Pružiny, ohybové klouby a poddajné mechanismy z SLS 3D tisku

Co jsou poddajné mechanismy

Místo dvou částí otáčejících se kolem čepu využívá poddajný mechanismus tenkou, flexibilní část, která se ohýbá. Typické příklady:

• Ploché a hadovité pružiny, které tlačí díl zpět do původní polohy.
• Konzolové pružiny, jako jsou západky, zarážky a odpružená tlačítka.
• Ohybové panty, které umožňují jedné části otočit se o několik stupňů vůči druhé.
• Paralelní ohybová vedení, která pohybují dílem v přímce bez klouzání.
• Jednodílné uchopovače a svorky, které se při stlačení zavřou.
• Bistabilní mechanismy, které přeskakují mezi dvěma stabilními polohami.

Výhody jsou v každém případě stejné: jeden díl místo sestavy, žádná vůle, žádné tření nebo opotřebení ve spojích, žádné mazání a nic, co by se mohlo ztratit. Daní za to je omezený rozsah pohybu a nutnost pečlivě sledovat deformaci v zóně ohybu.

Proč je SLS PA 12 vhodný pro ohybové prvky

Pro PA 2200, tedy PA 12, který tiskneme, uvádí EOS modul pružnosti v tahu 1 650 MPa, pevnost v tahu 48 MPa a tažnost při přetržení 18 % v rovině vrstvy. Tato kombinace mírné tuhosti a dobré tažnosti je přesně to, co ohybový prvek potřebuje: znatelně se ohne, aniž by praskl. Protože SLS nepotřebuje žádné podpůrné struktury, tenké ohybové prvky, vnořené pružiny a uzavřené rámy se vytisknou přesně podle návrhu. Napříč vrstvami uvádí EOS tažnost pouze 4 % a pevnost 42 MPa, takže na směru ohybu záleží stejně jako na tvaru. Podívejte se, jak pevný je SLS nylon.

Odhad deformace v ohýbaném nosníku

Většina ohybových prvků a pružin se chová jako nosník, který se ohýbá. Pro rovný konzolový nosník s konstantním obdélníkovým průřezem je klasický odhad deformace u kořene:

přetvoření ε = 1,5 × t × y ÷ L²

• t = tloušťka nosníku ve směru ohybu
• y = průhyb na konci
• L = volná délka nosníku

Deformace roste s tloušťkou a průhybem a klesá s druhou mocninou délky. Delší nosník je nejefektivnější způsob, jak získat větší zdvih s menší deformací. Udržujte vypočítanou deformaci hluboko pod 18 %, které EOS uvádí pro rovinu vrstvy, a ještě nižší pro díly, které se ohýbají mnohokrát; tažnost při přetržení je bod, kdy se zkušební tyčinka zlomí, nikoli návrhová hodnota. Stejné pravidlo je vysvětleno pro svorky v článku zacvakávací spoje z SLS PA 12.

Odhad tuhosti

Pro stejný konzolový nosník je tuhost pružiny na konci přibližně:

k = E × b × t³ ÷ (4 × L³)

kde b je šířka nosníku a E je modul pružnosti. S E = 1 650 MPa poskytuje nosník široký 10 mm, tlustý 1,5 mm a dlouhý 30 mm přibližně 0,5 N na milimetr průhybu. Třetí mocnina tloušťky a délky dominuje: o 10 % větší tloušťka udělá pružinu asi o třetinu tužší, o 10 % větší délka ji udělá asi o čtvrtinu měkčí. Berte výsledek jako výchozí bod. Skutečná tuhost slinutého dílu závisí na směru vrstev, povrchu stěny a přesné tloušťce po povrchové úpravě, proto první díly změřte a návrh upravte.

Chcete-li, aby byl ohybový prvek tužší bez větší deformace, udělejte jej širší. Chcete-li získat větší zdvih, udělejte jej delší nebo jej složte do hadovitého tvaru.

Pravidla návrhu pro SLS ohybové prvky a pružiny

• Ohýbejte v rovině vrstvy. Směr ohybu a délka nosníku by měly ležet v rovině vrstvy. V kalkulátoru si můžete vybrat rovinu vrstvy pro každý díl (XY, XZ nebo YZ) nebo to nechat na nás.
• Zaoblete konce. Zaoblení v místech, kde se ohybový prvek setkává s tuhým tělesem, rozkládá napětí; ostrý roh je místem, kde začínají praskliny.
• Dávejte přednost listovým ohybovým prvkům před vrubovými panty. Krátký vrub koncentruje veškerý ohyb do nepatrné zóny. Delší, rovnoměrný list jej rozloží a vydrží déle.
• Nedělejte je příliš tenké. Kalkulátor varuje při tloušťce pod 0,8 mm a tenké prvky se mohou zlomit během odstraňování prášku a tryskání. Získejte flexibilitu délkou, nikoli tenkostí.
• Přidejte dorazy. Žebro, které omezuje zdvih, chrání ohybový prvek před nadměrným natažením.
• Udržujte mezery otevřené. Mezi pohyblivými a pevnými částmi ponechte alespoň 0,5 mm, aby bylo možné odstranit prášek a nic se nespeklo; viz panty a sestavy tištěné vcelku.
• Zkontrolujte toleranci. Tloušťka se mění v rámci našich návrhových pokynů ±0,3 % (nejméně ±0,3 mm) a tuhost se řídí třetí mocninou tloušťky, takže tenký ohybový prvek se více liší v tuhosti než ve velikosti.

Limity plastových pružin

• Tečení a relaxace. Při trvalém zatížení nebo průhybu plasty pomalu povolují a stlačená pružina časem ztrácí část své síly. V teplých podmínkách k tomu dochází rychleji; EOS uvádí pro PA 2200 při stálém namáhání rozsah -40 až +80 °C. Poddajné mechanismy, které se pohybují a vracejí do klidu, fungují lépe než pružiny, které zůstávají předepjaté.
• Únava. Počet cyklů, které ohybový prvek přežije, závisí na jeho deformaci, povrchu a směru. U mechanismů, které se pohybují mnohokrát, udržujte deformaci nízkou a testujte.
• Přesnost síly. Tištěná pružina není kalibrovaná pružina. Tam, kde musí být síla přesná nebo konstantní po celá léta, použijte kovovou pružinu a navrhněte tištěný díl tak, aby ji držel.
• Živé panty. Tenký pant, který se ohýbá o velký úhel, je zvláštní případ s vlastními pravidly; viz živé panty z SLS nylonu.

Otestujte, než provedete commit

Tuhost a životnost je snazší otestovat než přesně vypočítat. Vytiskněte si vzorek se třemi až pěti ohyby různých tlouštěk nebo délek, změřte sílu při známém průhybu a ohýbejte je tak často, jak se bude ohýbat skutečný díl. Malé vzorky stojí málo a kalkulátor zobrazí cenu hned, jakmile nahrajete soubor. Obecná pravidla pro navrhování najdete v pokynech pro navrhování SLS.

Povrchová úprava a barva

Každý díl je otryskán skleněnými kuličkami a vyleštěn v zařízení DyeMansion Powershot DUAL. Podle společnosti DyeMansion tento proces zhutňuje povrch bez úběru materiálu, takže navržená tloušťka zůstává zachována. Barvení do jedné z 61 barev je volitelné; černá a oranžová jsou skladem, zbylých 59 barev prodlužuje dodací lhůtu přibližně o jeden měsíc (20 pracovních dnů).

Potřebujete pomoci s návrhem poddajného mechanismu pro váš produkt? Inženýři z prototype.builders se mohou postarat o návrh a testování.

Časté dotazy

Lze 3D tiskem vyrobit funkční pružinu?

Ano. Ploché pružiny, vlnovcové pružiny, konzolové pružiny a ohybové prvky fungují v SLS PA 12 dobře, pokud namáhání v zóně ohybu zůstává hluboko pod hodnotou tažnosti při přetržení. Jsou vhodné pro malé síly a mírný počet cyklů; pro velké síly nebo přesné, dlouhodobě stálé charakteristiky pružení je lepší kovová pružina.

Co je to poddajný mechanismus?

Mechanismus, který získává svůj pohyb z elastického ohybu pružných částí namísto z kloubů, čepů nebo ložisek. Vyrábí se z jednoho kusu, nemá žádnou vůli ani tření v kloubech a nevyžaduje žádnou montáž.

Jaký směr vrstev je nejlepší pro ohybové prvky?

Ohybová část by se měla ohýbat v rovině vrstvy. Pro materiál PA 2200 uvádí společnost EOS tažnost při přetržení 18 % v rovině vrstvy a 4 % napříč vrstvami. V kalkulátoru si můžete vybrat rovinu vrstvy pro každý díl.

Ztrácejí 3D tištěné plastové pružiny časem svou sílu?

Při trvalém zatížení nebo průhybu plasty tečou a relaxují, a to tím více, čím jsou teplejší. Pružina z materiálu PA 12, která je dlouhodobě stlačená, může ztratit část své síly. Navrhujte je pro přerušované zatížení, nebo použijte kovovou pružinu tam, kde musí síla zůstat konstantní.

Jak tenký může být ohybový prvek při tisku SLS?

Kalkulátor upozorňuje na stěny tenčí než 0.8 mm a velmi tenké prvky jsou křehké během odstraňování prášku a tryskání. Navrhujte ohybové prvky spíše delší než tenčí, a pokud záleží na tuhosti, vytiskněte si zkušební vzorek s několika tloušťkami.