Kao vodeći pružalac usluga SLS 3D štampanja, često se susrećem sa upitima o tehničkim svojstvima delova koje proizvodimo. Jedno od takvih uobičajenih pitanja je u vezi sa piezoelektričnim koeficijentom delova napravljenih korišćenjem naše usluge SLS 3D štampanja. U ovom blogu ćemo istražiti šta je piezoelektričnost, da li SLS 3D štampani delovi mogu pokazati piezoelektrična svojstva, i ako da, koji bi mogli biti njihovi piezoelektrični koeficijenti.
Razumijevanje piezoelektričnosti
Piezoelektricitet je pojava u kojoj određeni materijali stvaraju električni naboj kao odgovor na primijenjeno mehaničko naprezanje, i obrnuto, doživljavaju mehaničku deformaciju kada se primjenjuje električno polje. Ovo jedinstveno svojstvo našlo je širok spektar primjena, od senzora i aktuatora do ultrazvučnih uređaja i sistema za prikupljanje energije.
Piezoelektrični efekat se obično opaža u kristalnim materijalima sa necentro simetričnom kristalnom strukturom. Primjeri dobro poznatih piezoelektričnih materijala uključuju kvarc, olovo cirkonat titanat (PZT) i poliviniliden fluorid (PVDF). Piezoelektrični koeficijent, koji se obično označava kao (d), kvantificira odnos između mehaničkog naprezanja i generiranog električnog naboja ili odnos između primijenjenog električnog polja i rezultirajućeg mehaničkog naprezanja.
SLS 3D štampanje: Pregled
Selektivno lasersko sinterovanje (SLS) je tehnologija 3D štampe zasnovana na prahu koja koristi laser velike snage za selektivno spajanje praškastih materijala sloj po sloj za stvaranje trodimenzionalnih objekata. U našem servisu SLS 3D štampe radimo sa raznim materijalima, kao što su najlon i drugi polimeri.
Najlonska SLS štampaje jedna od naših najpopularnijih ponuda. Najlon je poznat po svojim odličnim mehaničkim svojstvima, uključujući visoku čvrstoću, žilavost i hemijsku otpornost.SLS 3D printanje PA dijelova, gdje PA znači poliamid (vrsta najlona), naširoko se koriste u automobilskoj, svemirskoj i industriji potrošačkih proizvoda.Prilagođeno SLS 3D štampanjeomogućava našim klijentima da kreiraju dijelove složene geometrije koje je teško ili nemoguće proizvesti tradicionalnim metodama proizvodnje.
Piezoelektricitet u SLS 3D štampanim dijelovima
Većina polimera koji se obično koriste u SLS 3D štampanju, kao što je najlon, inherentno ne posjeduju jaka piezoelektrična svojstva. Najlon je polukristalni polimer sa relativno simetričnom molekularnom strukturom, koji ne podržava piezoelektrični efekat. Međutim, postoje načini za uvođenje piezoelektričnosti u SLS 3D štampane dijelove.
Jedan pristup je ugradnja piezoelektričnih punila u polimerni prah koji se koristi u SLS 3D štampanju. Na primjer, PZT čestice se mogu pomiješati s najlonskim prahom. Tokom SLS procesa, laser spaja mješavinu praha, ugrađujući piezoelektrične čestice unutar polimerne matrice. Rezultirajući kompozitni materijal može pokazati piezoelektrično ponašanje.
Piezoelektrični koeficijent SLS 3D štampanih delova napravljenih piezoelektričnim punilima zavisi od nekoliko faktora. Volumenski udio piezoelektričnog punila je ključna determinanta. Veći volumni udio piezoelektričnog materijala općenito dovodi do većeg piezoelektričnog koeficijenta, jer postoji više aktivnih piezoelektričnih čestica koje stvaraju ili reagiraju na električne naboje.
Važnu ulogu igra i disperzija piezoelektričnog punila u polimernoj matrici. Ako su piezoelektrične čestice dobro raspršene, one mogu djelotvornije komunicirati s primijenjenim mehaničkim naprezanjem ili električnim poljem, što rezultira efikasnijim piezoelektričnim odgovorom. Međutim, loša disperzija može dovesti do aglomeracije čestica, smanjujući ukupne piezoelektrične performanse.
Parametri obrade SLS 3D štampe, kao što su snaga lasera, brzina skeniranja i debljina sloja, takođe mogu uticati na piezoelektrični koeficijent. Ovi parametri utiču na vezu između polimera i punila, kao i na unutrašnju strukturu štampanog dela. Na primjer, previsoka snaga lasera može uzrokovati termičku degradaciju polimera ili oštećenje piezoelektričnih čestica, negativno utječući na piezoelektrična svojstva.
Mjerenje piezoelektričnog koeficijenta
Merenje piezoelektričnog koeficijenta SLS 3D štampanih delova zahteva specijalizovanu opremu i tehnike. Jedna uobičajena metoda je d33 metar, koji mjeri koeficijent piezoelektričnog naboja (d_{33}). Ovaj koeficijent predstavlja količinu generiranog električnog naboja po jedinici primijenjene sile duž smjera polarizacije.
Za mjerenje (d_{33}), štampani dio se prvo priprema poliranjem njegovih površina kako bi se osigurao dobar kontakt sa elektrodama d33 metra. Dio se zatim postavlja između elektroda i primjenjuje se mala mehanička sila. Mjeri se generirani električni naboj, a vrijednost (d_{33}) se izračunava na osnovu poznate sile i izmjerenog naboja.
Drugi pristup je korištenje dinamičke metode, kao što je laserski dopler vibrometar. Ova metoda mjeri mehaničku reakciju dijela kada se primjenjuje naizmjenično električno polje. Analizom amplitude i faze vibracije može se odrediti piezoelektrični koeficijent.
Primjena piezoelektričnih SLS 3D štampanih dijelova
Piezoelektrični SLS 3D štampani dijelovi imaju potencijal da se koriste u raznim aplikacijama. U području senzora, mogu se koristiti za detekciju mehaničkih vibracija, promjena tlaka ili ultrazvučnih valova. Na primjer, piezoelektrični SLS 3D printani senzor može se koristiti u automobilskim motorima za praćenje nivoa vibracija i otkrivanje ranih znakova problema s motorom.
U medicinskom polju, piezoelektrični SLS 3D štampani dijelovi mogu se koristiti u ultrazvučnim uređajima za snimanje. Mogućnost kreiranja dijelova prilagođenog oblika pomoću SLS 3D printanja omogućava dizajn efikasnijih ultrazvučnih pretvarača koji su naklonjeniji pacijentu.
Sakupljanje energije je još jedna obećavajuća primjena. Piezoelektrični SLS 3D štampani dijelovi mogu pretvoriti mehaničku energiju iz ambijentalnih vibracija u električnu energiju, koja se može koristiti za napajanje malih elektroničkih uređaja, kao što su bežični senzori ili nosivi uređaji.
Izazovi i budući pravci
Uprkos potencijalu piezoelektričnih SLS 3D štampanih delova, postoji nekoliko izazova koje treba rešiti. Jedan od glavnih izazova je optimizacija piezoelektričnih svojstava. Kao što je ranije spomenuto, piezoelektrični koeficijent ovisi o mnogim faktorima, a pronalaženje optimalne kombinacije sastava materijala i parametara obrade je složen zadatak.
Drugi izazov je dugoročna stabilnost piezoelektričnih svojstava. Tokom vremena, odštampani delovi mogu doživeti promene u svojim mehaničkim i električnim svojstvima usled faktora okoline, kao što su temperatura, vlažnost i mehanički zamor. Osiguravanje dugoročne pouzdanosti piezoelektričnih SLS 3D štampanih dijelova je ključno za njihovu uspješnu primjenu u stvarnim scenarijima.
U budućnosti će se istraživanja vjerovatno fokusirati na razvoj novih materijala i metoda obrade kako bi se poboljšale piezoelektrične performanse SLS 3D štampanih dijelova. To može uključivati upotrebu novih piezoelektričnih punila s višim piezoelektričnim koeficijentima ili razvoj površinskih tretmana za poboljšanje disperzije punila.
Zaključak i poziv na akciju
Zaključno, dok većina standardnih SLS 3D štampanih dijelova nema značajna piezoelektrična svojstva, moguće je stvoriti piezoelektrične dijelove ugradnjom piezoelektričnih punila u polimernu matricu. Piezoelektrični koeficijent ovih dijelova ovisi o faktorima kao što su volumenski udio punila, disperzija i parametri obrade.
Ako ste zainteresovani da istražite potencijal piezoelektričnih SLS 3D štampanih delova za vašu specifičnu primenu, pozivamo vas da nas kontaktirate za detaljnu diskusiju. Naš tim stručnjaka može vam pružiti više informacija o materijalima, procesima i performansama naših SLS 3D štampanih dijelova. Posvećeni smo radu s vama na razvoju inovativnih rješenja koja zadovoljavaju vaše potrebe.
Reference
- Ikeda, T. (1990). Osnove piezoelektričnosti. Oxford University Press.
- Gibson, I., Rosen, DW, & Stucker, B. (2015). Tehnologije aditivne proizvodnje: 3D štampanje, brza izrada prototipa i direktna digitalna proizvodnja. Springer.
