Ha valaha is dolgozott 3D nyomtatással, tudja, hogy még a legprecízebb digitális tervezés is apró bordákkal, rétegvonalakkal és tökéletlenségekkel teli alkatrészré válhat, amikor leválik a nyomtatóról. 3D-nyomtatási modellalkatrész-beszállítóként, aki több száz ügyféllel dolgozott együtt – a robotikai csapatoktól az orvosi eszközök tervezőiig – éveket töltöttem a sima felületekkel kapcsolatos problémák elhárításával, és hadd mondjam el: ez nem csak a nyomtatóbeállítások gyorsításáról szól. A hibátlan, sima felület eléréséhez intelligens előkészítés, a megfelelő anyagok és az alkatrész céljára szabott utófeldolgozás keveréke szükséges. Akár fémet, műanyagot vagy egyedi alkatrészeket nyomtat, vannak következetes, tudományosan alátámasztott lépések, amelyek egy durva prototípust olyan alkatrészré alakítanak, amely úgy néz ki és úgy működik, mint egy késztermék.
Először is kezdjük az alapozással: a megfelelő nyomtatási eljárás és anyagok kiválasztásával. Sok kezdő ugrik be az FDM nyomtatókba, mert megfizethetőek, de az FDM rétegenkénti extrudálása eleve hajlamos észrevehető bordák kialakulására, különösen ívelt felületeken. Éppen ezért azt javaslom ügyfeleinknek, hogy igényeik szerint nézzenek meg olyan eljárásokat, mint az SLA (sztereolitográfia) vagy az SLS (szelektív lézeres szinterezés) a simább alapfelületek érdekében. A fém alkatrészekhez SLA 3D nyomtatási szolgáltatásunk alumíniumot és rozsdamentes acélt használ, amelyek az UV-keményítés vagy a lézeres olvasztás pontosságának köszönhetően sokkal kevesebb kezdeti rétegvonallal készülnek, mint az FDM. Ha műanyag alkatrészekre van szüksége, a 3D nyomtatáshoz használt műanyag alkatrészsorunkat úgy alakítottuk ki, hogy minimálisra csökkentse a felületi egyenetlenségeket közvetlenül a nyomtatási ágyon, sima, egyenletes rétegekkel, amelyek kevesebb munkát igényelnek a nyomtatás után. Az orvosi alkatrészeknél SLA 3D nyomtatást alkalmazunk a szigorú biokompatibilitási szabványoknak megfelelő orvosi alkatrészeknél, és a sima gyantafelület már ideális olyan alkalmazásokhoz, amelyeknek bőrrel vagy belső környezettel kell érintkezniük. Még az egyedi funkcionális alkatrészek esetében is a nylon SLS 3D nyomtatási alkatrészek természetesen sima felülettel rendelkeznek az FDM-hez képest, és sok esetben nincs szükség rétegvonal-tisztításra. Az alkatrész anyagának és funkciójának megfelelő eljárás kiválasztása az első nem megtárgyalható lépés – ennek kihagyása sokkal nehezebbé és kevésbé hatékonyvá teszi az utófeldolgozást.
Ezután a nyomtató és a beállítások pontos kalibrálása kulcsfontosságú a felületi tökéletlenségek csökkentésében a forrásnál. Sokan figyelmen kívül hagyják, hogy az apró, mindennapi kalibrálási problémák milyen durva felületeket eredményeznek. Bontsuk ezt le: először a fúvóka és az ágykiegyenlítés. Az FDM esetében a fúvóka, amely túl közel van az ágyhoz, túl sok izzószálat szorít össze, ami kidudorodáshoz és egyenetlen rétegekhez vezet, míg a túl távoli fúvóka hézagokat okoz a rétegek között, amelyek vonalként jelennek meg. Az SLA nyomtatóknál a gyantaréteg magassága kritikus beállítás – a vékonyabb rétegek (például 0,02 mm a 0,1 mm helyett) kisebb lépéseket jelentenek a rétegek között, így a bordák szabad szemmel szinte láthatatlanok. De van egy fogás: a vékonyabb rétegek megnövelik a nyomtatási időt, így egyensúlyba kell hozni a sebességet a befejezéssel. Egy másik gyakran figyelmen kívül hagyott beállítás a nyomtatási sebesség. A túl gyors nyomtatás azt jelenti, hogy az extrudernek vagy a lézernek nincs elég ideje az anyag egyenletes felhordására vagy kikeményítésére, ami hézagokat, foltokat és durva foltokat eredményez. SLA esetén a legtöbb alkatrészhez 20-30 mm/s sebességet ajánlunk; SLS esetén a 15-25 mm/s egyenletes, sima rétegeket biztosít. A hőmérséklet is szerepet játszik – az FDM esetében a túl hideg fúvóka miatt a filament nem olvad meg megfelelően, ami csomós rétegeket eredményez, míg a gyanta SLA esetében a túl meleg gyanta egyenetlenül kötődhet, ami ragadós vagy érdes felületeket eredményezhet. Mindig azt mondom az új ügyfeleknek, hogy először nyomtassanak le egy kis kalibrációs kockanyomtatást – mérjék meg a méreteit, és ellenőrizzék a felületet, hogy nincsenek-e vonalak –, hogy módosítsák ezeket a beállításokat az utolsó rész nyomtatása előtt. Ez plusz 30 percnyi munkát jelent, de a későbbiekben több órányi utófeldolgozást takarít meg.
Miután az alkatrészt kinyomtatták, az utófeldolgozási fázisban az érdes felületet valóban sima felületté alakítja, és ez a lépés attól függően változik, hogy milyen anyagot használt. Kezdjük az üzletünkben használt leggyakoribb folyamatokkal:
Az SLA műgyanta alkatrészek esetében az első lépés a mosás és a kikeményítés. Nyomtatás után el kell távolítani a felesleges kikeményedett gyantát – ehhez izopropil-alkoholt (IPA) használunk, és egy kétrészes mosást végzünk: először 10 perces áztatást, majd 5 perces öblítést friss IPA-val, hogy minden laza gyantát eltávolítsunk. Ha ezt kihagyja, a maradék gyanta egyenetlenül köt ki, ragacsos, érdes felületet hagyva maga után. Mosás után az alkatrész egy UV térhálósító kamrába kerül. Fontos a megfelelő kötési idő – túl kevés, és az alkatrész puha és karcolódásra hajlamos, túl sok, és törékennyé válhat, vagy matt, poros felületet kaphat. 10 perces kikeményítést alkalmazunk 405 nm-en, ami kemény, stabil alapot ad, amely készen áll a simításra. Az SLS-alkatrészek esetében az első lépés a por eltávolítása – a felületre tapadt felesleges nylonpor eltávolítása. Légfúvás és médiával való dagasztás kombinációját használjuk a laza púder eltávolítására, majd finom vákuumot használunk a résekbe való bejutáshoz. A nylon SLS alkatrészek felülete enyhén porózus lehet, ha nincs megfelelően pormentesítve, ezért ez a lépés kritikus a simítás előtt.
A fém alkatrészek esetében az SLA fém 3D nyomtatási szolgáltatásunkon történő nyomtatást követően az első lépés a tartószerkezet eltávolítása – a fém támasztékokat az alkatrészhez olvasztottuk, így precíziós megmunkálás és csiszolás kombinációját alkalmazzuk, hogy karcolás nélkül távolítsuk el őket. Ezután hőkezelést végzünk, hogy enyhítsük a belső feszültségeket, amelyek az alkatrész meghajlását és egyenetlen felületek kialakulását okozhatják. Ha ez megtörtént, a simítási lépések intenzívebbé válnak: a szemcseszórás (finom üveggyöngyök használata a felület egyenletes maratására, a kis rétegvonalak eltávolítása) majd a finomszemcsés csiszolás, majd a csiszolókoronggal és keverékkel végzett polírozás kombinációja. Azoknál az orvosi alkatrészeknél, amelyeknek szupersima, nem porózus felületre van szükségük, kémiai polírozást is végzünk, amely enyhe savas oldattal megolvasztja a fém legfelső rétegét, kitöltve az apró réseket, és tükörszerű felületet hagyva maga után.
Aztán vannak speciális simítási technikák azokhoz az alkatrészekhez, amelyeknek jól kell kinézniük és jól kell működniük. Az olyan egyedi alkatrészek esetében, mint a humanoid és ügyes robotokhoz készült egyedi robotkezes házunk, a felületnek elég simának kell lennie ahhoz, hogy elkapás nélkül mozogjon, de tisztának kell lennie a vásárlói prezentációkhoz. Ezeknél kihagyjuk az agresszívabb csiszolást és gyöngyszórást, és gőzsimítást alkalmazunk. A gőzsimítás úgy működik, hogy a műanyag részt (például ABS-t vagy ASA-t, a robotházaknál megszokott) egy oldószergőz hatásának teszik ki, amely megolvasztja a műanyag felső rétegét, kitöltve az összes rétegvonalat és apró tökéletlenségeket. Az eredmény egy tökéletesen sima, fényes felület – nincs szükség csiszolásra. A kulcs itt az expozíciós idő szabályozása: túl hosszú, és az alkatrész meghajolhat, túl rövid, és nem simít megfelelően. Zárt kamrát használunk, amely lehetővé teszi a hőmérséklet és a gőzkoncentráció monitorozását, így minden alkatrész egyenletes eredményt kap. Azoknál az alkatrészeknél, amelyeknek mattnak kell lenniük, nem pedig fényesnek, beállíthatjuk a gőzölési időt, vagy a gőzsimítás után egy gyöngyfúvás lépést alkalmazhatunk, hogy puha, egyenletes textúrát hozzunk létre, amely még mindig sima tapintású.
Egy másik tényező, amelyet sokan nem vesznek figyelembe, a tartószerkezet kialakítása. A támasztékok a túlnyúlások és a bonyolult geometriák megtartásához szükségesek a nyomtatás során, de ha rosszul vannak elhelyezve vagy túl sok anyaggal tervezték őket, akkor eltávolításkor nyomokat hagynak az alkatrész felületén. Például egy nagy alátámasztás egy ívelt felületen nagy bemélyedést hagy maga után, amelyet órákig kell csiszolnia. Ezért üzletünkben tervezőink szorosan együttműködnek a megrendelőkkel, hogy a támasztékokat csak ott helyezzék el, ahol szükség van rá, és olyan letörhető támasztékokat használnak (anyagtól függően oldhatóak helyett), amelyek minimális nyomot hagynak. A 45 foknál meredekebb túlnyúlásokhoz vékony, ritkás támasztékokat tervezünk, amelyek egy precíziós fogóval könnyen eltávolíthatók, szinte nyom nélkül. Az olyan kényes alkatrészekhez, mint a kis zsanérok vagy lyukak, egyedi támasztóállványokat használunk, amelyek megvédik a funkciót a nyomtatás közbeni sérülésektől, így nem kell lecsiszolnia a törött éleket.
A minőségellenőrzés az utolsó lépés, amely biztosítja, hogy a sima felület sima maradjon, még az alkatrész használata után is. Sok ügyfél úgy gondolja, hogy a simítás egyszeri lépés, de a használatnak kitett részeken (például a dörzsölődő robotházakon vagy a fertőtlenített egészségügyi alkatrészeken) idővel apró karcolások keletkezhetnek. Minden alkatrészt tesztelünk a felületi tartósság szempontjából: a robotalkatrészeknél dörzsölési tesztet végzünk puha ruhával, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a felület nem karcolódik könnyen; Az orvosi alkatrészek esetében teszteljük a szokásos fertőtlenítőszerekkel szembeni ellenálló képességet, hogy megbizonyosodjunk arról, hogy a sima felület nem lesz lyukas. Üzletünkben felületi profilométert is használunk az egyes részek érdességi értékének (Ra) mérésére – a sima részek szabványa Ra < 1,6 mikrométer, ami annyira sima, hogy alig érezni a rétegvonalakat, és sokkal simább, mint a legtöbb kész 3D nyomtatott alkatrész.
Az évek során láttam, hogy az ügyfelek mindenféle ok miatt küszködnek a felület simaságával: rossz anyagot választanak, kihagyják a kalibrálást, vagy levágják a sarkokat az utófeldolgozás során. A jó hír az, hogy a megfelelő megközelítéssel mindez javítható. Akár egyedi robot kézi házat nyomtat robottechnikai csapatának, műanyag alkatrészt fogyasztói termékhez vagy fém alkatrészt orvosi eszközhöz, kezdve a megfelelő folyamattal (például 3D nyomtatás fémrész SLA rozsdamentes acél szolgáltatásunk vagy SLA 3D nyomtatás orvosi alkatrészekhez), a nyomtató megfelelő kalibrálásával és a célzott sima utófeldolgozással elérheti, hogy hibátlan felületre van szüksége.
Ha készen áll arra, hogy túllépjen a durva 3D-nyomtatott prototípusokon, és egyedi alkatrészeket kapjon a projektje által igényelt zökkenőmentes kivitelezéssel, csapatunk készen áll a segítségére. Iparágakban dolgozunk ügyfeleinkkel, a kis startupoktól a nagy gyártó cégekig, hogy olyan alkatrészeket szállítsunk, amelyek megfelelnek mind a funkcionális, mind az esztétikai követelményeknek. Forduljon csapatunkhoz, hogy megbeszéljük projektjét, legyen szó egyszerű műanyag alkatrészről, összetett fém alkatrészről vagy egy roboteszköz egyedi házáról. Minden lépésen végigvezetjük Önt, a tervezéstől az utófeldolgozásig, hogy biztosan megkapja a szükséges sima, kiváló minőségű alkatrészeket.
Hivatkozások
- Gibson, I., Rosen, DW és Stucker, B. (2015). Additív gyártási technológiák: 3D nyomtatás, gyors prototípuskészítés és közvetlen digitális gyártás. Springer.
- Campo, E. (2020). A 3D nyomtatási felületkezelés tudománya. 3D Nyomdaipar.
- Kalpakjian, S. és Schmid, SR (2019). Mérnöki anyagok gyártási folyamatai. Pearson.
- Griffith, ML és mtsai. (2014). Felületkezelés az additív gyártásban: áttekintés. Journal of Manufacturing Science and Engineering.
