Структуры поддержки 3D-печати:полное руководство

Опорные конструкции - один из самых важных элементов для успешного производства 3D-печатных деталей. Хотя ключевым преимуществом 3D-печати является ее способность создавать произвольные и сложные геометрические формы, большая часть свободы дизайна, предлагаемой 3D-печатью, была бы невозможна без использования поддерживающих структур.

Опоры жизненно важны для предотвращения искажения и сжатия детали, а также для других целей. В этом руководстве мы глубоко погрузимся в мир структур поддержки, требования к различным технологиям и способы минимизировать их использование.

Что такое опорные структуры?

Используемые практически со всеми технологиями 3D-печати, опорные конструкции помогают обеспечить возможность печати детали в процессе 3D-печати. Опоры могут помочь предотвратить деформацию детали, закрепить деталь на печатной платформе и гарантировать, что детали прикреплены к основному корпусу печатаемой детали. Как и строительные леса, опоры используются в процессе печати, а затем удаляются.

Детали со сложными конструктивными особенностями, такими как выступы, отверстия и перемычки, труднее печатать. Поскольку эти элементы могут разрушиться, если они не поддерживаются, опорные конструкции могут помочь предотвратить разрушение во время процесса печати.

Опоры также могут работать как рассеиватели тепла в процессах, связанных с высокими температурами, как в случае с металлической 3D-печатью. При использовании металлических технологий AM опорные конструкции помогают отводить тепло от детали, предотвращая остаточные напряжения, возникающие из-за высоких температур, возникающих во время процесса печати.

Когда вам нужны опорные структуры?

Практически все технологии 3D-печати в той или иной степени потребуют от вас рассмотрения опорных конструкций. Итак, давайте подробнее рассмотрим, чем методы 3D-печати отличаются использованием опор:

Технология Используемый материал Требуется поддержка? Стереолитография (SLA) Фотополимеры Да Моделирование наплавленного осаждения (FDM) Термопласты Да Селективное лазерное плавление (SLM)
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
Прямое нанесение энергии (DED)
Электронно-лучевое плавление (EBM)
Металлические материалы
Да Струйная обработка материаловПорошковые материалы Да Струя связующегоПорошковые материалы Нет Селективное лазерное спекание (SLS) Порошковые материалы Нет

3D-печать на металле

Powder Bed Fusion (SLM, DMLS, EBM)

Благодаря технологии сплавления в металлическом порошковом слое детали, напечатанные на 3D-принтере, окружены рассыпчатым порошком. Однако для этих технологий всегда требуются опоры, чтобы гарантировать их крепление к опорной плите и смягчить эффекты, вызванные остаточными напряжениями.

Опоры могут быть добавлены к области контакта между нижней частью отпечатанного часть и платформа для печати, где находится самая высокая концентрация остаточного напряжения. Это помогает отводить тепло от детали, тем самым сводя к минимуму тепловую деформацию, которая может привести к растрескиванию, деформации, провисанию, расслоению и усадке.

Взгляните на наше руководство по общие проблемы, с которыми сталкиваются при 3D-печати металлом чтобы узнать, как избежать этих проблем.

Прямое выделение энергии (DED)

Direct Energy Deposition охватывает серию технологий 3D-печати металлом, которые работают путем плавления и сплавления материала для создания детали. Подобно технологиям наплавки в порошковой подложке, детали, напечатанные с использованием DED, всегда будут требовать поддерживающих структур для обеспечения стабильности деталей, возможности печати сложных элементов и для рассеивания тепла.

Дизайн

При проектировании опор для деталей, изготовленных методом наплавки в порошковом слое, важно обеспечить легкий доступ к ним, иначе их нельзя будет удалить на этапе постобработки. Опоры для металлических деталей обычно печатают в виде решетчатых конструкций. Таким образом, они действуют как теплоотвод, отводя тепло от детали, позволяя ей охлаждаться более контролируемым образом и избегая деформации, а также сокращая затраты на материалы и время сборки.

Добавление дополнительных опор обычно приводит к более точной детали, но это также увеличивает затраты и увеличивает время постобработки.

Интересно, что голландская компания MX3D создала инструмент для 3D-печати по металлу, который может печатать металлические детали без опор, объединив многоосный роботизированный манипулятор со сварочным аппаратом.

Поддержка удаления

Удаление опоры для металлических деталей обычно сложнее, чем при использовании процессов на основе полимеров, и обычно требуются режущие инструменты. Кроме того, если внешний вид готовой детали важен, металлические детали также потребуют дополнительной обработки (например, шлифовки) для получения гладкой поверхности.

Стереолитография (SLA)

Стереолитография работает с использованием источника света для отверждения жидких смол. Для этой технологии требуются опорные конструкции, чтобы надежно прикрепить деталь к печатной платформе и предотвратить деформацию.

Опоры, используемые в SLA, очень тонкие и для экономии материала лишь слегка касаются детали. Это означает, что их довольно легко удалить вручную, вручную или с помощью плоскогубцев. Однако, поскольку удаление опор может оставить следы на готовой детали, потребуется шлифовка, чтобы обеспечить гладкую поверхность.

Дизайн

SLA очень часто используется для приложений, где требуется внешний вид или гладкая поверхность, например, для визуальных прототипов, форм и слуховых аппаратов. В этом случае важно спроектировать деталь таким образом, чтобы обращенные вперед области отпечатка не соприкасались с опорными конструкциями. Вот здесь-то и появляется ориентация детали.

Ориентация детали является важным фактором на этапе проектирования, поскольку изменение ориентации детали может помочь уменьшить количество необходимой поддержки. Например, горизонтальная ориентация трубчатой ​​детали займет больше места и, следовательно, потребует больше опор. Напротив, вертикальная ориентация той же детали гарантирует, что деталь будет прикреплена к рабочей пластине с минимально необходимыми опорами.

Моделирование наплавленного осаждения (FDM)

С помощью моделирования наплавкой детали создаются путем экструзии нагретой нити слой за слоем. По мере охлаждения каждый слой затвердевает, соединяясь с предыдущим слоем.

Дизайн

Каждый слой в процессе FDM печатается с небольшим выступом, так что он может расширяться за пределы своей ширины предыдущего слоя. Это означает, что элементы с углами до 45 ° можно создавать без опор. Однако, если деталь FDM имеет вылет более 45 ° или включает такие элементы, как перемычки и выступающие поверхности более 5 мм, потребуются опоры. Опоры FDM могут иметь форму решетки или, альтернативно, древовидной структуры.

Поддержка удаления

Одним из способов удаления опор с отпечатков FDM является растворяющийся раствор . Как правило, в промышленных 3D-принтерах FDM (с двумя печатающими головками) используются растворимые материалы поддержки, такие как поливиниловый спирт (PVA) и ударопрочный полистирол (HIPS). Они добавляются с помощью отдельного экструдера.

Хотя ПВА растворяется в воде, на него могут влиять изменения температуры, что может привести к засорению головки принтера. HIPS растворяется в лимонене вместо воды и менее подвержен перепадам температуры.

Использование растворимых опор позволяет освободить руки и не требует дальнейшей шлифовки и полировки для удаления следов, оставленных опорами. С другой стороны, этот процесс может занять много времени (несколько часов) и быть дорогостоящим.

Обработка материалов

При использовании 3D-принтеров Material Jetting всегда требуются опоры для выступов, независимо от угла. Однако эти опоры обычно изготавливаются из другого материала, который либо водорастворим, либо может быть легко удален впоследствии водой под давлением или погружением в ультразвуковую ванну.

Выборочное лазерное спекание и струйная печать связующего

Селективное лазерное спекание и струйная обработка связующим - это технологии на основе порошка, которые обычно не требуют каких-либо поддерживающих структур. Это связано с тем, что в обеих технологиях печатные детали заключены в рыхлый порошок, который играет роль опорной конструкции.

Обратная сторона опор

Несмотря на необходимость опорных конструкций, они увеличивают время печати и затраты на материалы в общий производственный процесс.

Материальные затраты :Создание поддержки потребует дополнительных материалов в процессе печати, увеличивая как временные, так и материальные затраты. Также важно отметить, что опоры не подлежат повторному использованию и обычно утилизируются, что приводит к потере материала.

Ограниченная геометрическая свобода :при удалении опор вручную при проектировании опор необходимо учитывать доступ руки или инструмента. Это, однако, может ограничить вас в проектировании определенных геометрических фигур, которые потребуют опорных конструкций, но не могут быть достигнуты вручную или с помощью инструмента.

Дополнительное время :проектирование детали для размещения опорных конструкций и последующее проектирование самих опор требует дополнительного времени. Хотя есть программное обеспечение, предлагающее автоматическое создание поддержки, создание структур поддержки для промышленных приложений все равно потребует некоторой ручной корректировки и определенного уровня знаний в области проектирования.

Дополнительная постобработка :После того, как деталь будет завершена, необходимо будет удалить опоры, иногда вручную, что увеличивает время, необходимое для постобработки.

Риск повреждения :Помните, что снятие опор может оставить следы на поверхности детали, которые могут повлиять на точность размеров и внешний вид. Кроме того, если опоры размещены неправильно, например, на мелких элементах, они могут сломаться вместе с опорной конструкцией, что приведет к полному разрушению детали.

4 способа уменьшить опоры

Обычно рекомендуется максимально сократить количество необходимых опор. Это поможет сэкономить как на материальных затратах, так и на времени производства. Вот 4 главных совета о том, как свести к минимуму их использование, сэкономив время и материалы на печать.

1. Выберите оптимальную ориентацию детали

На сегодняшний день эксперименты с ориентацией деталей - один из лучших способов уменьшить количество необходимых опорных конструкций. Выбор правильной ориентации детали может существенно повлиять на время печати, затраты и шероховатость поверхности детали.

В зависимости от ориентации детали (вертикальной, горизонтальной или угловой) поддержки может быть меньше или больше. структуры необходимы. Рассмотрим деталь, напечатанную в форме буквы T . . В обычном положении обе ветви буквы обрушатся без установленных поддерживающих структур. Если деталь ориентирована иначе, т. Е. ⊥ , то подставки не потребуются.

Этот пример демонстрирует, что деталь можно построить по-разному. Каждая сторона детали может иметь различную поверхность, прикрепленную к платформе для печати, а это означает, что потребность в опорах может варьироваться и сильно зависеть от ориентации детали.

Другой пример:при проектировании детали с полыми трубчатыми элементами горизонтальная ориентация займет больше места, а вертикальная или угловая ориентация сэкономит место и уменьшит количество необходимых опор.

2. Оптимизируйте свои структуры поддержки

Когда нельзя избежать опор, их следует оптимизировать, чтобы использовать как можно меньше материала и ускорить процесс печати. Например, оптимизация топологии может использоваться для проектирования опор с решетчатыми структурами, уменьшения объема опор и экономии материала.

Во многих процессах 3D-печати обычно используемые методы создания опор ограничиваются созданием строго вертикальных структур. Они не занимают много места, особенно когда есть много областей, которые должны поддерживаться высоко над платформой для печати.

Вместо этого создание древовидных опорных структур может быть жизнеспособной альтернативой. Такие опоры выглядят как ветвящееся дерево и, возможно, потребляют на 75% меньше материала по сравнению с прямыми вертикальными конструкциями. Autodesk Meshmixer - один из программных инструментов, который можно использовать для создания таких структур для процессов FDM, SLA и DMLS.

3. Используйте скругления и фаски

Использование скруглений и фасок может быть альтернативным решением для создания опорных конструкций для выступающих поверхностей под углом более 45 градусов.

Фаска - это скошенный или наклонный угол или кромка, а скругление - это скругленный угол или кромка. По сути, эти элементы превращают угол, превышающий 45 градусов, в угол, который составляет 45 градусов или меньше, и могут быть добавлены либо к внутренней, либо к внешней части детали.

4. Разделите свою часть

Для очень сложных 3D-моделей часто имеет смысл распечатать деталь отдельно, а затем собрать их вместе. Это не только уменьшит количество опор, но и ускорит процесс печати, сэкономив при этом материал.

Однако имейте в виду, что если детали, напечатанные на 3D-принтере, нужно собрать, их нужно распечатать в в том же направлении, чтобы они подходили друг другу.

Поддержка 3D-печати:неизбежное зло?

Опорные конструкции долгое время считались неизбежным злом в 3D-печати. Однако последние достижения в области аппаратного и программного обеспечения постепенно меняют это восприятие.

Например, производитель металлических 3D-принтеров Desktop Metal недавно разработал и запатентовал «съемные опоры» для своих Studio и Production Systems. Эти опоры для металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере, можно снять вручную. В раздельных опорах Desktop Metal используется керамический порошок в качестве промежуточного слоя между поверхностью детали и опорной структурой. После процесса спекания керамический слой растворяется, поэтому опору можно легко снять с детали.

Еще одна компания, стремящаяся упростить и ускорить этап удаления поддержки для деталей, напечатанных на 3D-принтере, - это PostProcess Technologies. Компания предлагает ряд автоматизированных решений для снятия опор без помощи рук для деталей, произведенных аддитивно по технологиям FDM, SLA, PolyJet и CLIP.

Однако одна компания пошла еще дальше. Velo3D, компания, создавшая систему Sapphire на основе порошка, снабдила свою систему технологией, которую она называет Intelligent Fusion, которая позволяет печатать сложные металлические детали с минимальными или нулевыми опорами. Используя запатентованное программное обеспечение для моделирования Velo3D и систему мониторинга с обратной связью, детали можно изготавливать с использованием до пяти раз меньшего количества необходимых опор по сравнению с другими металлическими системами с порошковым покрытием.

В целом оптимизация конструкции опоры и ее удаление являются ключевыми проблемами для ускорения и упрощения рабочих процессов 3D-печати. Но, как видно из приведенных выше примеров, отрасль постоянно разрабатывает решения для преодоления трудностей. Однако наряду с любой технологией для успешного внедрения потребуются более высокие навыки и ноу-хау. Надеюсь, это руководство расширило ваши знания о том, как более эффективно использовать опорные конструкции в 3D-печати, помогая превратить их из врага в союзника.