает прочность всех остальных методов. Он отличается быстротой и дешевизной.

Детали можно использовать по их назначению, как только они остынут. Так как материалом склеивания является небольшой участок FDM-пластика, затраты незначительны. Другим преимуществом использования FDM-материала в качестве связующего вещества является однородность материала. Соединение имеет те же свойства, что и основная деталь. Для достижения наилучших результатов сварку горячим воздухом не следует применять в местах с тонкими стенками. Кроме того, этот процесс требует некоторых навыков, поэтому результаты зависят от опыта и мастерства технического специалиста.

Ультразвуковая точечная сварка

Этот метод широко используется в производственных процессах при создании постоянного сцепления между пластиковыми деталями. Инструмент для ультразвуковой точечной сварки использует звуковые волны для плавки отдельных областей соединяемых деталей. При наличии ручных аппаратов для ультразвуковой сварки этот метод можно также использовать для производства прототипов небольших объемов или в прямом цифровом производстве. По сравнению с другими методами соединения деталей данный метод характеризуется небольшим количеством недостатков, а то и их полным отсутствием (если не считать таковым необходимость приобретения инструмента для ультразвуковой сварки). Области сварки получаются более прочными по сравнению с окружающим их материалом, однако прочность на разрыв не такая высокая, если сравнивать со сваркой горячим воздухом или отсоединенными деталями. Облучатель и наконечник облучателя в ультразвуковом сварочном аппарате, как правило, взаимозаменяемы. Доступны разнообразные облучатели и сварочные наконечники, которые определяют толщину свариваемого материала, диаметр шва, а также тип создаваемого шва.

Так как на соединение не наносится дополнительный материал, точность детали и ее свойства практически не меняются. Это делает ультразвуковую сварку идеальной для использования в медицинских целях, где следует учитывать качество детали, а также приемлемость использования при контакте с тканями человеческого организма.

При необходимости обеспечения более высокой прочности ультразвуковую сварку можно использовать в сочетании с другими методами. Можно прихватить отдельные детали сваркой для фиксации их положения, а затем нанести клеящие вещества, растворители или другие адгезивы. Этот подход оказывается особенно полезным для громоздких или неудобных в исполнении узлов. Ультразвуковая сварка является быстрым и очень дешевым методом. После завершения сварки деталь можно незамедлительно использовать по ее назначению. И поскольку расходные материалы отсутствуют, единственными затратами являются только прямые затраты труда.

Механические соединители

Хотя этот подход представляет собой метод соединения, а не склеивания, он может стать эффективной альтернативой. Для соединения FDM-деталей существует большое количество методов механического соединения и доступного для этого оборудования. Одним уникальным подходом механического соединения секций является вставка крепежной основы в FDM-деталь во время ее производства. При выходе из машины Fortus механические соединители встраиваются в деталь.

Свидетельство клиента

“Мы должны стремиться стать владельцем и водителем экологически чистой, энергоэффективной машины”, – сказал Джим Кор, президент и старший конструктор инженерной группы KOR EcoLogic из города Виннипег. Его страсть к защите окружающей среды привела к реализации принципов экологической рациональности в новой модели машины с кодовым названием Urbee, которая создавалась с использованием производственных возможностей Statasys. Двухместная машина Urbee, название которой является аббревиатурой фразы "городская электрическая машина с этанолом в качестве резервного топлива" была спроектирована для максимального снижения энергозатрат. Пробег машины составляет более 200 миль на галлон по трассе и 100 миль на галлон в городе. И уже создан первый прототип машины, кузов которой впервые напечатан методом аддитивного производства.

При оценке возможностей Кор понял, что создание панелей кузова прототипа с использованием волокнистонаполненных полимеров или стекловолокна приведет к созданию полномасштабного крепления для каждой панели кузова: сначала необходимо будет создать прочную раму из древесины или МДФ, а затем покрыть ее плотной пеной с последующим приданием нужных форм вручную. Альтернативой могло бы стать использование фрезерного станка CNC для создания более точной по характеристикам поверхности.

“Создание кузова из стекловолокна заняло бы длительное время,”, – признается Кор. “Нам нужно было бы иметь дело с черной заготовкой или возможностью извлечения детали из формы для литья с последующей обработкой.”

После того, как один из промышленных дизайнеров KOR порекомендовал Джиму компанию Stratasys, его команда поняла, что нашла решение. Переговоры с представителями Stratasys позволили Кору понять, что все внешние компоненты можно сделать и соединить вместе с помощью 3D-принтеров Dimension и трехмерных производственных систем Fortus посредством цифрового производства RedEye on Demand (быстрое создание прототипа на объекте и использование услуг прямого цифрового производства в Stratasys).

Кор и его коллеги преобразовали отсканированную компьютерную модель машины в девять логических панелей кузова. Затем создали модель 1/6, чтобы проверить точность подгонки отдельных деталей. Это вселило в группу уверенность, что панели больших размеров состыкуются без особых проблем.

Вместе с компанией Stratasys группа выбрала в качестве основного материала АБС и начала создание машины. Несколько основных панелей кузова были созданы в компании Kor уже через несколько недель после начала работ. Сначала были созданы полномасштабные двери и боковые панели. “Это были большие панели”, – сказал Кор. “Детали идеально совместились друг с другом.” Оставшиеся панели кузова были построены и склеены Stratasys.

“Stratasys может построить щиток и поместить пластик именно там, где он нужен, – сказал Кор. – Это настолько технологично, что практически невероятно. Такой подход идет на пользу окружающей среде, снижает затраты и не приносит в жертву безопасность. Нам просто не нужно расходовать материал там, где он попросту не нужен. Технология FDM упростила и сделала весьма эффективным корректировку конструкции Urbee на всех этапах создания, – заявил Кор. – Она также помогла нам выполнить поставленные экологические задачи, устранив использование специальных инструментов, машинной и ручной работы. Если можно выпустить прототип без использования специальных инструментов, все преимущества у вас”.

Кор был поражен скоростью производства по технологии FDM. “Производство деталей корпуса в считанные дни или недели – это очень быстро”, – сказал Кор. “При использовании других методов требуются месяцы.”

Джим Кор о соединении FDM-деталей машины Urbee

“Полномасштабный корпус машины был выполнен из АБС-пластика для функционального тестирования модели Urbee. Некоторые из этих деталей были слишком большими, чтобы их можно было воспроизвести в виде цельного изделия, поэтому они были разбиты на секции для построения в устройстве Fortus 900mc. После создания деталей компоненты секций были соединены вместе. Мы задействовали метод сварки горячим воздухом. Секции были скреплены вместе с использованием соединений "ласточкин хвост", скоб и зажимов. Затем секции были прихвачены сваркой. После этого внешние сочленения и внутренние ребра жесткости были соединены с использованием метода сварки горячим воздухом. Внутренние неструктурные ребра жесткости были соединены с помощью растворителя — ProWeld. Для улучшения внешнего вида и функционального тестирования швы на внешней поверхности были заполированы”.

Склеивание деталей PolyJet

Возможности накладного формования Objet значительно снизили потребность в формировании макетов в натуральную величину путем склеивания отформованных деталей. Однако в некоторых случаях склеивание необходимо для создания деталей, размеры которых превышают модельный лоток, а также при необходимости объединения деталей, напечатанных на 3D-принтере, с другими компонентами. К счастью, детали, напечатанные на 3D-принтере на основе фотополимеров PolyJet, могут быть быстро и без труда склеены вместе с помощью простого и дешевого бытового клея.

Конструкция более крупных моделей может быть разделена на несколько деталей для 3D-печати с использованием программного резака, что обеспечит точность последующего соединения напечатанных деталей. Детали можно соединять с помощью мгновенно схватывающегося клея. Можно также использовать клей, нуждающийся в активаторе, для контроля времени склеивания и обеспечения возможности коррекции положения склеиваемых деталей.

Предварительная печать частей для склеивания

При печати крупных частей можно разделить конструкцию на несколько деталей, а затем склеить их вместе для создания узла целиком. В этих целях можно использовать программное обеспечение CAD до завершения проектирования или с помощью программного обеспечения управления файлами STL после завершения CAD-проектирования. При склеивании деталей вместе важно учитывать следующие факторы:

  • поиск простого способа точного соединения деталей;
  • обеспечение размерных свойств склеиваемых частей в соответствии с CAD-проектированием.

Программный резак Magics обеспечивает простой, интуитивно понятный способ склеивания разных деталей для достижения поставленных выше целей. Программный резак Magics характеризуется несколькими вариантами использования. При использовании этого программного инструмента рекомендуется придерживаться приведенной ниже процедуры.

  1. Расположите деталь в соответствии с естественной системой координат детали (то есть вид спереди, вид сзади, вид слева и т. д.). Таким образом можно точно оценить, где следует проводить линию разреза на самой детали.
  2. Нарисуйте линию разреза. Рекомендуется начать за пределами детали и закончить точкой на другой стороне детали, создав тем самым прямую линию, пересекающую деталь.
  3. Можно выбрать разрез по треугольнику (подходит больше всего для склеенных деталей), по квадрату (для форм), сходный с разрезом ножовкой или пользовательский разрез. Можно также управлять размером и смещением типа разреза.
  4. Убедитесь, что вы добавили достаточное расстояние допуска между разрезаемыми деталями. Это оставит достаточно места для клея и обеспечит сохранение в итоговой детали всех необходимых размерных свойств. Обратите внимание, что значение допуска варьируется в зависимости от типа используемого клея. Рекомендованным значением по умолчанию является 0,1 мм. После выполнения разреза создаются два отдельных STL-файла, которые можно свободно напечатать в лотке.

Постобработка деталей для склеивания

Перед склеиванием деталей рекомендуется придерживаться приведенной ниже процедуры:

  1. После печати деталей очистите их водяной струей.
  2. После очистки деталей погрузите их в 2-процентный разбавленный водой раствор NaOH на 20 – 40 минут. Это приведет к удалению всех остатков вспомогательных материалов.
  3. Снова промойте детали водой
  4. Высушите детали на открытом воздухе или воспользуйтесь сжатым воздухом для ускорения сушки.

Рекомендуемые типы клея

Типы клея, которые чаще всего используются экспертами PolyJet, – это суперклеи (также известные как цианоакрилаты). По сути цианоакрилат является акриловой смолой, которая быстро полимеризуется в присутствии воды (а именно гидроксид-ионов). Как правило, ALTECO- ACE –D используется вместе с активатором для управления временем склеивания. Активатор в виде спрея можно использовать для отвердения остатков, оказавшихся на модели. После чего их можно зашлифовать, тем самым удаляя излишки клея с деталей.

Чтобы обеспечить мгновенное склеивание, необходимо нанести клей на нужную поверхность, а затем распылить присадку. Дополнительные сведения о клеях и присадках можно найти по следующим ссылкам:

Прочие типы клея

Жесткие детали

  • LOCTITE 401 – средняя вязкость
  • Permabond Ultra Fast 792 – очень быстрое время засыхания, общее применение
  • Al-fix – идет вместе с присадкой
  • Kleiberit 851.0 – имеется крышка с приспособлением для нанесения клея

Гибкие детали

  • Sico Met 8300 и высокоскоростная присадка в виде спрея — хорошо подходит для эластомеров
  • Permabond Black Magic 737 для гибких деталей

Stratasys Ltd. © 2015. All rights reserved. See stratasys.com/legal for trademark information.