Аддитивные опорные структуры:почему они важны и как их проектировать – основное руководство

Опубликовано 5 апреля 2022 г.

Аддитивное производство открыло новую эру производственных возможностей. Технология 3D-печати позволяет нам создавать ранее «неизготовляемые» детали сложных размеров и углов с беспрецедентной скоростью и точностью. Однако характер процесса аддитивного производства, в котором материал добавляется слой за слоем, часто означает, что деталям требуется поддержка для управления внутренним давлением – по сути, силой гравитации – во время печати. Без этой поддержки аддитивные слои не смогут удерживаться окружающим их материалом и разрушаться, что приведет к сбою печати. Чтобы решить эту проблему, нам иногда приходится проектировать опорные конструкции в наших 3D-печатных деталях.

Чтобы максимально использовать потенциал вашей 3D-печатной детали с точки зрения скорости, качества и стоимости, важно понимать структуры поддержки и то, как их следует интегрировать в ваш проект аддитивного производства.

Что такое опорные структуры в 3D-печати?

Опорные конструкции удерживают элементы 3D-печатной детали, которые не имеют поддерживающего материала во время производства. Не все процессы 3D-печати требуют вспомогательных структур:в то время как процессы Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) и стереолитографии (SLA) часто требуют поддержки, HP Multi Jet Fusion, представляющий собой процесс печати в порошковом слое, не требует.

Например, в процессе аддитивного производства Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM) слои нагретого экструдированного материала формируются из печатной платформы за счет адгезии к слоям материала под ними и могут нависать над этими нижними слоями, создавая наклонную поверхность. Когда этот угол превышает 45°, нависающий элемент обычно требует поддержки, иначе вес неподдерживаемого материала приведет к разрушению элемента и сбою печати.

Если требуются опоры, они должны быть интегрированы в конструкцию детали и напечатаны на ней при ее изготовлении. Конечно, это означает необходимость учета дополнительного времени и материалов, которые потребуются в процессе 3D-печати и последующего удаления опорных конструкций.

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

Какие типы структур поддержки доступны?

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

• Поддержка дерева:  Опоры деревьев, напоминающие ветви или стволы, могут охватывать часть и аккуратно прилегать к наклонным поверхностям для облегчения снятия. Опоры для деревьев можно быстро спроектировать, применить и протестировать в рамках проекта 3D-печати, что обеспечивает быструю итерацию. Их разветвленная структура означает, что они могут работать на расстоянии, оказывая поддержку определенным областям.
• Опоры ограждения:  Опоры ограждения, напоминающие стены и имеющие различные точки крепления, печатаются перпендикулярно поверхности детали, часто имеют решетчатую структуру. Опоры для забора более долговечны, их легче снять, чем опоры для деревьев, и, как правило, они являются лучшим выбором для косметических изделий или крупносерийного производства.

Когда следует использовать структуры поддержки аддитивного производства?

«Правило 45°» предполагает, что для напечатанных на 3D-принтере свесов 45° и более потребуется поддержка, а для свесов менее 45° — нет.

Однако правило 45° следует считать общим эмпирическим правилом, и необходимость в опорных конструкциях будет варьироваться в зависимости от сложности конструкции детали и используемого материала. В некоторых случаях перемычка может стать альтернативой опорным конструкциям:перемычка — это метод, при котором нагретый аддитивный материал растягивается на небольшое расстояние (обычно менее 5 мм) без ущерба для целостности детали.

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

• Буква Y:  Два плеча отходят от буквы Y под углом 45° – угол их свеса не требует наличия опорных конструкций. Чем дальше угол свеса превышает 45°, тем больше вероятность того, что потребуются опорные конструкции.
• Буква H:  Если два вертикальных элемента буквы H находятся на расстоянии не более 5 мм друг от друга, возможно, на 3D-принтере можно будет напечатать горизонтальный элемент буквы H с перемычкой. Если расстояние между вертикальными элементами превышает 5 мм, для горизонтального элемента могут потребоваться опорные конструкции.
• Буква Т:  Два плеча буквы Т выходят из вертикального элемента под углом 90° и потребуют опорных конструкций.

Помимо угла свеса, на необходимость использования опорных конструкций 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 вспомогательных конструкциях.

Структуры поддержки:проблемы производства

Опорные 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 производятся в результате проекта. Также следует соблюдать осторожность при удалении опорных конструкций, поскольку при отсоединении они могут повредить или оставить следы на готовой детали.

Учитывая эти факторы, детали, напечатанные на 3D-принтере, в идеале должны проектироваться так, чтобы свести к минимуму или исключить необходимость в опорных конструкциях, и, где это возможно, следует применять принципы проектирования для аддитивного производства (DFAM), чтобы оптимизировать детали по качеству, стоимости и времени производства. Следующие стратегии могут помочь снизить потребность в структурах поддержки:

Ориентация:  Ориентация деталей на печатной платформе может повлиять на необходимость использования опорных конструкций. Например, выступы можно устранить, повернув деталь назад или на бок. В приведенных выше примерах расположение букв Y, H и T трехмерной модели на обратной стороне полностью исключит любые нависающие элементы, а также необходимость в опорных конструкциях или мостах.

Геометрия детали:  По возможности удалите свесы из вашей конструкции или уменьшите их угол до менее 45°. Очевидно, что функциональные требования могут сделать невозможным полное устранение выступов, но вы можете ввести альтернативные элементы конструкции, такие как фаски, косынки и радиусы, чтобы сделать геометрию детали более самонесущей.

Разделение частей:  Технология 3D-печати позволяет производить сложные отдельные детали, но если объем поддержки, необходимой этим деталям, снижает их качество или экономическую эффективность, возможно, стоит разделить деталь на более мелкие компоненты, которые можно будет собрать позже. Например, сферические детали требуют значительной 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 потребуется 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 структура подложки, тем труднее будет удалить отпечаток.

Растворимые опоры:  Некоторые технологии 3D-печати могут позволять печатать опорные структуры в отдельном растворимом материале через вторичное сопло печати. Эти опорные конструкции можно погружать в воду или химикаты, после печати и растворять, чтобы оставить неповрежденную 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

Структуры поддержки будут продолжать играть важную роль в большинстве проектов аддитивного производства.

Хотя цель всегда состоит в том, чтобы уменьшить или устранить необходимость 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 по аддитивному производству, свяжитесь с командой SyBridge сегодня.