•    發佈時間：2022/11/09
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【概要描述】 “3D列印零件有多強？”

這是大多數工程師在考慮3D列印時都會問的問題。

畢竟，知道你所掌握的工具能做什麼是至關重要的。

也是這個問題，來自Ultimaker、Covestro和荷蘭皇家海軍的工程師們聚在一起尋找答案。

但不是以傳統的方式...

 

測量材料強度的傳統方法是使用拉伸試驗機。一個小樣本被列印出來，然後放在一個大的壓力下直到它斷裂。斷裂時投射在零件上的力除以中心交點的表面，就表示其強度。

雖然這些數字對工程師來說意義重大，但有時是“眼見為實”。為了在人們的腦海中真實呈現3D列印部件可以有多堅固的圖像，荷蘭皇家海軍Covestro和Ultimaker開始了一項獨特的合作，以提升一些非常重的東西。

但是什麼會起作用呢？健身房舉重？一輛摩托車？一輛車？也許是一輛大型吉普車？然後荷蘭皇家海軍問:為什麼不是裝甲車？

 

創建初始設計

 

為了使用3D列印零件抬起重型車輛，首先我們需要分析我們可以使用的硬體。

荷蘭皇家海軍有一個特殊的提升罐，它使用兩個可打開的鋼環連接到他們的起重機和連接到待提升車輛的電纜上。一個細長的O形連杆可以連接這兩個金屬環，並提升重型車輛




3D列印鏈接需要與這些可打開的環完美對接



它們的精確幾何形狀被導入到CAD中，對零件設計

將鋼圈的幾何形狀導入CAD軟體後，Ultimaker應用工程師Lars de Jongh能夠為鏈環創建初始設計。Lars首先定義了設計要求:



為了穩定的3D列印，鏈接需要具有平坦的側面


該鏈接需要與投射在零件上的力方向相同的層線印刷


列印零件和金屬環的相互作用表面應盡可能大，以均勻分佈力



 

尋找合適的材料

 

這Ultimaker市場充滿了數百種材料。它們中的每一個都有獨特的屬性組合，這使得您的零件很可能符合設定的要求。該測試所需的材料需要非常堅固，但也需要能夠吸收短峰值力。Addigy F1030 CF10符合設定的要求。這種基於尼龍的聚合物負載有碳纖維，可以使用Ultimaker S5和CC列印芯進行列印。

 

使用模擬優化設計

 

與傳統方法相比，3D列印一個2公斤重的實心鏈環需要更少的時間。然而，驗證正確幾何圖形所需的迭代次數意味著時間仍然是一個因素。這就是為什麼在印刷之前使用電腦模擬對設計進行了優化。



Covestro模擬了力對其材料的影響，以優化設計



節省了時間，創建最終零件所需的迭代次數更少

Covestro使用瞭解其碳纖維尼龍材料確切物理特性的軟體，以數字方式將力施加到設計上。通過運行模擬，我們能夠確定設計中需要調整的地方以及可以去除的材料。這創造了一個優化的設計，可以提升更多的重量，同時需要更少的材料，導致更快的生產時間和更低的成本。

 

驗證模擬

 

在我們能夠舉起我們的重型車輛之前，我們需要從物理上驗證印刷部件的計算強度。針對兩種尺寸生成了兩種設計。第一個是1公斤重的鏈環，我們估計它可以承受12噸的重量。第二個重約2公斤，估計能承受38噸。荷蘭皇家海軍有一個現場工業拉伸測試儀，能夠在物體上施加高達343千牛頓的力。初始版本和優化版本都針對大版本和小版本進行了測試。



荷蘭皇家海軍測試了2公斤的鏈接，以承受完美條件下的38噸

優化的設計能夠承受更大的力，而重量卻減輕了三分之一。測試結果和模擬數字之間的差異也非常接近，平均只有1%的誤差。這使得該工作流在上市時間和提高性能方面準確且有利可圖。

 

舉升兩輛車

 

經過幾個月的設計、印刷、測試和規劃，現在是行動的時候了！兩個鏈環正要舉起一輛真正的軍用重型車輛。在荷蘭南部的一個荷蘭陸軍基地，第13輕犀牛旅用他們的裝甲回收車協助我們。他們的豹2“水牛”有一個安裝在前面的起重機，旨在恢復重型車輛，如卡車和作戰坦克。

作為熱身，1公斤的鏈接被用來提升超過2噸重的梅賽德斯吉普車的軍用版本。這根本不是問題:車輛很容易被抬起來。然後，是時候做一些更大的事情了。




這個1公斤重的3D列印鏈接被用來舉起一輛軍用吉普車作為熱身

2公斤重的實心碳纖維增強尼龍鏈被放置在M113裝甲車和水牛起重機之間。金屬環被緊固到位，四根纜繩從下吊鉤連接到車輛上。起重機慢慢開始向上移動，將電纜和3D列印部件置於張力下。然後，這輛12噸重的車輛慢慢上升，懸停在地面上方，懸掛在一個3D列印的鏈接上！水牛開著車到處跑，向後，向前，轉身，但是鏈接保持得很好。合作產生了非常成功的結果。





2公斤的3D列印可以輕鬆承受6，000倍的車輛重量

 

學習和主要收穫

 

這個專案不僅僅是因為工作環節而成功。一路上我們也學到了很多。

令人驚訝的是，CAD模擬已經取得了很大的進步，不僅僅是模擬形狀，而且考慮到材料甚至纖維方向，給出了準確的預測。能夠依賴這些工具對工程師來說是一個很大的好處。

雖然所有零件都是在維護良好的房間中列印的，並且材料沒有暴露在濕氣中，但在乾燥的倉庫中列印的版本與在加熱乾燥的列印室中用故意乾燥的細絲卷軸列印的零件之間仍有明顯的差異。尼龍吸收水分，這可能會導致列印品質下降。這就是為什麼瞭解材料的特性並相應地處理它們是非常重要的。

 

眼見為實

 

技術數據表會用抽象的數字告訴你一種材料的強度。但是，當您看到強大和優化的3D列印部件可以實現什麼時，就更容易理解添加技術的可能性，並獲得新的令人興奮的應用的靈感

 

源文摘自：Ultimaker