Като водещ доставчик на услуги за SLS 3D печат, често срещам запитвания относно техническите свойства на частите, които произвеждаме. Един такъв често срещан въпрос е относно пиезоелектричния коефициент на части, направени с помощта на нашата услуга за 3D печат SLS. В този блог ще проучим какво е пиезоелектричество, дали SLS 3D отпечатаните части могат да проявяват пиезоелектрични свойства и ако да, какви могат да бъдат техните пиезоелектрични коефициенти.
Разбиране на пиезоелектричеството
Пиезоелектричеството е явление, при което определени материали генерират електрически заряд в отговор на приложено механично напрежение и обратно, изпитват механична деформация, когато се приложи електрическо поле. Това уникално свойство е намерило широк спектър от приложения, от сензори и задвижващи механизми до ултразвукови устройства и системи за събиране на енергия.
Пиезоелектричният ефект обикновено се наблюдава в кристални материали с нецентро симетрична кристална структура. Примери за добре известни пиезоелектрични материали включват кварц, оловен цирконат титанат (PZT) и поливинилиден флуорид (PVDF). Пиезоелектричният коефициент, обикновено означаван като (d), определя количествено връзката между механичното напрежение и генерирания електрически заряд или връзката между приложеното електрическо поле и полученото механично напрежение.
SLS 3D печат: Общ преглед
Селективното лазерно синтероване (SLS) е базирана на прах 3D печатна технология, която използва високомощен лазер за селективно сливане на прахообразни материали слой по слой за създаване на триизмерни обекти. В нашата услуга за 3D печат SLS работим с различни материали, като найлон и други полимери.
Найлонов SLS печате едно от най-популярните ни предложения. Найлонът е известен със своите отлични механични свойства, включително висока якост, издръжливост и химическа устойчивост.SLS 3D печат PA части, където PA означава полиамид (вид найлон), се използват широко в автомобилната, космическата индустрия и индустрията за потребителски продукти.Персонализиран SLS 3D печатпозволява на нашите клиенти да създават части със сложни геометрии, които са трудни или невъзможни за производство с помощта на традиционни производствени методи.
Пиезоелектричество в SLS 3D отпечатани части
Повечето полимери, които обикновено се използват в SLS 3D печата, като найлон, по своята същност не притежават силни пиезоелектрични свойства. Найлонът е полукристален полимер с относително симетрична молекулярна структура, която не поддържа пиезоелектричния ефект. Има обаче начини за въвеждане на пиезоелектричество в SLS 3D отпечатани части.
Един подход е да се включат пиезоелектрични пълнители в полимерния прах, използван в SLS 3D печат. Например PZT частици могат да бъдат смесени с найлонов прах. По време на SLS процеса лазерът стопява праховата смес, вграждайки пиезоелектричните частици в полимерната матрица. Полученият композитен материал може да проявява пиезоелектрично поведение.
Пиезоелектричният коефициент на SLS 3D отпечатани части, направени с пиезоелектрични пълнители, зависи от няколко фактора. Обемната част на пиезоелектричния пълнител е определящ фактор. По-високата обемна фракция на пиезоелектричния материал обикновено води до по-висок пиезоелектричен коефициент, тъй като има повече активни пиезоелектрични частици, които генерират или реагират на електрически заряди.
Важна роля играе и дисперсията на пиезоелектричния пълнител в полимерната матрица. Ако пиезоелектричните частици са добре диспергирани, те могат да взаимодействат по-ефективно с приложеното механично напрежение или електрическо поле, което води до по-ефективен пиезоелектричен отговор. Въпреки това, лошата дисперсия може да доведе до агломерация на частиците, намалявайки общата пиезоелектрична производителност.
Параметрите на обработка на SLS 3D печат, като лазерна мощност, скорост на сканиране и дебелина на слоя, също могат да повлияят на пиезоелектричния коефициент. Тези параметри влияят върху свързването между полимера и пълнителя, както и върху вътрешната структура на отпечатаната част. Например, твърде висока мощност на лазера може да причини термично разграждане на полимера или повреда на пиезоелектричните частици, което се отразява отрицателно на пиезоелектричните свойства.
Измерване на пиезоелектричния коефициент
Измерването на пиезоелектричния коефициент на SLS 3D отпечатани части изисква специализирано оборудване и техники. Един често срещан метод е измервателният уред d33, който измерва коефициента на пиезоелектричния заряд (d_{33}). Този коефициент представлява количеството електрически заряд, генериран за единица приложена сила по посока на поляризацията.
За измерване (d_{33}) отпечатаната част първо се подготвя чрез полиране на нейните повърхности, за да се осигури добър контакт с електродите на измервателния уред d33. След това частта се поставя между електродите и се прилага малка механична сила. Генерираният електрически заряд се измерва и стойността (d_{33}) се изчислява въз основа на известната сила и измерения заряд.
Друг подход е използването на динамичен метод, като лазерния доплеров виброметър. Този метод измерва механичната реакция на частта, когато се прилага променливо електрическо поле. Чрез анализиране на амплитудата и фазата на вибрациите може да се определи пиезоелектричният коефициент.
Приложения на пиезоелектрични SLS 3D печатни части
Пиезоелектричните SLS 3D отпечатани части имат потенциала да бъдат използвани в различни приложения. В областта на сензорите те могат да се използват за откриване на механични вибрации, промени в налягането или ултразвукови вълни. Например, пиезоелектричен SLS 3D отпечатан сензор може да се използва в автомобилни двигатели за наблюдение на нивата на вибрации и откриване на ранни признаци на проблеми с двигателя.
В областта на медицината пиезоелектричните SLS 3D отпечатани части могат да се използват в устройства за ултразвукови изображения. Възможността за създаване на детайли с индивидуална форма с помощта на SLS 3D печат дава възможност за проектиране на по-ефективни и лесни за пациента ултразвукови трансдюсери.
Събирането на енергия е друго обещаващо приложение. Пиезоелектричните SLS 3D отпечатани части могат да преобразуват механичната енергия от околните вибрации в електрическа енергия, която може да се използва за захранване на малки електронни устройства, като безжични сензори или носими устройства.
Предизвикателства и бъдещи насоки
Въпреки потенциала на пиезоелектричните SLS 3D отпечатани части, има няколко предизвикателства, които трябва да бъдат адресирани. Едно от основните предизвикателства е оптимизирането на пиезоелектричните свойства. Както бе споменато по-рано, пиезоелектричният коефициент зависи от много фактори и намирането на оптималната комбинация от състав на материала и параметри на обработка е сложна задача.
Друго предизвикателство е дългосрочната стабилност на пиезоелектричните свойства. С течение на времето отпечатаните части могат да претърпят промени в своите механични и електрически свойства поради фактори на околната среда, като температура, влажност и механична умора. Осигуряването на дългосрочна надеждност на пиезоелектрични SLS 3D отпечатани части е от решаващо значение за успешното им приложение в реални сценарии.
В бъдеще изследванията вероятно ще се съсредоточат върху разработването на нови материали и методи за обработка за подобряване на пиезоелектричните характеристики на SLS 3D отпечатаните части. Това може да включва използването на нови пиезоелектрични пълнители с по-високи пиезоелектрични коефициенти или разработване на повърхностни обработки за подобряване на дисперсията на пълнителите.
Заключение и призив за действие
В заключение, докато повечето стандартни SLS 3D отпечатани части нямат значителни пиезоелектрични свойства, е възможно да се създадат пиезоелектрични части чрез включване на пиезоелектрични пълнители в полимерната матрица. Пиезоелектричният коефициент на тези части зависи от фактори като обемна фракция на пълнителя, дисперсия и параметри на обработка.
Ако се интересувате от проучване на потенциала на пиезоелектричните SLS 3D отпечатани части за вашето конкретно приложение, ви каним да се свържете с нас за подробна дискусия. Нашият екип от експерти може да ви предостави повече информация за материалите, процесите и производителността на нашите SLS 3D отпечатани части. Ние се ангажираме да работим с вас за разработване на иновативни решения, които отговарят на вашите нужди.
Референции
- Икеда, Т. (1990). Основи на пиезоелектричеството. Oxford University Press.
- Gibson, I., Rosen, DW, & Stucker, B. (2015). Технологии за адитивно производство: 3D печат, бързо прототипиране и директно дигитално производство. Спрингър.
