Вспомогательные конструкции аддитивного производства:почему они важны и как их спроектировать

Аддитивное производство открыло новую эру производственных возможностей. Технология 3D-печати позволяет нам создавать ранее «неизготовимые» детали со сложными размерами и углами с беспрецедентной скоростью и точностью. Однако природа процесса аддитивного производства, в котором материал добавляется слой за слоем, часто означает, что деталям требуется поддержка для управления внутренним давлением — по сути, силой тяжести — во время печати. Без этой поддержки аддитивные слои не могут удерживаться окружающим их материалом и разрушаться, что приводит к сбою печати. Чтобы решить эту проблему, иногда нам приходится проектировать опорные конструкции для наших 3D-печатных деталей.

Чтобы максимально использовать потенциал напечатанной на 3D-принтере детали с точки зрения скорости, качества и стоимости, важно понимать опорные конструкции и то, как их следует интегрировать в ваш проект аддитивного производства.

Что такое опорные конструкции в 3D-печати?

Опорные конструкции удерживают элементы напечатанной на 3D-принтере детали, которые не имеют поддерживающего материала во время производства. Не всем процессам 3D-печати требуются опорные конструкции:в то время как для процессов Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) и Stereolithography (SLA) часто требуются опоры, HP Multi Jet Fusion представляет собой процесс печати в порошковом слое. , нет.

Например, в процессе аддитивного производства Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM) слои нагретого экструдированного материала создаются из печатной платформы путем приклеивания к слоям материала под ними и могут выступать над этими нижними слоями, создавая наклонную поверхность. Когда этот угол превышает 45°, нависающему элементу обычно требуется поддержка, иначе вес неподдерживаемого материала приведет к разрушению элемента и сбою печати.

Там, где требуются опоры, они должны быть интегрированы в конструкцию детали и напечатаны на детали при ее изготовлении. Конечно, это означает учет дополнительного времени и материалов, которые потребуются в процессе 3D-печати и последующем удалении поддерживающих конструкций.

Исключения: Не все методы аддитивного производства требуют опорных конструкций. В то время как технологии 3D-печати, такие как моделирование методом наплавления (FDM), печатают детали путем добавления слоев материала на печатную платформу, другие, такие как HP Multi Jet Fusion (MJF), печатают детали из порошковой кровати. Поскольку слои порошка являются самонесущими, в конструкциях деталей HP MJF нет необходимости включать опорные конструкции.

Какие типы опорных структур доступны?

Опорные конструкции для напечатанных на 3D-принтере деталей различаются по дизайну и типу, но в целом их можно разделить на две категории:«деревья» и «заборы».

• Дерево поддерживает: Напоминая ветки или стволы, опоры для деревьев могут охватывать часть и аккуратно прилегать к наклонным поверхностям для простоты удаления. Опоры деревьев можно быстро спроектировать, применить и протестировать в рамках проекта 3D-печати, что обеспечивает быструю итерацию. Их ветвистая структура означает, что они могут простираться на большие расстояния для поддержки определенных областей.

• Опоры ограждения: Напоминающие стены и с различными точками крепления опоры забора печатаются перпендикулярно поверхности детали, часто с решетчатой ​​структурой. Опоры для забора более долговечны и их легче демонтировать, чем опоры для деревьев, и, как правило, они лучше подходят для декоративных элементов или крупносерийного производства.

Когда следует использовать вспомогательные конструкции для аддитивного производства?

«Правило 45°» предполагает, что выступы 3D-печати под углом 45° и более потребуют поддержки, а менее 45° — нет.

Однако правило 45° следует рассматривать как общее эмпирическое правило, и потребность в опорных конструкциях будет варьироваться в зависимости от сложности конструкции детали и используемого материала. В некоторых случаях шунтирование может стать альтернативой опорным конструкциям:шунтирование — это метод, при котором нагретый добавочный материал растягивается на небольшое расстояние (обычно менее 5 мм) без нарушения целостности детали.

Принцип «YHT». Буквы Y, H и T, задуманные как 3D-печатные модели, стоящие вертикально, полезны для иллюстрации необходимости вспомогательных структур аддитивного производства.

• Буква Y: Два плеча отходят от буквы Y под углом 45° — угол их свеса не требует опорных конструкций. Чем дальше угол свеса превышает 45 °, тем больше вероятность того, что потребуются опорные конструкции.

• Буква Н: Если два вертикальных элемента буквы H находятся в пределах 5 мм друг от друга, возможно, можно будет напечатать горизонтальный элемент буквы H с мостом на 3D-принтере. Если расстояние между вертикальными элементами превышает 5 мм, для горизонтального элемента могут потребоваться опорные конструкции.

• Буква Т: Две стороны буквы Т отходят от вертикального элемента под углом 90 °, и для них потребуются опорные конструкции.

Помимо угла свеса, на потребность в опорных конструкциях могут влиять и другие факторы. К ним относятся качество 3D-принтера и скорость, с которой он печатает:например, более медленные принтеры могут увеличить потребность в опорных конструкциях.

Вспомогательные конструкции:проблемы производства

Вспомогательные конструкции необходимы во многих аддитивных сборках, но важно помнить, что они могут существенно повлиять на стоимость детали при серийном производстве, не говоря уже о количестве отходов, которые в конечном итоге производит проект. Также следует соблюдать осторожность при удалении опорных конструкций, так как они могут повредить или оставить следы на готовой детали при отсоединении.

С учетом этих факторов 3D-печатные детали в идеале должны проектироваться так, чтобы свести к минимуму или исключить потребность в опорных конструкциях, и, по возможности, следует применять принципы проектирования для аддитивного производства (DFAM), чтобы оптимизировать детали с точки зрения качества, стоимости и производства. время. Следующие стратегии могут помочь уменьшить потребность во вспомогательных структурах:

Ориентация: Ориентация деталей на печатной платформе может повлиять на потребность в опорных конструкциях. Выступы, например, можно устранить, повернув деталь на заднюю или бок. В приведенных выше примерах размещение каждой из трехмерных букв Y, H и T на обратной стороне полностью устранит любые выступающие элементы, а также необходимость в опорных конструкциях или мостах.

Геометрия детали: Там, где это возможно, удалите выступы из вашего проекта или уменьшите их угол до менее 45°. Очевидно, что функциональные требования могут сделать полное устранение выступов невозможным, но вы можете ввести альтернативные элементы конструкции, такие как фаски, косынки и радиусы, чтобы сделать геометрию детали более самостоятельной.

Разделение частей: Технология 3D-печати позволяет производить сложные отдельные детали, но если объем поддержки, в которой нуждаются эти детали, снижает их качество или экономическую эффективность, возможно, стоит разделить деталь на более мелкие компоненты, которые можно будет собрать позже. Сферические детали, например, требуют существенной поддержки, но, разделив их пополам и создав большую плоскую поверхность, можно полностью исключить необходимость в опорах.

Плотность поддержки: Давление, оказываемое на опорные конструкции, будет определять, насколько прочными они должны быть и сколько материала требуется для их печати. Чтобы обеспечить успешную и экономичную печать, убедитесь, что ваши опорные конструкции достаточно плотные, чтобы выдержать размер нависающего элемента. Имейте в виду, что чем плотнее опорная структура, тем труднее удалить постпринт.

Растворимые опоры: Некоторые технологии 3D-печати могут печатать опорные конструкции из отдельного растворимого материала через вторичное сопло для печати. Эти поддерживающие конструкции можно погружать в воду или химические вещества, после печати и растворять, чтобы оставить нетронутой часть. Растворимые опоры снижают вероятность повреждения готовой детали в процессе удаления опорной конструкции. Большинство аддитивных материалов FDM имеют растворимые подложки, а материалы DLS и SLA — нет. Процесс HP MJF вообще не требует поддержки.

Начало работы

Вспомогательные конструкции будут продолжать играть неотъемлемую роль в большинстве проектов аддитивного производства.

В то время как цель всегда состоит в том, чтобы уменьшить или устранить потребность в опорных конструкциях, наши инженеры стремятся оптимизировать вашу деталь с точки зрения функциональности и стоимости. Если вы хотите узнать больше о том, как мы можем реализовать ваш проект аддитивного производства, свяжитесь с командой Fast Radius сегодня.

Готовы создавать детали с помощью Fast Radius?

Начать цитату