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        用于原型制作和生產的塑料材料指南

        2021-11-23

        在塑料的世界里,設計師有很多不同的選擇。事實上,塑料材料如此之多,以至于選擇合適的3D打印塑料進行原型制作和隨后制造塑料進行生產的過程似乎令人生畏。本文旨在闡明可用塑料材料的主要類型,以及每種材料的應用。


        不同類型的塑料材料


        塑料是一種用于多種不同用途的合成材料。它們通常由石化產品制成,但也可以由一些天然成分制成。一些常見的塑料包括尼龍、乙縮醛和高密度聚乙烯。


        雖然兩種主要類型的塑料是熱塑性塑料和熱固性塑料,但本文將重點討論根據其機械性能對塑料進行分組,詳情如下:


        硬質塑料


        簡言之,這些是我們用于電子外殼、橄欖球頭盔、電動工具主體、膠帶分配器和切割板等項目的塑料。它們的彈性遠不如彈性體,但強度要大得多。它們通常按照肖氏D等級進行評級,詳情如下。一些常見的硬質塑料是ABS、尼龍、HDPE和聚碳酸酯。


        彈性體


        彈性體也稱為橡膠,是一類聚合物,具有低彈性模量和高斷裂應變的特點。換句話說,它們是“有彈性的”。一些常見的彈性體是硅橡膠、HNBR、丁腈橡膠和聚氨酯橡膠。下圖是由液體硅橡膠化合物制成的零件。




        更具體地說,該組件是在室溫下輕壓固化的鉑催化硅橡膠。


        纖維增強塑料


        這些塑料具有分散在塑料中的增強纖維,以增加硬度、強度和耐磨性。常見的例子包括玻璃纖維和碳纖維鋪層。在注塑塑料中使用短切纖維也很常見。下圖顯示了一把帶有手柄的袖珍刀,手柄上有尼龍塑料和玻璃纖維填充物。




        這把刀已經被每天隨身攜帶了兩年多了,而且幾乎沒有磨損。這主要歸功于玻璃填充塑料的機械性能。


        一些SLS打印部件可能有玻璃填充尼龍粉末,這會產生比標準尼龍硬度高得多的部件。


        含有添加劑的改性塑料


        在基礎塑料中加入添加劑以產生各種理想特性也是很常見的。一些常見的添加劑有:抗菌劑、抗靜電劑、增塑劑、顏料、紫外線穩定劑、填料和阻燃劑。有更多選擇,所以如果你有一個特殊的需要超出了普通添加劑,我建議聯系一個塑料材料供應商。


        要考慮的重要機械性能


        無論塑料的類型如何,都需要了解一些基本的材料特性,才能選擇最佳材料。


        屈服強度


        這是在材料永久變形之前可施加到材料的最大應力。在幾乎所有情況下,需要知道的重要一點是,在使用過程中,您希望材料應力保持在材料屈服強度以下。


        下圖詳細說明了處于原始狀態的塑料部件,以及在其加載超過其屈服強度之后的情況。





        如我們所見,由于用力過大,零件現在永久變形。我們不能期望該零件按設計執行,因為我們已經超過了材料的屈服強度。


        極限強度


        極限強度與屈服強度非常相似,除了零件完全失效時的應力。下圖顯示了從上方裝載的相同組件,該組件已被進一步完全分離。




        楊氏模量


        也稱為彈性模量,這是施加力時材料將“拉伸”的量。如果我們保持低于屈服強度,則在移除力后,零件將恢復其原始形狀。


        下圖顯示了由彈性體在兩種情況下制成的釣魚誘餌:原始狀態和拉伸狀態。





        雖然材料已經拉伸了相當長的距離,但當移除力時,它將恢復到原始狀態。彈性體也常用于墊圈和密封件。下圖顯示了我的壓力室蓋底部的彈性墊圈。




        該彈性體在腔室加壓的同時保持60 psi,防止捕獲空氣泄漏。類似的墊圈也可以在攪拌機、旅行咖啡杯和許多其他物品上找到。


        硬度計


        不同的塑料和橡膠具有不同的硬度值,稱為材料的硬度計。,本文通常使用肖氏硬度標度。在肖氏硬度中,按硬度增加的順序分為三類:00、A和D。鉛筆橡皮擦在肖氏A標尺上的硬度約為40,而塑料安全帽在肖氏D標尺上的硬度則接近80。


        伸長


        伸長率描述了材料能夠拉伸的量。如果應力保持在屈服點以下,則在大多數情況下,部件將恢復到原始形狀。如果應力超過屈服點但低于材料的極限強度,則零件將變形但保持完整。如果應力超過極限強度,零件將如上所示分離。


        與大多數其他材料相比,塑料和彈性體通常具有較高的伸長率,前者在彈性區域具有較高的伸長率。標準塑料不能像彈性體那樣拉伸,但它們通常的特點是塑性變形后的高伸長率。


        摩擦系數


        摩擦系數是一個術語,描述移動力與垂直于法向力的物體之間的比率。更簡單地說,它描述了對象在材質上的滑動情況。這對于滑動或動態接觸應用中使用的項目非常重要。由于摩擦系數低,一些軸承由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成。


        塑料種類繁多,組合范圍更廣。在設計階段,首先定義原型以及未來生產零件的關鍵要求非常重要,以告知正確的材料選擇。


        根據這些要求,可以根據原型的可用選項選擇合適的塑料,以獲得最接近最終生產單元的表示。這將減少最終產品中的不確定性和風險,同時提高新產品開發過程中的迭代率。

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