Надруковані на 3D-принтері пружини, гнучкі елементи та піддатливі механізми з SLS PA 12

Що таке піддатливі механізми

Замість двох деталей, що обертаються навколо штифта, піддатливий механізм використовує тонку гнучку секцію, яка згинається. Типові приклади:

• Плоскі та змієподібні пружини, які повертають деталь у вихідне положення.
• Консольні пружини, такі як фіксатори, засувки та підпружинені кнопки.
• Гнучкі шарніри, які дозволяють одній деталі обертатися на кілька градусів відносно іншої.
• Паралельні гнучкі напрямні, які переміщують деталь по прямій лінії без ковзання.
• Цілісні захвати та затискачі, які закриваються при натисканні.
• Бістабільні механізми, які перемикаються між двома стабільними положеннями.

Переваги однакові в кожному випадку: одна деталь замість збірки, відсутність люфту, тертя чи зносу в з'єднаннях, відсутність змащення та нічого не загубиться. Ціною є обмежений діапазон руху та необхідність ретельного аналізу деформації в зоні вигину.

Чому SLS PA 12 підходить для гнучких елементів

Для PA 2200, матеріалу PA 12, яким ми друкуємо, EOS вказує модуль пружності при розтягуванні 1650 МПа, межу міцності при розтягуванні 48 МПа та подовження при розриві 18 % у площині шару. Таке поєднання помірної жорсткості та хорошого подовження — це те, що потрібно гнучкому елементу: він помітно згинається, не ламаючись. Оскільки SLS не потребує опорних структур, тонкі гнучкі елементи, вкладені пружини та закриті рами друкуються саме так, як спроєктовано. Поперек шарів EOS вказує лише 4 % подовження та 42 МПа, тому напрямок вигину має таке ж значення, як і форма. Дивіться, наскільки міцним є нейлон SLS.

Оцінка деформації в балці, що згинається

Більшість гнучких елементів і пружин поводяться як балка, що згинається. Для прямої консолі постійного прямокутного перерізу класична оцінка деформації в основі становить:

деформація ε = 1.5 × t × y ÷ L²

• t = товщина балки в напрямку вигину
• y = відхилення на кінці
• L = вільна довжина балки

Деформація зростає з товщиною та відхиленням і зменшується пропорційно квадрату довжини. Довша балка — найефективніший спосіб отримати більший хід з меншою деформацією. Тримайте розрахункову деформацію значно нижче 18 %, які EOS вказує для площини шару, і ще нижче для деталей, які згинаються багато разів; подовження при розриві — це точка, де ламається тестовий зразок, а не розрахункове значення. Те саме правило пояснюється для затискачів у засувних з'єднаннях з SLS PA 12.

Оцінка жорсткості

Для тієї ж консолі коефіцієнт жорсткості на кінці становить приблизно:

k = E × b × t³ ÷ (4 × L³)

де b — ширина балки, а E — модуль пружності. При E = 1650 МПа балка шириною 10 mm, товщиною 1,5 mm і довжиною 30 mm дає близько 0,5 Н на міліметр відхилення. Куб товщини та довжини домінує: на 10 % більша товщина робить пружину приблизно на третину жорсткішою, на 10 % більша довжина робить її приблизно на чверть м'якшою. Розглядайте результат як відправну точку. Реальна жорсткість спеченої деталі залежить від напрямку шару, поверхні стінки та точної товщини після обробки, тому виміряйте перші деталі та внесіть корективи.

Щоб зробити гнучкий елемент жорсткішим без збільшення деформації, зробіть його ширшим. Щоб отримати більший хід, зробіть його довшим або складіть у вигляді змійовика.

Правила проєктування гнучких елементів і пружин SLS

• Згинайте в площині шару. Напрямок вигину та довжина балки повинні лежати в площині шару. У калькуляторі ви можете вибрати площину шару для кожної деталі (XY, XZ або YZ) або дозволити нам вирішити.
• Скруглюйте кінці. Скруглення в місцях з'єднання гнучкого елемента з жорстким корпусом розподіляють напругу; гострий кут — це місце, де починаються тріщини.
• Віддавайте перевагу листовим гнучким елементам, а не шарнірам з вирізом. Короткий виріз концентрує весь вигин у крихітній зоні. Довший, рівномірний лист розподіляє його і служить довше.
• Не робіть занадто тонкими. Калькулятор попереджає при товщині менше 0,8 mm, а тонкі елементи можуть зламатися під час видалення порошку та дробоструминної обробки. Досягайте гнучкості за рахунок довжини, а не тонкості.
• Додайте обмежувачі. Ребро, що обмежує хід, захищає гнучкий елемент від надмірного розтягування.
• Залишайте зазори відкритими. Між рухомими та нерухомими секціями залишайте щонайменше 0,5 mm, щоб можна було видалити порошок і нічого не сплавилося; див. шарніри та збірки, що друкуються на місці.
• Перевірте допуск. Товщина варіюється в межах нашої рекомендації щодо проєктування ±0,3 % (щонайменше ±0,3 mm), а жорсткість залежить від куба товщини, тому тонкий гнучкий елемент більше змінюється за жорсткістю, ніж за розміром.

Обмеження пластикових пружин

• Повзучість і релаксація. Під постійним навантаженням або відхиленням пластики повільно піддаються, і пружина, що утримується в стиснутому стані, з часом втрачає частину своєї сили. Це відбувається швидше в теплих умовах; EOS вказує діапазон від -40 до +80 °C для PA 2200 під постійним навантаженням. Піддатливі механізми, які рухаються і повертаються в стан спокою, працюють краще, ніж пружини, які залишаються попередньо навантаженими.
• Втома. Кількість циклів, які витримує гнучкий елемент, залежить від його деформації, поверхні та напрямку. Для механізмів, які рухаються багато разів, підтримуйте низьку деформацію та тестуйте.
• Точність сили. Надрукована пружина не є відкаліброваною пружиною. Там, де сила має бути точною або постійною роками, використовуйте металеву пружину та спроєктуйте надруковану деталь так, щоб вона її утримувала.
• Живі шарніри. Тонкий шарнір, який згинається на великий кут, є особливим випадком зі своїми правилами; див. живі шарніри з нейлону SLS.

Тестуйте перед тим, як робити commit

Жорсткість і довговічність легше протестувати, ніж точно розрахувати. Надрукуйте зразок із трьома-п'ятьма гнучкими елементами різної товщини або довжини, виміряйте зусилля при відомому відхиленні та згинайте їх так само часто, як згинатиметься реальна деталь. Невеликі зразки коштують недорого, а калькулятор показує ціну відразу після завантаження файлу. Загальні правила проєктування дивіться у посібнику з проєктування для SLS.

Обробка та колір

Кожна деталь проходить дробоструминну обробку скляними кульками та полірується в DyeMansion Powershot DUAL. За даними DyeMansion, цей процес ущільнює поверхню без видалення матеріалу, тому задана товщина залишається незмінною. Фарбування в один із 61 кольорів є опціональним; чорний і помаранчевий є в наявності, інші 59 кольорів додають близько одного місяця (20 робочих днів) до часу доставки.

Потрібна допомога з проєктуванням піддатливого механізму для продукту? Інженери з prototype.builders можуть взяти на себе проєктування та тестування.

Поширені запитання

Чи можна надрукувати робочу пружину на 3D-принтері?

Так. Плоскі пружини, змієподібні пружини, консольні пружини та гнучкі елементи добре працюють із SLS PA 12, коли деформація в зоні вигину залишається значно нижчою за відносне видовження при розриві. Вони підходять для невеликих навантажень і помірної кількості циклів; для великих навантажень або точних, довговічних показників жорсткості краще використовувати металеву пружину.

Що таке піддатливий механізм?

Механізм, який отримує свій рух завдяки пружному вигину гнучких секцій, а не від шарнірів, штифтів або підшипників. Він виготовляється як єдина деталь, не має люфту чи тертя в з'єднаннях і не потребує збирання.

Який напрямок шарів найкращий для гнучких елементів?

Секція вигину повинна згинатися в площині шару. Для PA 2200 EOS вказує відносне видовження при розриві 18 % у площині шару та 4 % поперек шарів. У калькуляторі ви можете вибрати площину шару для кожної деталі.

Чи втрачають надруковані на 3D-принтері пластикові пружини силу з часом?

Під постійним навантаженням або відхиленням пластик повзе та розслабляється, особливо в теплі. Пружина з PA 12, яка довго утримується в стиснутому стані, може втратити частину своєї сили. Проєктуйте для періодичних навантажень або використовуйте металеву пружину там, де сила повинна залишатися постійною.

Наскільки тонким може бути гнучкий елемент у SLS?

Калькулятор попереджає про стінки, тонші за 0.8 mm, а дуже тонкі елементи є крихкими під час очищення від порошку та дробоструминної обробки. Робіть гнучкі елементи довшими, а не тоншими, і надрукуйте тестовий зразок із кількома варіантами товщини, якщо жорсткість має значення.