Technologičnost konstrukce při 3D tisku plastových dílů

Technologičnost konstrukce při 3D tisku plastových dílů

V této podkapitole jsou stručně shrnuty zásady, které by se měly při návrhu designu a tvorbě programu 3D tisku součásti respektovat tak, aby bylo dosaženo co nejlepší kvality výrobků.
Orientace
Úplně základním, ale velice důležitým prvkem je samotná orientace 3D dílu při tisku. Je vhodné na orientaci dílu při tisku myslet již od prvotního návrhu. Orientace modelu má zásadní vliv hned na několik vlastností výsledného výrobku. Jedná se zejména o tvarovou a rozměrovou přesnost, dobu potřebnou pro tisk a pevnost jednotlivých výtisků.  Zvolená orientace může také rozhodovat o tom, zdali bude nutné následně provádět dodatečnou povrchovou úpravu, či nikoliv. Za cílem správného vytištění objektu, optimalizace doby tisku a spotřeby materiálu lze provést několik jednoduchých úprav. Volba těchto úprav musí být důsledně promyšlena, aby nedošlo k vytvoření jiných nežádoucích estetických či funkčních vad. Díky těmto úpravám lze dosáhnout toho, že nebude nutné použít podpůrné konstrukce kvůli převisům či mostům u objektu. V některých případech je důležitější pevnost než samotná estetičnost výrobků. Co se týká pevnosti, lze říci, že většina vytištěných objektů má rozdílné vlastnosti v různých směrech. Zjednodušeně řečeno většina objektů je mnohem náchylnější k poškození při zatížení ve směru stavby objektu, tedy v ose Z (Obr. 23 vlevo), než v osách Y nebo X (Obr. 23 vpravo).

Obr. 23 Vhodné a nevhodné zatížení 3D tištěného dílu

Jak už bylo zmíněno orientace je zásadní i z pohledu estetičnosti a potřeby podpůrných konstrukcí. Vhodné určení orientace ovlivňuje rozměrovou a tvarovou přesnost, dobu celkového tisku a spotřebu materiálu na podpůrné konstrukce. Porovnání vhodné a nevhodné použití orientace dílů je vidět na Obr. 24.

Obr. 24 Důležitost vhodné orientace dílu

Konstrukce
Samotná konstrukce CAD modelu může vyřešit problémy, se kterými si technologie 3D tisku metodou FDM neumí poradit. Mezi tyto problémy patří např. převisy, přemostění mezery, úhly stěn, eliptické či kruhové otvory a objekty s malou stykovou plochou s podkladem. Řešením může být například přidání technologických úkosů, zaoblení žeber, zmenšení sklonu stěn, případně rozdělení modelu na více částí, které budou následně po vytištění spojeny. Volba podpůrných konstrukcí by měla být vždy až na posledním místě z důvodu zvýšení ceny a prodloužení doby 3D tisku.

Tisk stěn svírající s tiskovou podložkou úhel menší než zpravidla 30° (sklon stěn) má při malém překročení za následek snížení kvality tištěné stěny. Při větším překročení může dojít k poruše soudržnosti stěny nebo k úplnému zborcení. Problematika tisku šikmých stěn je znázorněna na modelech na Obr. 25. Řešením je změna vhodné orientace 3D tištěného dílu, v našem případě změna styčné plochy s podložkou. Pokud změna orientace není možná, je nutná aplikace podpůrných konstrukcí.

Obr. 25 Problematika sklonu stěn

Jelikož metoda 3D tisku spočívá v nanášení vrstvy po vrstvě, je vyžadováno, aby každá následující vrstva měla pod sebou pevný podklad, na který bude tato vrstva nanášena. Převis lze tedy definovat jako vrstvu, která pod sebou nemá pevný podklad a je ukotvena pouze na jedné straně, zbylá část se nachází v prostoru. Tyto převisy jsou téměř nevytisknutelné bez použití podpor, úpravy konstrukce či změny orientace modelu (v případě, že je to možné). Příklad převisu lze vidět na L-profilu na Obr. 26. Konstrukčním řešením může být přidání šikmé stěny eliminující převis, nebo podpůrných žeber. Ovšem pokud je to možné, jednodušší může být pouhá změna orientace dílu. Použití samotných převisů bez podpor je možné, ale pouze na velmi krátké vzdálenosti asi 1,6-1,8 mm.

Obr. 26 Příklad převisu na 3D tištěném díle a možnosti řešení bez použití podpor

Minimální tloušťka stěn je závislá na použitých parametrech tisku, materiálu a tiskárně. Existují doporučení, že tloušťka stěny by měla být alespoň 4x větší než použitá tloušťka vrstvy, nicméně to neznamená, že tenčí stěnu nelze vytisknout. Obecně je v horizontálním směru doporučována minimální tloušťka stěny alespoň 1,5 mm, ve směru vertikálním 1 mm.

Metrické závity ISO jsou z pohledu 3D tisku kvůli svému profilu nevhodné, ale jejich použití je možné. U 3D tištěných závitů obecně platí, že je nutné se vyvarovat malým průměrům závitů a nedoporučuje se používat závity o průměru menším než 6 mm pro nosné spoje. Zároveň u menších vnitřních závitů je vhodné vytisknout pouze otvor a závitníkem závit vyříznout. Vhodným řešením je také použití závitových vložek, nebo matic do připravených otvorů ve výrobku.

Velikost mezer je rovněž důležitá, aby nedocházelo ke spojování ploch dílců. V případě mezer pod úhlem je také důležité myslet na dostatek místa pro podpory a jejich možnost následného odstranění. Minimální doporučovaná velikost mezer je ve vertikálním směru 0,2 mm.

Otvory a kanály jsou z hledisku dílu také důležité. Jejich přesnost tvaru se samozřejmě odvíjí od orientace dílu na podložce. Z hlediska minimálního průměru otvorů se doporučuje ve vertikálním směru minimální průměr otvoru 1 mm, ve směru horizontálním minimální průměr otvorů 2 mm. U maximálních průměrů otvorů ve vertikálním směru není konstruktér omezen, u horizontálních bez použití úprav se doporučuje maximální průměr 10 mm. Poté již vzniká příliš velký převis, kde může docházet k defektům v horní části. Vhodná je aplikace podpůrných konstrukcí, nebo úprava geometrie otvoru viz Obr. 27.


Obr. 27 Maximální průměry otvorů a kanálů v horizontálním směru
Zdroj: www.crucibledesign.co.uk

Výplň součásti a podpůrné konstrukce
Stupeň infillu (výplně) součásti má společně s počtem perimetrů (zjednodušeně udává celkovou tloušťku stěny se 100% výplní) rozhodující vliv na mechanické vlastnosti součásti. Hlavním účelem výplně je propojení stěn konstrukce a podepírání horních vrstev. Ukázka několika vzorů výplně a rozdíly ve stupních infillu jsou zobrazeny na Obr. 28. Stupeň výplně udává především pevnost dílců v tlaku a obecně se doporučuje infill kolem 20-40 %. Pro větší celkovou pevnost dílce, například v ohybu je důležitější spíše počet perimetrů.

Obr. 28 Ukázka možností výplní 3D tištěných dílů

Vzhledem ke komplexnosti a složitosti některých objektů, u kterých není možné použít žádnou z předchozích metod úprav, např. úpravu konstrukce či otočení modelu, je nutné zvolit stavbu modelu s podpůrnou konstrukcí, která nám zaručí, že dojde k vytištění rizikových částí bez větších defektů. Při rozhodování o použití podpůrných struktur je nutné brát v potaz jejich vliv na kvalitu povrchu výsledného tisku. V místě styku vždy dochází k ovlivnění kvality povrchu vzhledem k nutnosti propojení podpory a samotného modelu za cílem dosažení požadovaného podpůrného efektu. V dnešní době jsou nejčastěji používané dva typy podpor. Prvním typem, zároveň nejpoužívanějším, je sloupcová podpůrná konstrukce ve tvaru harmoniky. Tento typ podpůrné konstrukce poskytuje perfektní podporu pro tištěný model, i za cenu velkého plýtvání materiálu, delší doby tisku a nutnosti dodatečných povrchových úprav kvůli odstranění zbytků podpůrné konstrukce z modelu. Odstraněná podpora může tvořit až 90 % hmotnosti celého výtisku. Druhým typem je stromově rozvětvená podpůrná konstrukce, která snižuje množství spotřebovaného materiálu, celkovou dobu nutnou pro vytištění objektu a velikost kontaktní plochy mezi podpůrnou konstrukcí a samotným modelem. Oba typy podpůrných konstrukcí jsou zobrazeny na Obr. 29, kde zleva první dva obrázky představují konstrukci ve tvaru harmoniky, napravo je poté stromově rozvětvená konstrukce.

Obr. 29 Různé typy a nastavení podpor a jejich vliv na spotřebu materiálu a čas tisku
Zdroj: www.hubs.com