Esta guía ayuda a los ingenieros de compras y a los equipos de productos a relacionar las propiedades del material con el rendimiento real de la pieza.
Antes de comparar las hojas de datos de materiales, primero aclare qué condiciones de trabajo enfrentará la pieza en su uso real. Todas las elecciones de materiales posteriores están determinadas por estas condiciones.
Cada parte funcional soporta uno o más tipos de carga mecánica. El primer paso es identificar el tipo de carga:
La carga mecánica es sólo un aspecto de la selección de materiales. El entorno en el que se encuentra la pieza afecta directamente el tiempo que se pueden mantener estas propiedades mecánicas.
Antes de seleccionar materiales, primero aclare las siguientes preguntas:
El indicador de rendimiento más comúnmente observado en la selección de materiales es la resistencia. Refleja cuánta tensión mecánica puede soportar una pieza antes de deformarse o romperse.
La resistencia a la tracción mide la mayor cantidad de fuerza de tracción que un material puede soportar antes de romperse. En el caso de componentes mecánicos como soportes, abrazaderas y accesorios, la resistencia a la tracción determinará si el componente mantiene su forma en uso o se deforma.
Cuando la resistencia a la tracción es inferior a la requerida para una aplicación, se manifestarán varios modos de falla específicos, incluida la deformación permanente durante el servicio, la formación de grietas en áreas con alta concentración de tensiones o la aparición de roturas durante la instalación. Por lo tanto, antes de que el componente pueda transferir cualquier carga estática directa o indirecta, se debe verificar la resistencia a la tracción.
Muchos compradores sólo se centran en la resistencia a la tracción. Pero una pieza puede ser lo suficientemente fuerte como para soportar la carga y, sin embargo, no funcionar correctamente porque se deforma demasiado.
El módulo de Young, también llamado módulo de elasticidad, mide cuánto resiste un material la deformación bajo carga. Es rigidez. Piezas como accesorios de precisión, componentes de posicionamiento, cubiertas de equipos y estructuras de montaje necesitan suficiente rigidez para mantener su forma durante el funcionamiento.
La fuerza determina si una pieza se rompe. La rigidez determina si una pieza se dobla o flexiona más allá del rango permitido. Ambos deben evaluarse juntos al seleccionar los materiales.
Las piezas impresas en 3D se construyen capa por capa. La unión entre capas suele ser más débil que el material de una sola capa. Entonces las propiedades mecánicas tienen diferencias direccionales.
La misma geometría impresa horizontalmente e impresa de lado puede funcionar de manera muy diferente. La orientación de las capas, la dirección de construcción y la unión entre capas afectan la resistencia y rigidez finales de la pieza impresa.
Los valores en una hoja de datos del material son resultados en condiciones de prueba ideales. El rendimiento de la pieza impresa real está determinado por la orientación de colocación, el método de impresión y el posprocesamiento.
La dureza mide cuánta energía puede absorber un material antes de romperse. Determina si una pieza se romperá por impacto, caídas o golpes repentinos.
Un material puede tener una alta resistencia a la tracción pero aún así romperse bajo el impacto. Cuando la resistencia es alta pero la tenacidad es baja, la pieza funciona bien bajo una carga constante, pero puede agrietarse o romperse fácilmente cuando se aplica una fuerza repentina.
Al igual que el vidrio, tiene una resistencia a la compresión decente pero se rompe fácilmente con el impacto. Las piezas impresas en 3D son iguales. Algunos polímeros duros y resistentes pueden romperse directamente en pruebas de caída, manipulación brusca o montaje forzado.
Si su aplicación implica alguna de las siguientes situaciones, la dureza es la base principal para la selección del material:
Los materiales con resistencia moderada y buena tenacidad son más adecuados que materiales con alta resistencia pero con comportamiento frágil.
Si una pieza puede caerse, golpearse, encajarse bruscamente o montarse y desmontarse repetidamente, la resistencia a la tracción por sí sola no puede predecir su vida útil. Al seleccionar materiales, también se debe considerar la resistencia al impacto, el alargamiento a la rotura y el modo de falla (frágil o dúctil). Un material que cede y se deforma mostrará signos antes de fallar. Un material quebradizo se romperá repentinamente.
A menudo se subestima seriamente el impacto de la temperatura en el rendimiento de las piezas impresas en 3D. Un material puede funcionar bien a temperatura ambiente, pero a la temperatura de trabajo real puede ablandarse, deformarse o incluso perder por completo su capacidad de carga.
Las hojas de datos que dicen "puede soportar hasta 100°C" tienen un valor de referencia limitado. Debe observar varios indicadores por separado:
Las piezas cercanas a motores, instaladas en gabinetes eléctricos o expuestas al calor del proceso deben mantener el rendimiento mecánico a la temperatura de trabajo a largo plazo. No se puede simplemente mirar si sobreviven a un pico corto.
Cuando la temperatura aumenta, la mayoría de los polímeros pierden resistencia, rigidez y estabilidad dimensional. Es posible que la pieza no se derrita ni se degrade visiblemente, pero puede ablandarse, flexionarse bajo carga, perder fuerza de sujeción o desalinearse.
El comportamiento de falla de las piezas a alta temperatura es diferente al de temperatura ambiente. Las piezas no se agrietan ni se rompen. En cambio, lentamente se arrastran, deforman o aflojan. Este tipo de fallo es más difícil de notar, pero se puede evitar eficazmente eligiendo el material adecuado.
Al evaluar materiales para aplicaciones de alta temperatura, la temperatura de uso continuo y la temperatura de deflexión del calor son referencias más útiles que el punto de fusión o los valores máximos a corto plazo. Al seleccionar materiales, debe centrarse en qué parte de su resistencia y rigidez a temperatura ambiente retiene el material a la temperatura de trabajo. Este porcentaje es mucho más práctico que una única cifra de temperatura máxima.
Las piezas que entran en contacto con productos químicos, agentes de limpieza o fluidos industriales necesitan materiales que se mantengan químicamente estables durante el uso prolongado y no se erosionen.
Primero, enumere todas las sustancias con las que la pieza entrará en contacto:
La compatibilidad química no se puede generalizar. Un material que resiste bien el aceite mineral aún puede hincharse o agrietarse cuando entra en contacto con un solvente específico. La concentración, la temperatura y el tiempo de exposición afectan el rendimiento real.
Es posible que la degradación química no muestre grietas obvias al principio. Muchos polímeros absorben gradualmente productos químicos corrosivos y luego aparecen los siguientes cambios:
Estos cambios suelen ser difíciles de notar en las primeras etapas. La pieza puede parecer completamente normal durante la inspección visual, pero el material del interior ya está dañado.
El contacto químico en la vida real a menudo no ocurre una sola vez. Una pieza puede entrar en contacto con un químico durante la operación, luego limpiarse con otro agente de limpieza y luego secarse, y esto se repite todos los días.
Este ciclo de "contacto, limpieza, secado" a veces puede causar más daño que una sola inmersión prolongada. Al explicar los requisitos de resistencia química, informe al proveedor el ciclo completo, incluido el producto químico principal, el agente de limpieza, el medio de enjuague y la frecuencia del ciclo.
Algunos polímeros de ingeniería absorben la humedad del aire. Con el tiempo, las dimensiones y las propiedades mecánicas de la pieza cambiarán.
La absorción de humedad reduce la resistencia y rigidez del material, haciéndolo más flexible. También cambia el estado de la superficie y aumenta el peso. Materiales como el nailon (PA) cambian mucho después de absorber la humedad. Una misma pieza puede presentar claras diferencias de comportamiento mecánico entre una pieza impresa en seco y otra que ha absorbido humedad.
Para gabinetes de precisión, piezas acopladas, conjuntos de ajuste rápido y piezas con tolerancias estrictas, los cambios dimensionales causados por la absorción de humedad suelen ser más problemáticos que los cambios en las propiedades mecánicas.
Una pieza puede encajar bien inmediatamente después de la impresión, pero después de permanecer en un ambiente húmedo durante algún tiempo, puede quedar demasiado apretada o demasiado suelta. Si es necesario que el ajuste se mantenga estable a largo plazo, la absorción de humedad debe incluirse en la evaluación del material.
El efecto de la humedad comienza en la etapa de almacenamiento del material. Continúa mediante la impresión, el posprocesamiento, el almacenamiento de piezas, el envío y la instalación final.
La forma en que se almacena la materia prima, si se seca antes de imprimir y las condiciones de embalaje y envío de las piezas terminadas afectan el rendimiento final de los materiales sensibles a la humedad. Para materiales sensibles a la humedad, debe aclarar los requisitos de manipulación y almacenamiento con el proveedor.
Las aplicaciones de desgaste crítico incluyen casquillos, guías, rodillos, componentes deslizantes y mecanismos móviles de baja carga. En estas piezas, la fricción entre superficies elimina gradualmente material, cambia las holguras y, finalmente, provoca fallos funcionales.
La tasa de desgaste depende de la presión de contacto, la velocidad de deslizamiento, la rugosidad de la superficie y si hay lubricación presente.
No todas las piezas móviles requieren la máxima resistencia al desgaste. Una guía de movimiento lento bajo una carga ligera tiene necesidades de material muy diferentes a las de un casquillo de alta velocidad bajo presión constante.
Evalúe estos factores antes de elegir un material resistente al desgaste:
Sobreespecificar la resistencia al desgaste agrega costos sin agregar valor. Haga coincidir el material con el trabajo real.
En las piezas impresas en 3D, las líneas de las capas y la rugosidad de la superficie pueden aumentar la fricción inicial y acelerar el desgaste en las primeras etapas. Los pasos posteriores al procesamiento, como el pulido, el granallado o el alisado químico, pueden reducir la rugosidad de la superficie y mejorar el comportamiento de desgaste.
Si su aplicación implica contacto deslizante, analice los requisitos de acabado de la superficie con su proveedor durante la etapa de cotización.
Una pieza que soporta una sola carga pesada sin problemas aún puede fallar después de miles de ciclos de carga más ligera. La fatiga es una de las principales causas de fallas inesperadas en el campo en componentes mecánicos.
La falla por fatiga ocurre cuando la carga repetida crea gradualmente un daño microscópico que crece hasta convertirse en una grieta visible y eventualmente causa una fractura. La carga individual en cada ciclo puede estar muy por debajo de la resistencia a la tracción nominal del material.
Esto es importante para bisagras, soportes, componentes de montaje, mecanismos con movimientos repetidos y cualquier pieza de una máquina que realice ciclos regulares.
El proceso de fatiga sigue un patrón consistente: la carga repetida crea microdaños en concentraciones de tensión, los microdaños se acumulan en una grieta, la grieta crece con cada ciclo y la pieza finalmente se fractura.
A diferencia de una falla por sobrecarga estática, la falla por fatiga puede ocurrir a niveles de tensión muy por debajo del límite elástico del material. Las características de diseño como esquinas afiladas, secciones delgadas y agujeros aceleran el proceso.
Las hojas de datos de materiales rara vez incluyen datos detallados de fatiga para piezas impresas en 3D. Si su pieza es un componente crítico sujeto a cargas cíclicas, confíe en pruebas físicas en lugar de en la extrapolación de hojas de datos.
Defina la prueba en función de su ciclo de trabajo real: magnitud de carga, frecuencia de carga, número de ciclos esperados y temperatura de funcionamiento. Una breve prueba de validación de piezas prototipo puede evitar costosas fallas en el campo.
El rendimiento no se trata sólo de si una pieza se rompe. Para muchas aplicaciones, una pieza que permanece intacta pero se sale de la tolerancia es igualmente un fracaso.
Todas las piezas impresas en 3D experimentan cierto grado de contracción durante y después de la impresión. Más allá de eso, la expansión térmica en servicio puede cambiar las dimensiones a medida que fluctúan las temperaturas de funcionamiento.
Para piezas acopladas, carcasas, accesorios y ensamblajes de precisión, estos cambios dimensionales afectan directamente el ajuste y la función.
Una pieza puede ensamblarse perfectamente en el banco y luego cambiar de especificación después de exponerse a un ambiente operativo húmedo o de alta temperatura. Esto es especialmente relevante para conjuntos donde dos o más piezas se acoplan con espacios reducidos.
Si sus piezas operan en entornos donde la temperatura o la humedad varían significativamente, tenga en cuenta los posibles cambios dimensionales en su diseño de tolerancia.
Solicitar la tolerancia más estricta posible en cada característica agrega costos y, a menudo, no es necesario. Un enfoque más eficaz es definir tolerancias basadas en:
Trabaje con su proveedor para establecer valores de tolerancia que reflejen las necesidades reales de rendimiento en lugar de objetivos de precisión arbitrarios.
En Xunjie, ayudamos a los compradores a ir más allá de los nombres genéricos de materiales y a seleccionar materiales para aplicaciones específicas. Nuestro equipo de ingeniería revisa la geometría de su pieza, las condiciones operativas y los requisitos de rendimiento para recomendar el material, el proceso de impresión y el posprocesamiento adecuados para su aplicación. Ya sea que necesite prototipos funcionales, piezas de producción de uso final o herramientas de bajo volumen, entregamos piezas impresas en 3D diseñadas para un rendimiento en el mundo real. Contáctenos para discutir su próximo proyecto.
1. ¿Puedo utilizar el mismo material de impresión 3D para aplicaciones de interior y exterior?
Los ambientes interiores y exteriores imponen exigencias muy diferentes. Las piezas exteriores enfrentan degradación por rayos UV, cambios de temperatura más amplios y exposición a la humedad que pueden reducir significativamente las propiedades mecánicas con el tiempo. Un material que funciona bien en interiores puede desintegrarse, volverse quebradizo o perder resistencia después de meses de uso en exteriores. Especifique siempre el entorno de uso final para que su proveedor pueda recomendar opciones estables a los rayos UV o resistentes a la intemperie.
2. ¿Cómo afecta el espesor de la pared al rendimiento mecánico de una pieza impresa en 3D?
Las paredes delgadas amplifican la influencia de las debilidades de unión de las capas y hacen que las piezas sean más sensibles al impacto y a las cargas de flexión. El aumento del espesor de la pared mejora la capacidad de carga, pero más allá de cierto punto agrega peso y costo sin ganancias proporcionales de resistencia. El espesor de pared óptimo depende del material, el proceso de impresión y las cargas específicas que debe soportar la pieza.
3. ¿Las piezas impresas en 3D funcionan de manera diferente inmediatamente después de la impresión en comparación con semanas después?
Sí. Muchas piezas de polímero sufren cambios posteriores a la impresión a medida que se relajan las tensiones residuales y se absorbe la humedad del medio ambiente. Las piezas de nailon, por ejemplo, ganan dureza pero pierden rigidez a medida que absorben la humedad durante días o semanas. Si su aplicación requiere propiedades estables desde el primer día, analice las opciones de acondicionamiento y embalaje con su proveedor.
4. ¿Debo solicitar informes de prueba para piezas críticas impresas en 3D?
Para piezas que soportan carga o que son relevantes para la seguridad, solicitar datos de pruebas mecánicas en muestras impresas reales es una buena práctica. Las hojas de datos de materiales estándar reflejan el rendimiento de la barra de prueba, que puede diferir del rendimiento de su pieza debido a la geometría, la orientación de la impresión y los parámetros del proceso. Probar muestras impresas en condiciones representativas le brinda los datos de rendimiento más confiables.
5、¿Cómo decido entre un material más resistente y uno más resistente?
La decisión depende de cómo falla la pieza en su aplicación. Si el riesgo principal es la deformación o rotura bajo una carga constante, priorice la resistencia y la rigidez. Si la pieza enfrenta caídas, impactos o un ensamblaje a presión, priorice la dureza y el alargamiento. En muchas aplicaciones funcionales, un material equilibrado que ofrece resistencia moderada con buena tenacidad ofrece una mayor confiabilidad general que un material extremo en cualquiera de los extremos.
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