Поддерживающие структуры в аддитивном производстве: почему они важны и как их проектировать — основное руководство

Опубликовано 5 апреля 2022 года

Аддитивное производство ввело новую эру производственных возможностей. Технология 3D-печати позволяет создавать ранее «непроизводимые» детали, обладающие сложными измерениями и углами, с беспрецедентной скоростью и точностью. Однако природа аддитивного производственного процесса, в котором материал добавляется слой за слоем, часто означает, что детали требуют поддержки для управления внутренним давлением — по сути, силой гравитации — во время печати. Без этой поддержки аддитивные слои не могут быть удержаны материалом вокруг них и коллапсируют, вызывая провал печати. Для адресации этого вызова мы иногда должны проектировать поддерживающие структуры в наши 3D-печатные детали.

Для обеспечения того, чтобы вы максимизировали потенциал вашей 3D-печатной детали для скорости, качества и стоимости, важно понимать поддерживающие структуры и как они должны быть интегрированы в ваш аддитивный производственный проект.

Что такое поддерживающие структуры в 3D-печати?

Поддерживающие структуры удерживают элементы 3D-печатной детали, которые не имеют поддерживающего материала во время производства. Не все 3D-печатные процессы требуют поддерживающих структур: в то время как Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) и Стереолитография (SLA) часто требуют поддержки, HP Multi Jet Fusion — процесс печати из порошкового слоя — не требует.

В аддитивном производственном процессе Stratasys FDM, например, слои нагретого экструдированного материала строятся от стола печати адгезией к материальным слоям под ними и могут перевисать над теми нижними слоями для создания наклонной поверхности. Когда этот угол превышает 45°, перевисающий элемент обычно требует поддержки или вес неподдерживаемого материала вызовет коллапс элемента и провал печати.

Лево: Если перевис 45° или менее от вертикали, поддержки обычно не нужны
Право: Если перевис больше 45° от вертикали, поддержки обычно нужны

Где поддержки требуются, они должны быть интегрированы в дизайн детали и печататься в детали когда она производится. Конечно, это значит учет дополнительного времени и материала, который будет требуем в 3D-печатном процессе и последующем пост-процессном удалении поддерживающих структур.

Исключения: Не все аддитивные производственные методы требуют поддерживающих структур. Пока 3D-печатные технологии вроде FDM печатают детали добавлением слоев материала на стол печати, другие, вроде HP Multi Jet Fusion (MJF) печатают детали из порошкового слоя. Поскольку слои порошка само-поддерживающиеся, дизайны деталей HP MJF не нуждаются в включении поддерживающих структур.

Какие типы поддерживающих структур доступны?

Поддерживающие структуры для 3D-печатных деталей варьируются в дизайне и типе но могут быть широко организованы в две категории: «деревья» (trees) и «заборы» (fences).

• Деревья (Tree supports): Похожи на ветви или стволы, деревья-поддержки могут обрамлять деталь и точно подгоняться к наклонным поверхностям для легкого удаления. Деревья-поддержки могут быть спроектированы, применены и протестированы быстро как часть 3D-печатного проекта, позволяя быструю итерацию. Их ветвистая структура означает, что они могут вытягиваться на расстояния для поддержки специфических областей.
• Заборы (Fence supports): Похожи на стены, и с разными точками монтажа, заборы-поддержки печатаются перпендикулярно поверхности детали часто с решетчатой структурой. Заборы-поддержки более долговечны и легче удаляются чем деревья-поддержки, и обычно лучший выбор для косметических деталей или высокообъемного производства.

Когда я должен использовать аддитивные производственные поддерживающие структуры?

Правило «45°» предполагает, что 3D-печатные перевисы 45° и больше потребуют поддержки, в то время как те под 45° — нет.

Однако правило 45° должно рассматриваться как общее правило большого пальца и необходимость в поддерживающих структурах будет варьироваться в зависимости от сложности дизайна детали и используемого материала. В некоторых случаях мостики (bridging) могут предложить альтернативу поддерживающим структурам: мостик — техника, в которой нагретой аддитивный материал растягивается через короткое расстояние (обычно менее 5 мм) без компрометации целостности детали.

Принцип «YHT»: когда замышлены как 3D-печатные модели, стоящие вертикально, буквы Y, H и T полезны для иллюстрации необходимости аддитивных производственных поддерживающих структур.

• Буква Y: Две руки تمتد от буквы Y под 45° — угол их перевиса не нецесситирует поддерживающие структуры. Чем дальше угол перевиса превышает 45°, тем более вероятно, что поддерживающие структуры понадобятся.
• Буква H: Если два вертикальных элемента буквы H находятся в пределах 5 мм друг от друга, возможно 3D-печатать горизонтальный элемент H с мостиком. Если вертикальные элементы дальше 5 мм, горизонтальный элемент может требовать поддерживающие структуры.
• Буква T: Две руки буквы T расходятся от вертикального элемента под 90° и потребуют поддерживающие структуры.

За пределами угла перевиса, другие факторы могут влиять на необходимость поддерживающих структур. Включают качество 3D-принтера и скорость печати: более медленные принтеры, например, могут увеличивать потребность в поддерживающих структурах.

Поддерживающие структуры: производственные вызовы

Поддерживающие структуры — необходимость во многих аддитивных сборках но важно помнить, что они могут существенно влиять на стоимость детали в серийном производстве — не говоря уже о количестве отходного материала, который проект в конечном счете производит. Заботу также следует принимать при удалении поддерживающих структур, так как они могут повредить или пометить готовую деталь при отсоединении.

С этими факторами в уме, 3D-печатные детали идеально должны быть спроектированы для минимизации или устранения необходимости в поддерживающих структурах и, где возможно, принципы дизайна для аддитивного производства (DFAM) должны применяться для оптимизации деталей для качества, стоимости и производственного времени. Следующие стратегии могут помочь снизить потребность в поддерживающих структурах:

Ориентация: Ориентация деталей на столе печати может влиять на необходимость поддерживающих структур. Перевисы, например, могут быть устранены вращением детали на спину или бок. В примерах выше, кладя каждую из 3D-моделей букв Y, H, T на спину, полностью устранило бы любые перевисающие элементы вместе с необходимостью в поддерживающих структурах или мостиках.

Геометрия детали: Где возможно, удаляйте перевисы из дизайна — или снижайте их угол до менее 45°. Очевидно, функциональные требования могут сделать полное устранение перевисов невозможным но вы можете вводить альтернативные дизайн-элементы вроде фасок, гуссетов, радиусов для дела геометрии детали более само-поддерживающейся.

Разделение детали: 3D-печатная технология позволяет производство сложных одиночных деталей, но если количество поддержки, которое им нужно, снижает их качество или рентабельность, может стоить разбить деталь на более мелкие компоненты, которые могут быть собраны позже. Сферические детали, например, требуют существенной поддержки но разбив их пополам и создавая большую плоскую поверхность, возможно устранить необходимость в поддержках полностью.

Плотность поддержки: Давления, оказываемые на поддерживающие структуры, диктуют, насколько сильные они должны быть и сколько материала требуется для их печати. Для гарантии успешного и рентабельного печати, обеспечьте, что ваши поддерживающие структуры достаточно плотны для поддержки размера перевисающего элемента. Имейте в виду, что чем плотнее поддерживающая структура, тем труднее может быть её удаление пост-печат.

Растворимые поддержки: Некоторые 3D-печатные технологии могут печатать поддерживающие структуры в отдельном растворимом материале, через вторичную печатающую головку. Эти поддерживающие структуры могут быть погружены в воду или химикаты пост-печат и растворены для оставления целой детали. Растворимые поддержки снижают потенциал повреждения готовой детали в процессе удаления поддерживающих структур. Большинство FDM аддитивных материалов имеют растворимые поддержки, DLS и SLA материалы — нет. HP MJF процесс не требует поддержок вовсе.

Начало работы

Поддерживающие структуры продолжат играть интегральную роль в большинстве аддитивных производственных проектов.

Пока цель всегда — снизить или устранить необходимость в поддерживающих структурах, наши инженеры стремятся оптимизировать вашу деталь для функциональности и стоимости. Если вы хотите узнать больше о том, как мы можем сделать ваш аддитивный производственный проект возможным, свяжитесь с командой SyBridge сегодня.