De intrinsieke oorzaken van anisotropie bij 3D-printen
Anisotropie verwijst naar het verschijnsel dat materialen in verschillende richtingen verschillende mechanische eigenschappen hebben; dit is een inherente eigenschap van vrijwel alle 3D-printprocessen. Bij het FDM-proces bedraagt de sterkte van de hechting tussen lagen doorgaans slechts 30-70% van de sterkte binnen een laag, omdat de hechting tussen lagen afhankelijk is van warmtediffusie en diffusie van polymeerketens, en niet van het samensmelten van het materiaal zelf. Bij poederbedfusieprocessen is de treksterkte in de Z-richting doorgaans lager dan in de X/Y-richting, omdat de materiaalverbinding in de Z-richting het resultaat is van laag-voor-laag opnieuw smelten, met een warmte-beïnvloede zone en potentiële niet-gesmolten defecten. De oorsprong van anisotropie kan worden teruggebracht tot drie hoofdfactoren: de proceskenmerken van laag-voor-laag fabricage leiden tot zwakkere hechting tussen de lagen dan binnen de laag; de oriëntatie van het vulpatroon zorgt ervoor dat het materiaal in bepaalde richtingen een hogere vezelcontinuïteit heeft; de richting van de thermische gradiënt veroorzaakt dat de microstructuur in verschillende richtingen een andere korreloriëntatie en poriënverdeling vertoont.
Vergelijking van anisotrope kenmerken van verschillende processen
De anisotropie van het FDM-proces is het meest uitgesproken; de treksterkte in de Z-richting is doorgaans 30-50% lager dan in de X/Y-richting. Belangrijke procesparameters die de mate van anisotropie beïnvloeden zijn onder meer laagdikte, extrusietemperatuur, vuldichtheid en patroon. De anisotropie van lichtuithardingsprocessen komt voornamelijk voort uit de richtingsafhankelijkheid van uithardingskrimp; de maatnauwkeurigheid in de Z-richting is doorgaans lager dan in de X/Y-richting. Op mechanisch vlak is de anisotropie van SLA-onderdelen echter relatief zwak, omdat de hechting tussen de lagen van fotogevoelige materialen tot stand komt via een fotochemische reactie en de hechtingssterkte dicht bij die van het basismateriaal ligt. Metalen poederbedfusieprocessen vertonen complexe anisotrope kenmerken: de trekprestaties in de X/Y-richting zijn doorgaans beter dan in de Z-richting, maar het verschil kan kleiner zijn dan bij FDM. De anisotropie van vermoeiingsprestaties is nog uitgesprokener, omdat de zone tussen de lagen vaak het startpunt van vermoeiingsscheuren is.
Strategieën om anisotropie te benutten in structureel ontwerp
Anisotropie is niet altijd een ontwerpfout; op basis van een juiste interpretatie kan het worden omgezet in een ontwerpvoordeel. De kernstrategie is om de richting met hoge sterkte uit te lijnen met de richting van de hoofdbelasting. In de ontwerpfase van een onderdeel wordt via eindige-elementenanalyse de richting van de hoofdspanning bepaald, waarna de printoriëntatie of het vulpatroon wordt aangepast zodat de richting met hoge materiaalsterkte samenvalt met de richting van de hoofdspanning. Voor onderdelen die buigbelasting dragen, moet de printoriëntatie zo worden ingesteld dat de hechtvlakken tussen de lagen loodrecht staan op het vlak met de maximale schuifspanning, om delaminatie tussen de lagen te voorkomen. Voor onderdelen die trekbelasting dragen, moet de hoofdbelastingsrichting zoveel mogelijk in het X/Y-vlak liggen. Voor onderdelen met complexe meervoudige belasting kan door lokaal het vulpatroon aan te passen in verschillende zones een verschillende richtingsafhankelijke sterkte worden gerealiseerd.
Regulering van anisotropie via vulstrategieën
Het vulpatroon en de vuldichtheid zijn belangrijke middelen om de anisotropie van FDM-onderdelen te beïnvloeden. Gangbare vulpatronen zijn onder meer rechthoekig, driehoekig, zeshoekig, concentrisch en de Hilbert-curve. Rechthoekige vulling vertoont de sterkste anisotropie, omdat de vuldraden voornamelijk langs de X/Y-richting zijn gerangschikt; zeshoekige vulling heeft relatief weinig anisotropie, omdat de krachtsoverdracht gelijkmatiger verloopt. Voor onderdelen die hoge sterkte in de Z-richting vereisen, kan een afwisselende vulstrategie worden toegepast: de vulhoek van elke laag wordt 90 graden gedraaid, zodat de vuldraden in de Z-richting een kruisvormig netwerk vormen. Het verhogen van de vuldichtheid kan ook de invloed van anisotropie verminderen, maar dit vergroot de printtijd en het materiaalverbruik.
Methoden voor detectie en karakterisering van anisotropie
Om de anisotropie van 3D-geprinte onderdelen nauwkeurig te karakteriseren, is systematisch mechanisch testen nodig. Standaard trektests moeten volgens ASTM- of ISO-normen worden uitgevoerd, waarbij monsters afzonderlijk uit de X-, Y- en Z-richting worden genomen. Naast treksterkte moeten ook verschillen in elasticiteitsmodulus, rek bij breuk en Poissongetal in de gaten worden gehouden. Voor onderdelen die dynamische belasting ondergaan, is het testen van de anisotropie van vermoeiingseigenschappen bijzonder belangrijk. Microscopische analysemethoden kunnen helpen de oorzaak van anisotropie te begrijpen. Een optische microscoop kan de kwaliteit van de laagverbinding en de poriënverdeling observeren; een scanning-elektronenmicroscoop kan het breukvlak morfologisch analyseren; röntgen-computertomografie kan de interne poriën en anisotrope defecten in het onderdeel niet-destructief detecteren. Deze karakteriseringsresultaten bieden een directe fysische basis voor ontwerpoptimalisatie.
Ontwerpgids: een anisotropiebewust ontwerpproces
Door een ontwerpproces op te zetten dat anisotropie expliciet meeneemt, kan de richtingsafhankelijke sterkte van 3D-printen systematisch worden benut. Het aanbevolen ontwerpproces omvat de volgende stappen: eerst functieanalyse en belastingherkenning uitvoeren om de kritieke belastingsrichtingen en belastingstypen van het onderdeel vast te stellen; daarna een geschikt printproces en materiaal kiezen en de eigenschappen van dat materiaal in alle richtingen raadplegen
Dien een model, tekening, afbeelding of schriftelijke notities in. Ingenieurs beoordelen materiaal, proces, afwerking en levering op basis van daadwerkelijk gebruik.