Table of Contents

Инженерный вызов структур поддержки в FDM

Формированное моделирование осаждения (FDM) стало краеугольным камнем современных инженерных рабочих процессов, позволяющих быстрое итерация, функциональное прототипирование и даже производство конечного использования. Однако остается одна постоянная проблема: опора на опорные конструкции. Хотя опоры необходимы для печати навесов, мостов и сложных функций, они вводят значительную неэффективность. Цель проектирования деталей FDM с минимальными опорами заключается не только в экономии нити накала; речь идет о сокращении времени печати, минимизации послеобработки труда, улучшении отделки поверхности и, в конечном итоге, снижении общей стоимости детали. Для инженеров, ищущих готовые к производству детали прямо со сборочной плиты, освоение стратегий поддержки-минимизации является критическим навыком.

Подпорки - это жертвенные структуры, напечатанные для обеспечения основы для материала, нанесенного на пустое пространство. Без них расплавленный пластик будет провисать или опускаться под действием силы тяжести, что приведет к неисправным отпечаткам или плохому качеству поверхности. Однако опоры не являются бесплатными. Они потребляют материал, увеличивают время печати (часто на 30% до 100% или более) и оставляют после себя грубые контактные поверхности, которые требуют шлифования, резки или химического сглаживания. В инженерных условиях, где целостность деталей и точность размеров имеют первостепенное значение, плохо спроектированные опоры также могут вводить концентрации напряжения или деформацию при удалении. Благодаря перепроектированию деталей для уменьшения или устранения зависимости поддержки инженеры могут достичь более быстрого времени оборота, более низких отходов и более согласованных механических свойств.

Эта статья предоставляет исчерпывающее руководство по проектированию деталей FDM с минимальными опорами, охватывающих все, от фундаментальных стратегий ориентации до продвинутых манипуляций с геометрией и выбора материала. Независимо от того, являетесь ли вы опытным инженером по аддитивному производству или новичком в FDM, эти принципы помогут вам производить лучшие детали более эффективно.

Понимание поддержки в FDM-печати

Почему поддержка часто необходима

FDM-принтеры выдавливают расплавленный термопластичный слой за слоем. Каждый новый слой должен быть нанесен на существующую поверхность; в противном случае материалу нечего прилипать и он рухнет. Критическим фактором является угол навеса — угол между печатной функцией и вертикальной осью. Большинство FDM-материалов могут печатать неподдерживаемые свесы до 45 градусов (измеренные с горизонтальной точки) без значительного провисания. За этим порогом опоры становятся необходимыми для удержания материала на месте до его охлаждения и затвердевания.

Мосты (горизонтальные пролеты между двумя поддерживаемыми точками) и острова (особенности, которые начинаются в воздухе) также требуют опор. Чем длиннее мост или круче свес, тем больше вероятность того, что он потерпит неудачу без посторонней помощи. Понимание того, где эти условия возникают в вашей конструкции, является первым шагом к их устранению.

Недостатки чрезмерной поддержки

  • Материальные отходы: Материал поддержки может представлять от 20% до 50% от общего количества нити, используемой в печати. В масштабе это быстро складывается.
  • Увеличение времени печати: Поддержка печати требует времени. Слайсеры должны вычислять пути инструментов как для части, так и для структуры поддержки, часто удваивая или утрояя продолжительность печати.
  • Деградация финишной поверхности: Интерфейс между опорой и частью оставляет грубую текстуру, которая часто требует постобработки для достижения гладкой поверхности.
  • Механическая слабость: Удаление опор может повредить деликатные особенности или ввести микротрещины.В функциональных частях зоны контакта поддержки могут проявлять пониженную прочность.
  • Постобработка: Режущая, посторонних или растворяющих опор занимает время и навыки. Для сложных деталей удаление может быть более трудоемким, чем сам отпечаток.

Основные стратегии проектирования деталей с минимальной поддержкой

Снижение зависимости от поддержки требует активного подхода на этапе проектирования. Доказано, что следующие стратегии минимизируют или устраняют необходимость в структурах поддержки при сохранении функциональности деталей.

Оптимизируйте ориентацию на части

Единственным наиболее мощным инструментом для уменьшения опор является ориентация печати. При вращении части в программном обеспечении для нарезки часто можно размещать нависающие функции под углами, которые являются самоподдерживающимися. Золотое правило заключается в том, чтобы держать все навесы на 45 градусов или круче (т.е. ближе к вертикали). Плоские горизонтальные поверхности, которые обращены вниз, обычно требуют опор; слегка наклоняя эти поверхности, можно устранить необходимость.

Рассмотрим функциональные поверхности вашей части. Если поверхность должна быть гладкой или размерно-критической, ориентируйте ее так, чтобы она не контактировала с опорами. Например, скобка с большим плоским дном может быть напечатана на ее стороне, превращая плоскую поверхность в вертикальную стенку. Эта ориентация может потребовать края или плота для сцепления кровати, но устраняет необходимость в опорах на этом лице. Экспериментируйте с несколькими ориентациями в вашем нарезке и используйте визуальный предварительный просмотр для идентификации областей поддержки. Многие нарезки теперь предлагают функцию «поворот, чтобы минимизировать опоры», которая предполагает оптимальные ориентации автоматически.

Дизайн с самоподдерживающимися углами

По возможности, конструктивные особенности таковы, что свесы наклонены на 45 градусов или круче от вертикали. Это означает избегание резких 90-градусных свесов без скобы. Например, вместо горизонтального выступа, выходящего из вертикальной стены, добавить 45-градусный скоб под ним. Скобка действует как встроенная опора, позволяющая принтеру постепенно укладывать материал без необходимости отдельной конструкции.

Этот принцип применим к отверстиям, вырезам и внутренним полостям. Горизонтальное отверстие через вертикальную стенку потребует опор, если оно большое или имеет плоский верх. Изменяя отверстие на форму капли (круг с заостренной вершиной), верхняя часть является самоподдерживающейся. Многие нарезки имеют функцию «вырезной отверстия», но вы также можете моделировать их непосредственно в своем программном обеспечении САПР. Аналогично, внутренние каналы могут быть спроектированы с постепенными наклонами, а не плоскими потолками.

Включите Chamfers и Fillets

Шамферы и филе — это не просто эстетические особенности; это мощные инструменты для уменьшения опор. Острый внутренний угол, где горизонтальная поверхность встречается с вертикальной стенкой, является основным кандидатом на провисание. Добавление филе (круглого) или чамфера (углового) на этом стыке обеспечивает постепенный переход, с которым принтер может обращаться без опор. Радиус или угол должны быть достаточно большими, чтобы угол навеса был ниже 45 градусов во всех точках вдоль кривой.

Внешние свесы также могут принести пользу. Вместо острого 90-градусного края, требующего поддержки, скошенный или закругленный край позволяет материалу оседать в непрерывном, самоподдерживающемся пути. Это особенно полезно для косметических деталей, где качество поверхности имеет значение, так как устранение опор избегает шероховатых отметин интерфейса, которые они оставляют.

Разделите сложные части на более простые

Иногда наиболее изящным решением является разбиение сложной части на несколько более простых частей, которые можно распечатать индивидуально в оптимальных ориентациях, а затем собрать позже. Такой подход торгует устранением поддержки за время сборки, но во многих случаях уменьшение отказов печати и постобработки стоит дополнительного шага. Например, большой корпус с внутренними свесами можно разделить на две половины, каждый напечатанный с внутренним лицом вверх (не требуется опор) и затем склеенный или скрепленный болтами.

Проектирование щелчковых приспособлений, голубятни или резьбовых вставок в спаривающие поверхности для упрощения сборки. Эта стратегия также позволяет использовать разные материалы для разных секций одной и той же детали, дополнительно оптимизируя производительность. При расщеплении деталей учитывайте направление нагрузок и убедитесь, что стык достаточно прочен для применения.

Использование расширенных функций поддержки Slicer

Современное программное обеспечение для нарезки вышло за рамки простых опор в стиле блоков. Такие функции, как опоры деревьев (Cura) или пользовательские блокировщики поддержки, позволяют точно контролировать, где и как генерируются опоры. Поддержка деревьев разветвляется со сборочной пластины, чтобы касаться только конкретных точек детали, что значительно снижает использование материала и площадь контакта. Их также легче удалить, чем традиционные опоры сетки.

Используйте блокировщики поддержки, чтобы предотвратить формирование опор на поверхностях, которые на самом деле являются самоподдерживающимися, но которые нарезка неправильно идентифицирует. И наоборот, используйте усилители поддержки, чтобы добавить небольшие опоры только там, где они абсолютно необходимы. Точная настройка параметров поддержки — такие как плотность поддержки, шаблон (линии, зигзаг, концентрический) и расстояние интерфейса — может резко уменьшить количество используемого материала и сложность удаления.

Материально-специфические соображения для дизайна поддержки

Различные материалы FDM ведут себя по-разному при печати свесов и взаимодействии с опорами. Понимание этих различий помогает вам проектировать детали, которые надежно печатают с минимальной поддержкой.

PLA и PETG

PLA является наиболее прощающим материалом для свесов. Он имеет хорошие характеристики мостовидности и часто может достигать неподдерживаемых свесов до 50 градусов без значительного провисания. PETG немного менее прощающий из-за своей более высокой вязкости; он имеет тенденцию больше струн и может потребовать немного больше материала поддержки. Оба материала выигрывают от одних и тех же принципов проектирования, но PLA позволяет немного более агрессивную геометрию.

ABS и ASA

АБС и АСА склонны к деформации и усадке, что делает опоры более критичными для предотвращения деформации деталей. Однако эти материалы также позволяют легко постобработку: опоры часто могут быть отщеплены чисто с немного большей силой, чем с ПЛА. При проектировании для АБС или АСА обращайте дополнительное внимание на сцепление с кроватью и рассмотрите возможность использования обода или плота даже для деталей, которые технически не требуют опоры, для противодействия деформации.

Нейлон и поликарбонат

Инженерные материалы, такие как нейлон и поликарбонат, гигроскопичны и требуют высоких температур экструзии. Они, как правило, имеют более высокие скорости усадки, что может привести к более сильному сплавлению опор с деталью. Для этих материалов особенно важно минимизировать опоры или использовать растворимые опорные материалы (например, PVA или BVOH), которые могут быть растворены без механической силы. Особенности конструкции, требующие опор, должны быть размещены там, где растворение безопасно и эффективно.

Гибкие и композитные филаменты

ТПУ и другие гибкие нити, как известно, трудно печатать с опорами, потому что мягкий материал может деформироваться под самой опорной структурой. Здесь еще более критично минимизировать опоры. С самого начала проектировать гибкие детали с самоподдерживающейся геометрией. Для композитных нитей (углеродное волокно, стекловолокно усилено), опоры могут быть чрезвычайно трудно удалить из-за хрупкой природы материала. Избегайте опор вообще, где это возможно, или проектируйте их, чтобы быть легко доступными с режущими инструментами.

Советы по дизайну для эффективного удаления поддержки

Даже при наличии лучших методов проектирования некоторые детали неизбежно потребуют поддержки.В этих случаях проектирование с учетом удаления может сэкономить часы после обработки.

Дизайн доступных интерфейсов поддержки

Опоры положения так, чтобы их было легко достать с помощью плоскогубцев, резцов или инструмента для отрыжки. Избегайте размещения опор внутри глубоких полостей или на дне узких отверстий, куда инструменты не могут попасть. Если опора недоступна, рассмотрите возможность разделения детали для раскрытия этой области или перепроектируйте функцию, чтобы устранить необходимость поддержки в этом месте.

Включает в себя точки разлома и мосты

Добавить небольшие функции, которые действуют как точки разрыва между опорой и частью. Например, небольшой мост (тонкий участок опоры, который соединяется с частью только в нескольких точках) позволяет легче сломать опору. Некоторые нарезки имеют настройку «поддержки крыши», которая создает более плотный интерфейсный слой, который легче удалить. Настройка расстояния опорного интерфейса (разрыв между опорой и частью) до 0,2–0,3 мм (для сопла 0,4 мм) создает слабую связь, которую легко разорвать.

Surface Finish отзывы

Если видимая поверхность будет соприкасаться с опорой, либо сориентировать деталь, чтобы скрыть эту поверхность, либо спланировать постобработку. Например, если плоская поверхность должна быть идеально гладкой, избегайте размещения на ней опор. Если это невозможно, добавьте смещение 0,1–0,2 мм к опорному интерфейсу, чтобы опора не сливалась плотно с поверхностью, оставляя слегка текстурированную область, которую можно отшлифовать. Для функциональных поверхностей рассмотрите возможность использования растворимого опорного материала, не оставляющего остатков.

Используйте конические и древесные опоры

Современные типы поддержки слайсера, такие как конические опоры (узкие в верхней части, более широкие в основании) и опоры дерева (ветвящиеся структуры), предназначены для легкого удаления. Они контактируют с деталью в очень немногих точках, снижая общую прочность связи. Эти типы поддержки также используют меньше материала, чем традиционные опоры сетки. Когда опоры неизбежны, выберите эти передовые типы по сравнению с обычными.

Передовые методы геометрического дизайна

Теардроп и алмазные дыры

Круговые горизонтальные отверстия являются классической опорной ловушкой. Верхняя половина горизонтального отверстия имеет угол навеса, который круче, когда она приближается к вершине, в конечном итоге требуя опор. Каплевидное отверстие заменяет круговой верх остроконечной аркой, оставаясь под углом ниже 45 градусов по всему. Результатом является самоподдерживающееся отверстие. Для еще лучшей прочности можно использовать алмазообразное отверстие, хотя оно может не подходить для всех приложений. Многие плагины CAD и инструменты для нарезки могут автоматизировать это преобразование.

Сверхъездная тапера

Когда признак должен нависать, сужай его постепенно, а не резко выдвигаясь. Постепенный сужающийся распределяет угол наклона на большее расстояние, удерживая его в пределах самоподдерживающихся. Например, вместо 5 мм свеса под углом 90 градусов, проектируйте 10 мм сужающийся под углом 45 градусов. Сужающийся смешивает свес в вертикальную стену, устраняя необходимость в поддержке.

Геометрия внутренней поддержки

Для деталей, требующих внутренних полостей или решетчатых структур, проектируйте решетку так, чтобы ее распорки были наклонены под углом 45 градусов или более. Многие инструменты генеративного дизайна могут создавать органические решетчатые структуры, которые по своей сути являются самоподдерживающимися. Альтернативно, используйте перекрестный защелкивающий или сотовый рисунок, который выравнивается с направлением печати, чтобы минимизировать потребность во внутренних опорах.

Тематические исследования в области поддержки минимизированного дизайна

Bracket Redesign для производства

Аэрокосмическая кронштейн, первоначально предназначенный для обработки с ЧПУ, был адаптирован для FDM. Оригинальная конструкция имела несколько 90-градусных свесов и большие плоские участки, которые требовали обширных опор. За счет сужения свесов до 45 градусов и поворота детали 90 градусов в нарезке объем поддержки был уменьшен с 40% до менее 5%. Время печати сократилось на 30% и после обработки была практически устранена. Полученная деталь отвечала всем механическим требованиям и производилась за долю от первоначальной стоимости.

Объявление без поддержки

В корпусе бытовой электроники требовался флеш-фит с плоским дном и большим отверстием с одной стороны. Оригинальная ориентация требовала опор для открытия. Расщепляя корпус на верхнюю и нижнюю оболочку и печатая каждую с внутренней облицовкой вверх, опоры вообще не требовались. Две половины были соединены с щелчками и клеем. Поверхностная отделка была отличной, а устранение опор сократило общее время печати на 50%.

Заключение

Проектирование деталей FDM с минимальными опорами - это не просто вопрос экономии материала; это краеугольный камень эффективного, готового к производству аддитивного производства. Понимая механику углов навеса, используя ориентацию и геометрические стратегии проектирования, а также используя передовые функции нарезки, инженеры могут резко уменьшить потребность в опорах. Когда опоры неизбежны, проектирование для легкого удаления гарантирует, что постобработка не станет узким местом.

Ключевые принципы просты: держать свесы в пределах 45 градусов, использовать шлемы и филе для смягчения переходов, разбивать сложные сборки на более простые компоненты и выбирать стратегии, специфичные для материала. С помощью этих инструментов инженеры могут быстрее производить более качественные детали, с меньшими отходами и меньшими затратами. По мере развития технологии FDM способность проектировать для минимальных опор останется ценным навыком для любого инженера, работающего в аддитивном производстве.

Для дальнейшего чтения по передовым методам проектирования FDM, проконсультируйтесь с ресурсами из руководящих принципов дизайна Ultimaker , Упростите руководство по оптимизации поддержки и Руководство по навесу и мосту All3DP .