Technologičnost konstrukce při 3D tisku kovových dílů

Technologičnost konstrukce při aditivní výrobě kovových výrobků je velice podobná jako u technologií pro polymerní materiály, a proto jsou zde rovnou stručně popsány hlavní technologická pravidla pro kovový 3D tisk.
Samonosné úhly (sklon stěn) udávají úhel mezi plochou (prvkem) a konstrukční deskou (stavební paletou) viz Obr. 30. Čím nižší je úhel, tím je obtížnější dosažení požadovaného tvaru. U kovového 3D tisku platí pravidlo, že je vhodné se vyhnout samonosným prvkům s úhlem menším než 45°. Použití samonosných úhlů je samozřejmě ovlivněno i technologií, strojem a materiálem a existují systémy jako např. EOSINT M, kde lze vytisknout bez podpor i samonosné úhly do 25°. Pro titan se běžně udává úhel do 20-30°, u korozivzdorných ocelí do 30° a u superstilin a uhlíku do 45°.

Obr. 30 Ukázka použití samonosných úhlů bez podpor

Otvory a kanály (viz Obr. 31) bez podpor mohou být o minimální velikosti průměru 0,5 mm v horizontálním směru. Při menším průměru otvorů je riziko spojení stěn a zaplnění prázdného prostoru příliš velké. Pro větší otvory bez podpor se doporučuje maximální průměr 8-10 mm v závislosti na materiálu a výrobním systému. Při větších průměrech poté dochází k deformacím otvorů především v horní části. Doporučuje se použití podpor nebo změny tvaru otvorů například do tvaru kapky, nebo diamantu.
 
Obr. 31 Maximální a minimální velikosti otvorů a kanálků

Převisy bez podpor u kovového tisku mohou dosahovat dle doporučení maximální velikosti 0,5 mm viz Obr. 32. Stejně jako u plastů se doporučují samonosné struktury se zkosením s konkávním, nebo konvexním tvarem, kde je pro převis díl sám sobě podporou.

Obr. 32 Maximální velikost převisů a konstrukční řešení podpory větších převisů

Mosty (viz Obr. 33) udávají maximální vzdálenost přemostění mezi dvěma prvky bez podpor. Maximální udávaná přípustná vzdálenost mezi dvěma prvky je 2 mm. Díly přesahující tuto vzdálenost mají špatnou kvalitu a tvarem neodpovídají návrhu.

Obr. 33 Maximální přípustná velikost mostů

V případě vynucených mostů (viz Obr. 34) lze pro jednodušší opracování umístit podporu pod úhlem. Druhou možností je samozřejmě změna orientace dílu, nebo úprava tvaru dílu s cílem minimalizace počtu podpor, které se odstraňují výrazně hůře než u tisku plastových dílů.
 
Obr. 34 Ukázky možností řešení vynucených mostů

 Z hlediska pozice a orientace dílu v rovině na stavební paletě jsou vhodnější geometrií kruhové profily, nebo otevřené profily ve tvaru U a jim podobné. Nejhorší geometrií jsou z hlediska pnutí dlouhé tenké průřezy, které jsou v rovnoběžném směru s nanášečem (recouterem). Vhodné je ploché povrchy natočit minimálně o 5° od nanašeče viz Obr. 35.

Obr. 35 Pozice a orientace plochých povrchů na stavební paletě

V prostoru poté naklonění může snižovat riziko vzniku otřepů a ostrých rohů. Vhodné umístění pomáhá také redukovat počet i velikost podpor, snižuje spotřebu materiálu a minimalizuje náročnost postprocesingu viz Obr. 36.

Obr. 36 Ukázka vhodnější pozice a orientaci dílu při 3D tisku
U štěrbin (otvorů) je také nutné myslet na to, že v rámci „postprocesingu“ bude nutné jejich opracování, nebo jejich prvotní návrh se zkosenými stěnami. Otvory, které jsou přístupné pro broušení a leštění jsou dostatečné pod úhlem 0,5 – 1°. U nepřístupných otvorů je nutné úhel zkosení zvětšit. Zároveň je důležité nezapomenout odstranit přebytečný prášek.
Výška prvků je také omezena, ale lze ji konstrukčně řešit. Maximálním doporučovaným poměrem mezi výškou a tloušťkou součásti je 8:1, poté hrozí riziko ohnutí součásti, nebo vytvoření nerovností. Konstrukčním řešením může být například spojení vertikálních prvků pomocí obloukového mostu viz Obr. 37.
 
Obr. 37 Výška prvků a řešení pomocí obloukových mostů
U sbíhajících se prvků zase hrozí odklonění se od navržené součásti. S klesající pevností součásti jsou potřeba podpory. Řešením může být přidání podpor doprostřed mezi sbíhající se prvky, nebo perforace součásti přidáním otvorů viz Obr. 38.

Obr. 38 Konstrukční řešení sbíhajících se prvků
Další problémy při 3D tisku přináší pnutí viz Obr. 39. Po překročení meze pevnosti v tahu tištěného materiálu nebo stavební palety se mohou vyskytnout deformace nebo praskání, případně oddělení části od podpor nebo ohnutí stavební palety. Po deformaci je možné poškození nanášeče při nárazu do součásti. Vhodným řešením je umístění podpor nebo úprava geometrie na nejmenší stykovou plochu s plošinou.
 
Obr. 39 Problematika pnutí a možné řešení pnutí při 3D tisku
Mezi další omezení při 3D tisku patří doporučení vyhnout se ostrým hranám, které vnáší pnutí a jsou z hlediska výroby problematické. Netisknout velké plochy v jednom řezu a raději je naklopit pro minimalizace v horizontálním řezu. Současně by se mělo využívat potenciálu 3D tisku, skládat díly nad sebe a optimálně využívat celý prostor stroje určený k tisku.
Odlehčené struktury (Lattice structure) se vyskytují v mnoha různých tvarech, jak je vidět na Obr. 40, například ve tvaru voštiny, tvaru mřížky, nebo trojúhelníků. Jejich tvar, výška i hustota jsou klíčové pro zjišťování, jak bude součást odolávat námaze a zatížení.

Obr. 40 Tvary odlehčených struktur a použití na součásti
Kromě tisku s odlišnými parametry pro jádro a obal lze také použít takzvané odlehčené struktury. Díky nim lze dosáhnout kratšího času stavby, výrazně snížit hmotnost finálního dílu s minimálním poklesem pevnostních vlastností. Řešením je navrhovat prvky s dutými silnými rysy, voštinovou nebo mřížkovou strukturou, a tím snížit náklady na materiál i dobu zpracování při zachování konstrukční integrity.
U tloušťky stěny je obecným pravidlem pohybovat se přibližně nad hodnotou 1 mm. Firma Proto Labs se dále drží pravidla, že stěny pod 1 mm by měly dodržovat poměr výšky stěny ku tloušťce menší než 40:1. Na druhou stranu nevýhody příliš tlustých stěn spočívají v delší době výstavby a nepříliš efektivního využití materiálu, což vede k vyšším výrobním nákladům.
Za účelem efektivnějšího rozložení materiálu se objem součásti rozdělí na oblast tzv. obal a na oblast jádra. Obě oblasti jsou stavěny s odlišnými parametry a mohou mít i rozdílnou tloušťku vrstvy.  Firma EOS GmbH doporučuje, aby byl obal tlustý 1-3 mm ve směru os x, y, i z a aby tloušťka vrstvy byla 0,02-0,05 vždy v závislosti na použitém stroji.  Tloušťku jádra doporučuje 0,06 - 0,1 mm. Obal je budován s parametry poskytujícími maximální pevnost a tvrdost, zatímco stavba jádra probíhá rychleji. Tímto způsobem výstavby můžeme výrazně snížit čas výstavby, aniž by byla snížena kvalita povrchu při zachování stability vyšších součástí.
Vnější hranice každé vrstvy-kontury jsou navíc vystaveny velkému výkonu laseru, což vede k velmi vysoké stabilitě. Plocha zvýšené stability se nachází asi 0,5 mm pod povrchem. V této hloubce při následném postprocessingu dosáhneme nejlepších výsledků kvality a tvrdosti povrchu. Je vhodné dopředu znát umístění děr a poskytnout informace o jejich umístění už v CAD modelu, abychom předešli umístění otvoru do méně stabilního jádra. Dále se doporučuje navrhnout průměr požadovaného otvoru o přibližně 0,6 mm menší a posléze je vyvrtat. Tím docílíme toho, že boční stěny vyvrtaného otvoru budou v oblasti kontur, kde je nejvyšší pevnost.