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用于原型制作和生产的塑料材料指南

2021-11-23

在塑料的世界里,设计师有很多不同的选择。事实上,塑料材料如此之多,以至于选择合适的3D打印塑料进行原型制作和随后制造塑料进行生产的过程似乎令人生畏。本文旨在阐明可用塑料材料的主要类型,以及每种材料的应用。


不同类型的塑料材料


塑料是一种用于多种不同用途的合成材料。它们通常由石化产品制成,但也可以由一些天然成分制成。一些常见的塑料包括尼龙、乙缩醛和高密度聚乙烯。


虽然两种主要类型的塑料是热塑性塑料和热固性塑料,但本文将重点讨论根据其机械性能对塑料进行分组,详情如下:


硬质塑料


简言之,这些是我们用于电子外壳、橄榄球头盔、电动工具主体、胶带分配器和切割板等项目的塑料。它们的弹性远不如弹性体,但强度要大得多。它们通常按照肖氏D等级进行评级,详情如下。一些常见的硬质塑料是ABS、尼龙、HDPE和聚碳酸酯。


弹性体


弹性体也称为橡胶,是一类聚合物,具有低弹性模量和高断裂应变的特点。换句话说,它们是“有弹性的”。一些常见的弹性体是硅橡胶、HNBR、丁腈橡胶和聚氨酯橡胶。下图是由液体硅橡胶化合物制成的零件。




更具体地说,该组件是在室温下轻压固化的铂催化硅橡胶。


纤维增强塑料


这些塑料具有分散在塑料中的增强纤维,以增加硬度、强度和耐磨性。常见的例子包括玻璃纤维和碳纤维铺层。在注塑塑料中使用短切纤维也很常见。下图显示了一把带有手柄的袖珍刀,手柄上有尼龙塑料和玻璃纤维填充物。




这把刀已经被每天随身携带了两年多了,而且几乎没有磨损。这主要归功于玻璃填充塑料的机械性能。


一些SLS打印部件可能有玻璃填充尼龙粉末,这会产生比标准尼龙硬度高得多的部件。


含有添加剂的改性塑料


在基础塑料中加入添加剂以产生各种理想特性也是很常见的。一些常见的添加剂有:抗菌剂、抗静电剂、增塑剂、颜料、紫外线稳定剂、填料和阻燃剂。有更多选择,所以如果你有一个特殊的需要超出了普通添加剂,我建议联系一个塑料材料供应商。


要考虑的重要机械性能


无论塑料的类型如何,都需要了解一些基本的材料特性,才能选择最佳材料。


屈服强度


这是在材料永久变形之前可施加到材料的最大应力。在几乎所有情况下,需要知道的重要一点是,在使用过程中,您希望材料应力保持在材料屈服强度以下。


下图详细说明了处于原始状态的塑料部件,以及在其加载超过其屈服强度之后的情况。





如我们所见,由于用力过大,零件现在永久变形。我们不能期望该零件按设计执行,因为我们已经超过了材料的屈服强度。


极限强度


极限强度与屈服强度非常相似,除了零件完全失效时的应力。下图显示了从上方装载的相同组件,该组件已被进一步完全分离。




杨氏模量


也称为弹性模量,这是施加力时材料将“拉伸”的量。如果我们保持低于屈服强度,则在移除力后,零件将恢复其原始形状。


下图显示了由弹性体在两种情况下制成的钓鱼诱饵:原始状态和拉伸状态。





虽然材料已经拉伸了相当长的距离,但当移除力时,它将恢复到原始状态。弹性体也常用于垫圈和密封件。下图显示了我的压力室盖底部的弹性垫圈。




该弹性体在腔室加压的同时保持60 psi,防止捕获空气泄漏。类似的垫圈也可以在搅拌机、旅行咖啡杯和许多其他物品上找到。


硬度计


不同的塑料和橡胶具有不同的硬度值,称为材料的硬度计。,本文通常使用肖氏硬度标度。在肖氏硬度中,按硬度增加的顺序分为三类:00、A和D。铅笔橡皮擦在肖氏A标尺上的硬度约为40,而塑料安全帽在肖氏D标尺上的硬度则接近80。


伸长


伸长率描述了材料能够拉伸的量。如果应力保持在屈服点以下,则在大多数情况下,部件将恢复到原始形状。如果应力超过屈服点但低于材料的极限强度,则零件将变形但保持完整。如果应力超过极限强度,零件将如上所示分离。


与大多数其他材料相比,塑料和弹性体通常具有较高的伸长率,前者在弹性区域具有较高的伸长率。标准塑料不能像弹性体那样拉伸,但它们通常的特点是塑性变形后的高伸长率。


摩擦系数


摩擦系数是一个术语,描述移动力与垂直于法向力的物体之间的比率。更简单地说,它描述了对象在材质上的滑动情况。这对于滑动或动态接触应用中使用的项目非常重要。由于摩擦系数低,一些轴承由聚四氟乙烯(PTFE)材料制成。


塑料种类繁多,组合范围更广。在设计阶段,首先定义原型以及未来生产零件的关键要求非常重要,以告知正确的材料选择。


根据这些要求,可以根据原型的可用选项选择合适的塑料,以获得最接近最终生产单元的表示。这将减少最终产品中的不确定性和风险,同时提高新产品开发过程中的迭代率。

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