În orice proces de producție, alegerea materialului nu numai că este cheia creării unui produs adecvat și durabil, dar asigură și succesul fabricației lui. Mai mult, costul materialului poate avea cel mai semnificativ impact asupra costului final al produsului.
FDM, sau modelarea prin depunere fuzionată, este cel mai popular proces de extrudare a materialului în imprimarea 3D. În aproape toate cazurile, folosește materiale termoplastice ca materie primă în filamente lungi care sunt rulate și ambalate în bobine.
În general, costul filamentului pentru FDM depinde în mare parte de tipul de polimer utilizat. Calitatea generală a materialului, care include culoarea și stabilitatea dimensională, este, de asemenea, decisivă în costul final al fiecărei bobine de filament.
În orice proiect, selecția materialelor este una dintre cele mai complexe părți ale dezvoltării produsului. Iată un exemplu despre cum ar putea arăta acea analiză.
Obiectiv: Ce trebuie maximizat sau minimizat?
Variabile libere: Pentru ce parametri ai problemei este proiectantul liber să perceapă costuri?
Exemple de constrângeri și obiective obișnuite:
Constrângeri obișnuite
Trebuie să fie:
- Conductor electric
- Transparent optic
- Rezistent la coroziune
- Non-toxic
- Substanță nerestricționată
- Reciclabil
- Biodegradabil
Trebuie să atingă o valoare țintă de:
- Rigiditate
- Rezistență
- Duritate la fractură
- Conductivitate termică
- Temperatură de serviciu
Minimizează:
- Costul
- Masa
- Volumul
- Pierderile termice
- Pierderile electrice
- Epuizarea resurselor
- Consumul de energie
- Emisiile de carbon
- Deșeurile
- Impactul asupra mediului
- Utilizarea apei
O mulțime de criterii trebuie îndeplinite sau depășite în ceea ce privește caracteristicile mecanice, termice, chimice, electrice, impactul asupra mediului pe parcursul ciclului de viață etc. Nu în ultimul rând costul materialului.
Pe de altă parte, natura ne învață: “Cu cât ceva e mai ușor, cu atât mai bine”, greutatea mică este o necesitate, nu doar o caracteristică.
Și așa ar trebui să fie orice abordare de proiectare. Iar greutatea mică este obținută în primul rând prin design și în al doilea rând prin selecția materialului.
Iată o reprezentare grafică a conceptului de cost specific masei, într-o diagramă putere-densitate.
După cum se poate observa, cu cât rezistența specifică masei este mai mare, cu atât cresc și costurile materialelor.
De obicei, un preț este dat pentru o anumită unitate de vânzare €/kg , €/litru, €/m², €/m³), nu pe o metrică de rezistență specifică densității. Acest lucru face orice încercare de compromis în acestă privință de neînțeles.
De obicei, acest tip de muncă teoretică și specifică aplicației, pentru articolele produse în masă, este realizată de persoane și organizații foarte specializate. Există o întreagă industrie în jurul strategiilor de selecție a materialelor, a datelor și a testării materialelor.
Una dintre cele mai frecvente întrebări în acest moment al raționamentului nostru este: de ce sunt folosite multe materiale super costisitoare de înaltă performanță, chiar dacă aparent s-ar ieși mai bine la costuri prin folosirea unor cantități mai mari de material mult mai ieftin?
Și, așa cum probabil vă așteptați, răspunsul este: Există penalități de greutate care trebuie luate în considerare pe parcursul ciclului de viață.
Pentru primii ani de imprimare 3D open-source și cu materiale deschise, am avut ABS, PLA amorf sau semicristalin de calitate scăzută, cu o rezistență la tracțiune de aproximativ 30 MPa. Acum o mulțime de filamente specializate și de performanță inundă piața. Pentru prima dată în istoria imprimării 3D trebuie să ne întrebăm: ce material, ce calitate, ce rețetă să folosesc?
În viața noastră de zi cu zi, de prototipare și loturi mici de producție, cei mai mulți dintre noi ne bazăm pe experiență, disponibilitatea materialelor, capacitatea de fabricație și destul de des pe încercări și erori. Dar atunci când vine vorba de imprimarea 3D cu materiale termoplastice, este posibil să trebuiască să ne gândim de două ori care este cea mai bună alegere de material – cea ieftină sau cea de performanță.
Exemplu: un PLA de 20€/kg cu 25 MPa și un 70€/kg cu 100 MPa
Materialul mai scump este de 4 ori mai rapid de imprimat ȘI cu 12% mai ieftin, pentru o anumită țintă de rezistență (presupunând că au aceeași densitate).
Concluzia?
În imprimarea 3D, timpul este cea mai mare penalizare, care, la rândul său, este direct proporțională cu volumul extrudat pe o anumită unitate de timp. Deci, cu cât materialul este mai puternic, cu atât volumul este mai mic, cu atât imprimarea este mai rapidă și produsul final este mai ușor.
Yannick Bastian
Fondator și CEO FormWerk