Ondersteunende structuren voor additieve productie:waarom ze belangrijk zijn en hoe ze ervoor kunnen worden ontworpen

Additive manufacturing heeft een nieuw tijdperk van productiemogelijkheden ingeluid. 3D-printtechnologie stelt ons in staat om voorheen 'onmaakbare' onderdelen te maken, met complexe afmetingen en hoeken, met ongekende snelheid en precisie. De aard van het additieve fabricageproces, waarbij materiaal laag voor laag wordt toegevoegd, betekent echter vaak dat onderdelen tijdens het printen ondersteuning nodig hebben om de interne druk - in wezen de zwaartekracht - te beheersen. Zonder die ondersteuning kunnen additieve lagen niet worden opgehouden door het materiaal eromheen en instorten, waardoor de afdruk mislukt. Om deze uitdaging aan te gaan, moeten we soms ondersteunende structuren ontwerpen in onze 3D-geprinte onderdelen.

Om ervoor te zorgen dat u het potentieel van uw 3D-geprinte onderdeel voor snelheid, kwaliteit en kosten maximaliseert, is het belangrijk om ondersteuningsstructuren te begrijpen en te begrijpen hoe deze moeten worden geïntegreerd in uw additive manufacturing-project.

Wat zijn ondersteunende structuren bij 3D-printen?

Ondersteuningsstructuren houden elementen van een 3D-geprint onderdeel op die tijdens de fabricage geen ondersteunend materiaal hebben. Niet alle 3D-printprocessen vereisen ondersteunende structuren:terwijl de Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) en Stereolithography (SLA)-processen vaak ondersteuning vereisen, is HP Multi Jet Fusion, een poederbed-printproces , niet.

In het additieve fabricageproces van Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), bijvoorbeeld, worden lagen verwarmd geëxtrudeerd materiaal opgebouwd uit een printbed door hechting aan de materiaallagen eronder en kunnen ze over die onderste lagen hangen om een ​​gehoekt oppervlak te creëren. Wanneer die hoek groter is dan 45°, heeft het overhangende element in het algemeen ondersteuning nodig, anders zal het gewicht van het niet-ondersteunde materiaal ervoor zorgen dat het element instort en de afdruk mislukt.

Waar ondersteuningen nodig zijn, moeten deze worden geïntegreerd in het ontwerp van het onderdeel en worden afgedrukt in het onderdeel wanneer het wordt geproduceerd. Dit betekent natuurlijk dat er rekening moet worden gehouden met de extra tijd en het materiaal dat nodig is tijdens het 3D-printproces en de daaropvolgende verwijdering van de ondersteunende structuren na het proces.

Uitzonderingen: Niet alle additieve fabricagemethoden vereisen ondersteunende structuren. Terwijl 3D-printtechnologieën zoals fused deposition modeling (FDM) onderdelen printen door materiaallagen aan een printbed toe te voegen, printen andere, zoals HP Multi Jet Fusion (MJF) onderdelen vanuit een poederbed. Omdat de poederlagen zelfdragend zijn, hoeven HP MJF-onderdeelontwerpen geen ondersteunende structuren te bevatten.

Welke soorten ondersteuningsstructuren zijn er beschikbaar?

Ondersteuningsstructuren voor 3D-geprinte onderdelen variëren in ontwerp en type, maar kunnen grofweg in twee categorieën worden ingedeeld:'bomen' en 'hekken'.

• Boom ondersteunt: Lijkend op takken of stammen, kunnen boomsteunen een onderdeel omsluiten en netjes op schuine oppervlakken passen voor gemakkelijke verwijdering. Boomsteunen kunnen snel worden ontworpen, toegepast en getest als onderdeel van een 3D-printproject, waardoor snelle iteratie mogelijk is. Hun takachtige structuur betekent dat ze over afstanden kunnen reiken om specifieke gebieden te ondersteunen.

• Omheining ondersteunt: Lijkend op muren en met een verscheidenheid aan bevestigingspunten, worden heksteunen loodrecht op het oppervlak van een onderdeel gedrukt, vaak met een roosterstructuur. Omheiningssteunen zijn duurzamer en gemakkelijker te verwijderen dan boomsteunen, en zijn doorgaans een betere keuze voor cosmetische stukken of grootschalige productie.

Wanneer moet ik ondersteunende structuren voor additieve fabricage gebruiken?

De '45°-regel' suggereert dat 3D-geprinte overhangen van 45° en meer ondersteuning nodig hebben, terwijl die onder de 45° dat niet zullen doen.

De 45°-regel moet echter als een algemene vuistregel worden beschouwd en de behoefte aan ondersteuningsstructuren zal variëren afhankelijk van de complexiteit van het ontwerp van het onderdeel en van het gebruikte materiaal. In sommige gevallen kan overbrugging een alternatief bieden voor ondersteunende structuren:overbrugging is een techniek waarbij verwarmd additief materiaal over een korte afstand (meestal minder dan 5 mm) wordt uitgerekt zonder de integriteit van het onderdeel in gevaar te brengen.

Het 'YHT'-principe:wanneer ze worden opgevat als 3D-geprinte modellen, rechtopstaand, zijn de letters Y, H en T nuttig om de noodzaak van ondersteunende constructies voor additieve fabricage te illustreren.

• De letter Y: Twee armen strekken zich uit vanaf de letter Y in een hoek van 45° - de hoek van hun overhang vereist geen ondersteuningsstructuren. Hoe verder de overhanghoek groter is dan 45°, hoe waarschijnlijker het is dat er ondersteunende constructies nodig zijn.

• De letter H: Als de twee verticale elementen van de letter H binnen 5 mm van elkaar liggen, is het wellicht mogelijk om het horizontale element van de H met een brug 3D te printen. Als de verticale elementen meer dan 5 mm uit elkaar staan, kan het horizontale element ondersteuningsstructuren nodig hebben.

• De letter T: De twee armen van de letter T strekken zich uit van het verticale element op 90 ° en vereisen ondersteunende structuren.

Buiten de hoek van een overstek kunnen andere factoren van invloed zijn op de behoefte aan ondersteunende constructies. Deze omvatten de kwaliteit van de 3D-printer en de snelheid waarmee deze afdrukt:langzamere printers kunnen bijvoorbeeld de behoefte aan ondersteunende structuren vergroten.

Ondersteuningsstructuren:fabricage-uitdagingen

Ondersteuningsstructuren zijn een noodzaak in veel additieve builds, maar het is belangrijk om te onthouden dat ze de kosten van een onderdeel in volumeproductie aanzienlijk kunnen beïnvloeden - om nog maar te zwijgen van de hoeveelheid afvalmateriaal die het project uiteindelijk produceert. Wees ook voorzichtig bij het verwijderen van ondersteunende structuren, aangezien deze het voltooide onderdeel kunnen beschadigen of markeren wanneer ze worden losgemaakt.

Met deze factoren in gedachten, zouden 3D-geprinte onderdelen idealiter zo moeten worden ontworpen dat de noodzaak van ondersteunende structuren tot een minimum wordt beperkt of geëlimineerd en, waar mogelijk, moeten de principes van ontwerp voor additieve fabricage (DFAM) worden toegepast om onderdelen te optimaliseren voor kwaliteit, kosten en productie tijd. De volgende strategieën kunnen helpen om de behoefte aan ondersteunende structuren te verminderen:

Oriëntatie: De oriëntatie van onderdelen op het printbed kan van invloed zijn op de behoefte aan ondersteunende structuren. Overhangen kunnen bijvoorbeeld worden geëlimineerd door een onderdeel op zijn rug of zijkant te draaien. In de bovenstaande voorbeelden zou het leggen van elk van de 3D-modelletters Y, H en T op hun rug alle overhangende elementen volledig elimineren, samen met de noodzaak van ondersteunende structuren of bruggen.

Onderdeel geometrie: Verwijder waar mogelijk uitsteeksels uit uw ontwerp - of verklein hun hoek tot minder dan 45°. Het is duidelijk dat functionele vereisten de totale eliminatie van uitsteeklengten onmogelijk kunnen maken, maar u kunt mogelijk alternatieve ontwerpelementen introduceren, zoals afschuiningen, hoekplaten en radii om de geometrie van het onderdeel meer zelfdragend te maken.

Gedeeltelijke scheiding: 3D-printtechnologie maakt de productie van complexe afzonderlijke onderdelen mogelijk, maar als de hoeveelheid ondersteuning die die onderdelen nodig hebben hun kwaliteit of kosteneffectiviteit vermindert, kan het de moeite waard zijn om het onderdeel op te splitsen in kleinere componenten die later kunnen worden geassembleerd. Bolvormige delen hebben bijvoorbeeld een behoorlijke ondersteuning nodig, maar door ze in tweeën te splitsen en een groot vlak oppervlak te creëren, is het mogelijk om de noodzaak voor ondersteuningen volledig te elimineren.

Ondersteuningsdichtheid: De druk die wordt uitgeoefend op ondersteunende structuren zal bepalen hoe sterk ze moeten zijn en hoeveel materiaal er nodig is om ze te printen. Om een ​​succesvolle en kosteneffectieve afdruk te garanderen, moet u ervoor zorgen dat uw ondersteunende structuren dicht genoeg zijn om de grootte van het overhangende element te ondersteunen. Houd er rekening mee dat hoe dichter de ondersteunende structuur is, hoe moeilijker het kan zijn om de post-print te verwijderen.

Oplosbare dragers: Sommige 3D-printtechnologieën kunnen mogelijk ondersteunende structuren in een afzonderlijk oplosbaar materiaal printen, via een secundaire printnozzle. Deze ondersteunende structuren kunnen worden ondergedompeld in water of chemicaliën, na het printen en worden opgelost om een ​​intact deel achter te laten. Oplosbare steunen verminderen de kans op beschadiging van het afgewerkte onderdeel tijdens het verwijderen van de steunstructuur. De meeste FDM-additieven hebben oplosbare dragers, DLS- en SLA-materialen niet. Het HP MJF-proces vereist helemaal geen ondersteuning.

Aan de slag

Ondersteuningsstructuren zullen een integrale rol blijven spelen in de meeste additive manufacturing-projecten.

Hoewel het doel altijd is om de behoefte aan ondersteunende structuren te verminderen of te elimineren, streven onze ingenieurs ernaar uw onderdeel te optimaliseren voor functionaliteit en kosten. Als u meer wilt weten over hoe we uw additive manufacturing-project mogelijk kunnen maken, neem dan vandaag nog contact op met het Fast Radius-team.

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?