Конструкция склеивания разнородных материалов при 3D-печати: дизайн клейкой поверхности и руководство по выбору клея

Введение: проблемы и возможности проектирования разнородных комбинаций материалов

Современный дизайн продуктов все чаще склоняется к использованию нескольких комбинаций материалов, чтобы в полной мере раскрыть преимущества различных материалов в эксплуатационных характеристиках. Например, сочетание жестких конструктивных деталей и гибких уплотнений, сочетание металлического каркаса и пластиковой оболочки, сочетание проводящих материалов и изоляционных материалов и т. д. Технология 3D-печати обеспечивает беспрецедентную степень свободы для реализации конструкции соединения разнородных материалов. С его помощью можно создавать сложные комбинации материалов, которые трудно достичь при традиционном производстве посредством печати из нескольких материалов или послепечатной сборки. Однако различия в физических и химических свойствах разных материалов (таких как коэффициент теплового расширения, модуль упругости, поверхностная энергия) создают уникальные проблемы при проектировании склеивания.

Разрушение клея является одним из наиболее распространенных видов разрушения комбинаций разнородных материалов. Из-за несоответствия коэффициентов теплового расширения материалов изменения температуры могут вызвать напряжение сдвига на границе раздела соединений; из-за различий в модулях упругости на границе раздела при передаче нагрузки возникает концентрация напряжений; из-за различий в поверхностной энергии клей имеет разную смачиваемость двух материалов, что влияет на прочность соединения. Таким образом, конструкция соединения разнородных материалов требует систематического рассмотрения множества аспектов, таких как выбор материала, выбор клея, дизайн интерфейса и управление процессом, чтобы гарантировать надежность соединения. В этой статье мы углубимся в основные моменты проектирования соединения разнородных материалов в 3D-печати и предоставим инженерам практические рекомендации по проектированию.

Оценка совместимости материалов и принципы выбора

Основной проблемой при комбинировании разнородных материалов является совместимость материалов. Оценка совместимости должна проводиться по трем направлениям: физическая совместимость, химическая совместимость и совместимость процессов. Физическая совместимость ориентирована на соответствие коэффициента теплового расширения (CTE). Комбинации материалов со слишком большой разницей КТР (например, КТР алюминия = 23×10⁻⁶/K и пластика ПК CTE=65×10⁻⁶/K) при изменении температуры вызовут огромные термические напряжения, что приведет к нарушению соединения или деформации детали. Принцип проектирования заключается в том, чтобы выбирать материалы с одинаковым КТР, насколько это возможно, или компенсировать различия в КТР посредством структурного проектирования (например, гибких переходных зон).

Химическая совместимость оценивает, происходят ли химические реакции между материалами. Некоторые пластмассы (например, АБС, ПК) и определенные клеи (например, клеи, содержащие кетоновые растворители) могут набухать или трескаться под напряжением; металлы и кислотные клеи могут подвергнуться коррозии. Перед проектированием следует провести испытания на совместимость материалов, включая испытания на погружение, испытания на растрескивание под напряжением и т. д. Совместимость процессов направлена ​​на то, можно ли изготовить и соединить два материала с использованием одних и тех же или совместимых процессов. Например, PLA и ABS можно печатать с помощью FDM, но температуры печати разные, и необходимо разработать решения для сегментированной печати или последующей сборки.

Функциональная совместимость — еще один ключевой фактор при выборе материала. Комбинации разнородных материалов обычно предназначены для достижения функциональной взаимодополняемости, поэтому свойства материала должны соответствовать функциональным требованиям. Например, для деталей, которые должны быть проводящими, выбираются проводящие материалы (такие как медь, проводящая смола), для деталей, которые необходимо изолировать, выбираются конструкционные пластмассы; для износостойких поверхностей выбираются материалы высокой твердости (например, инструментальная сталь, керамика), а для деталей, требующих амортизации, выбираются эластомеры (например, ТПУ). При выборе материала следует также учитывать стоимость, доступность и воздействие на окружающую среду.С точки зрения функциональности приоритет следует отдавать продуманным, экономичным и экологически чистым сочетаниям материалов.

Выбор клея: от эпоксидной смолы до конструкционного клея

Клеи являются основным средством соединения разнородных материалов. Выбор подходящего клея требует всестороннего учета таких факторов, как тип склеиваемого материала, тип нагрузки, рабочая среда, технологические требования и стоимость. Эпоксидная смола является наиболее универсальным конструкционным клеем. Он обладает такими преимуществами, как высокая прочность, стойкость к химической коррозии и низкая усадка. Она подходит для различных комбинаций материалов, таких как металл-металл, металл-пластик, керамика-пластик и т. д. Двухкомпонентная эпоксидная смола может достигать разного времени отверждения и эксплуатационных характеристик за счет корректировки формулы и является основным выбором для промышленного применения.

Акриловый конструкционный клей (например, метакрилат) быстро отверждается (первоначальное затвердевание в течение нескольких минут), обладает хорошей адгезией к различным материалам (включая трудноадгезионные пластики, такие как полиэтилен и полипропилен) и подходит для быстрой сборки. Полиуретановый клей (ПУ) обладает превосходной гибкостью и ударопрочностью и подходит для склеивания эластичных и жестких материалов или соединений, которые должны выдерживать динамические нагрузки. Силиконовый клей обладает хорошей устойчивостью к высоким температурам и атмосферным воздействиям и подходит для применения на открытом воздухе или в условиях высоких температур. Однако его прочность невысока, и его обычно используют только для герметизации, а не для соединения конструкций. Цианоакрилат (мгновенный цианакрилат, 502) очень быстро затвердевает и подходит для временной фиксации небольших участков. Однако он очень хрупкий и имеет плохую влагостойкость, что делает его непригодным для применения в строительстве.

При выборе клея также необходимо учитывать технологичность. Двухкомпонентные клеи требуют точного дозирования и смешивания, а их использование занимает больше времени; однокомпонентные клеи (например, полиуретановые, отверждаемые влагой) более удобны в использовании, но требуют особых условий отверждения. Для массового производства следует учитывать метод нанесения клея (ручное нанесение, дозирующее устройство, распыление) и метод отверждения (отверждение при комнатной температуре, термическое отверждение, УФ-отверждение). Клей УФ-отверждения отверждается очень быстро (от нескольких секунд до десятков секунд) и подходит для автоматизированного производства, но для этого требуется, чтобы хотя бы один из приклеенных материалов был прозрачным. При выборе клея рекомендуется обратиться к техническому паспорту, предоставленному поставщиком, и провести фактическое испытание прочности сцепления для его проверки.

Дизайн клеевой поверхности: геометрия и обработка поверхности

Геометрический дизайн клеевой поверхности напрямую влияет на прочность склеивания. Основной принцип заключается в максимизации эффективной площади склеивания и предотвращении концентрации напряжений. Для соединений, подвергающихся растягивающим или сдвиговым нагрузкам, следует использовать поверхностное соединение, а не точечное или линейное соединение. Для тонких пластинчатых материалов можно использовать нахлесточные соединения для увеличения несущей способности за счет увеличения длины нахлеста. Однако чрезмерная длина перекрытия может привести к концентрации напряжений в конце соединения. Обычно рекомендуется, чтобы длина нахлеста была в 10-20 раз больше толщины склеиваемой поверхности. Для соединений, которые подвергаются нагрузкам на отслаивание, следует использовать конструкции с ребрами жесткости или вместо этого использовать механическое приспособление для соединения.

Обработка поверхности — ключевой шаг для улучшения прочности сцепления. На поверхности 3D-печатных деталей обычно присутствуют остатки разделительного состава, масляные пятна или слои с низкой поверхностной энергией, которые серьезно влияют на эффект склеивания. Механическая обработка (например, шлифовка, пескоструйная обработка) может увеличить шероховатость поверхности и удельную площадь поверхности, а также улучшить эффект механического заделки. Химическая обработка (например, плазменная обработка, обработка пламенем, травление) может изменить поверхность.Химический состав поверхности увеличивает поверхностную энергию и улучшает смачиваемость клея. Для трудносклеиваемых пластиков (таких как ПЭ, ПП, ПТФЭ) для эффективного склеивания требуется специальная технология обработки поверхности (например, коронный разряд, лазерная обработка). Склеивание следует проводить как можно скорее после обработки поверхности во избежание повторного загрязнения поверхности.

При проектировании геометрических особенностей склеиваемой поверхности следует также учитывать растекание и выхлоп клея. Спроектируйте отводные канавки или канавки для перелива клея, чтобы направлять поток клея и избегать удержания пузырьков. Для склеивания большой площади можно использовать точечный матричный рисунок клея (например, сетку, спираль), чтобы обеспечить прочность склеивания и облегчить выхлоп. Контроль разрыва связи также очень важен. Если зазор слишком велик, количество клея увеличится, и усадка при отверждении будет большой; если зазор слишком мал, клей будет трудно полностью заполнить. Обычно рекомендуется контролировать зазор в диапазоне 0,1–0,5 мм и использовать прокладки или позиционирующие штифты для обеспечения равномерных зазоров.

Уникальная стратегия 3D-печати

Технология 3D-печати предоставляет уникальные возможности для проектирования соединения разнородных материалов. 3D-печать из нескольких материалов (например, Stratasys PolyJet, 3D Systems MultiJet) позволяет изготавливать детали из нескольких комбинаций материалов за одну печать. С его помощью можно добиться постепенного перехода между материалами вместо внезапного перехода между материалами, что принципиально устраняет проблему концентрации напряжений на границе раздела. Хотя стоимость оборудования для печати на нескольких материалах относительно высока, для сложных функциональных деталей (таких как мягкие и твердые роботизированные захваты и структуры со встроенными датчиками) свобода проектирования намного больше, чем при традиционном производстве.

При 3D-печати одним материалом соединение разнородных материалов может быть достигнуто путем проектирования структуры закладной детали. Сделайте паузу в процессе печати, чтобы встроить кусок металла или другого материала, затем продолжите печать, чтобы обернуть деталь, создавая механическую взаимосвязанную структуру. Этот метод подходит для заделки небольших деталей, таких как гайки, провода, датчики и т. д. Ключевыми моментами конструкции являются канавки или отверстия на поверхности закладных деталей, облегчающие поток печатного материала для образования механических замков; закладные детали должны быть расположены точно, чтобы избежать столкновений печатающих головок; параметры печати (такие как температура и скорость) необходимо отрегулировать, чтобы избежать перегрева и повреждения закладных деталей.

Комбинация защелкивания и клея — еще одна практичная стратегия. 3D-печать позволяет создавать точные конструкции пряжек для предварительного позиционирования и механической фиксации деталей, а затем использовать клеи для улучшения прочности соединения и герметизации. Защелкивающаяся конструкция упрощает процесс сборки и сокращает время ожидания затвердевания клея. При проектировании пряжек необходимо учитывать требования к разборке: в постоянных соединениях можно использовать одноразовые пряжки (с большим натягом), а в соединениях, требующих ремонта, — съемные пряжки (с небольшим натягом или упругой деформацией). Сочетание пряжек и клея раскрывает преимущества двух методов соединения и является эффективным решением для 3D-печати разнородными материалами.

Испытание на прочность клея и проверка качества

Испытание на прочность клея — необходимый этап проверки надежности клеевой конструкции. В зависимости от типа силы можно выбрать различные методы испытаний: Испытание на прочность на растяжение и сдвиг (ASTM D1002) оценивает способность клеевого соединения выдерживать сдвиговые нагрузки; Испытание на прочность на растяжение(ASTM D2095) оценивает способность выдерживать растягивающие нагрузки; испытание на прочность на отслаивание (ASTM D1876) оценивает способность выдерживать нагрузки на отслаивание; а испытание на усталостную прочность оценивает долговечность при циклическом нагружении. Тестирование следует проводить в среде, аналогичной реальным условиям использования (например, температура, влажность, среда), чтобы получить репрезентативные данные.

Разрушающий контроль, хотя и точен, не может быть использован для каждой детали. Поэтому необходимо установить метод проверки качества, основанный на контроле процесса. Ключевые параметры процесса склеивания (такие как качество подготовки поверхности, соотношение клея, объем клея, температура и время отверждения) должны регистрироваться и контролироваться. Для ключевых деталей можно использовать стратегию, сочетающую выборочное разрушающее тестирование со 100% технологической проверкой. Технологический контроль включает визуальный контроль (налипание клея, пузырьки воздуха, отсутствие клея), контроль размеров (зазоры при склеивании, перекос) и неразрушающий контроль (например, ультразвуковой контроль, рентгеновский контроль внутренних дефектов).

Испытание на устойчивость к воздействию окружающей среды является важным средством проверки долгосрочной надежности склеивания. Склеенные образцы помещаются в суровые условия, такие как высокая температура, высокая влажность, солевые брызги и ультрафиолетовые лучи, а прочность склеивания регулярно проверяется для оценки снижения производительности. Для продуктов, которые используются в течение длительного времени, также необходимы испытания на ускоренное старение для прогнозирования срока службы соединения. Данные испытаний должны составить базу данных, обеспечивающую основу для усовершенствований конструкции и выбора материалов. Анализ разрушения соединения не менее важен. С помощью анализа разрушения (непосредственное наблюдение, наблюдение под микроскопом, анализ СЭМ) можно определить вид разрушения (когезионное разрушение, разрушение интерфейса, смешанное разрушение), найти слабые звенья в конструкции или процессе и определить направление оптимизации.

Типичные случаи применения и конструктивные особенности

Медицинские изделия представляют собой типичную область применения для склеивания разнородных материалов. Например, устройства для доставки лекарств требуют склеивания прозрачного пластикового окна (ПК или ПММА) и белого корпуса (АБС или ПК). Клей должен быть нетоксичным, прозрачным и устойчивым к дезинфекции. Ключевыми моментами проектирования являются выбор акрилового клея медицинского класса, отверждаемого УФ-излучением, создание зазора толщиной 0,2 мм и канавки для перелива клея на склеиваемой поверхности, проведение плазменной обработки поверхности перед склеиванием, а также проведение УФ-отверждения (30 секунд) и испытания на старение после склеивания. Другой случай — носимое медицинское устройство, требующее соединения гибкого ТПУ и жесткого АБС. Был выбран полиуретановый конструкционный клей и спроектирована зона градиентного перехода для снижения концентрации напряжений.

В изделиях бытовой электроники широко применяется соединение металлических каркасов и пластиковых корпусов. Для склеивания средней рамы (алюминиевого или титанового сплава) и задней крышки (стекла или керамики) смартфона требуется высокопрочный конструкционный клей (например, эпоксидная смола или акриловый структурный клей), а поверхность склеивания имеет точную структуру позиционирования и клеевой зазор 0,1 мм. Ключевыми моментами проектирования являются рассмотрение возможности ремонтной разборки, проектирование легко отделяемых конструкций (например, линий ослабления) в ключевых местах и ​​использование термоклея или отслаивающегося клея. Другой случай — корпус наушников, для эргономичного ношения которого требуется сочетание мягкого и твердого пластика. Здесь используется двухцветная печать или сборка из нескольких материалов, а в качестве клея выбран гибкий полиуретановый клей.

В области промышленного оборудования интеграция датчиков и деталей конструкции требует склеивания разнородных материалов. Например, соединение между датчиком давления (нержавеющая сталь) и трубопроводом для жидкости (ПЭЭК или ПТФЭ) требует использования химически стойкого клея на основе эпоксидной смолы, конической переходной конструкции на поверхности соединения для снижения концентрации напряжений, а также испытаний под давлением и герметичности. Другой случай — концевой эффектор робота, для которого требуется соединение жесткого каркаса (алюминиевого сплава или нейлона) и гибкого кончика пальца (ТПУ или силикона). Используется комбинация застежки + клея. В качестве клея выбирается высокопрочный гибкий полиуретановый клей, проводятся испытания на силу захвата и испытания на усталость.

Вывод: систематическое проектирование обеспечивает надежность соединения разнородных материалов.

Проектирование соединения разнородных материалов является одной из ключевых технологий в разработке продуктов 3D-печати. Благодаря научному выбору материалов, разумному дизайну склеиваемой поверхности, соответствующей обработке поверхности и строгому контролю процесса можно достичь высокой надежности соединения разнородных материалов. Проектировщикам необходимо систематически учитывать механические свойства, факторы окружающей среды, осуществимость процесса и ценовые ограничения, чтобы выбрать оптимальное решение для склеивания. С развитием технологии 3D-печати из нескольких материалов свобода проектирования комбинаций разнородных материалов будет еще больше расширяться, предоставляя больше возможностей для инноваций в продуктах.

В будущем интеллектуальные склеивающие материалы (такие как самовосстанавливающиеся клеи, чувствительные к напряжению клеи) и автоматизированные процессы склеивания (например, роботизированное дозирование, онлайн-контроль качества) еще больше повысят надежность и эффективность соединений разнородных материалов. Предприятиям рекомендуется установить стандарты проектирования для склеивания разнородных материалов, накопить базы данных совместимости материалов и библиотеки параметров процессов, обучать профессиональных инженеров-конструкторов склеивания и использовать технологию склеивания как одну из основных возможностей для дифференцированной конкуренции в продуктах 3D-печати. Благодаря постоянному накоплению технологий и инженерной практике дизайн соединения разнородных материалов перейдет от основанного на опыте к научному проектированию, обеспечивая прочную техническую основу для повышения производительности и оптимизации затрат на продукты 3D-печати.