Ontwerpen voor afdrukken, deel 2:waarom 3D-geprinte onderdelen vervormen en hoe u dit kunt stoppen

Ontwerpen voor 3D-printen (DF3DP) is een blogserie gewijd aan tips en trucs voor 3D-printen die u kunt volgen bij het gebruik van een 3D-printer die u helpt bij het verminderen van kosten, printtijd en materiaal, terwijl u ook wordt getoond hoe u uw onderdelen kunt krijgen zoals u ze wilt, probeer het eerst.

Als je ooit een FFF 3D-printer hebt gebruikt, heb je waarschijnlijk wel eens last gehad van kromtrekken van onderdelen voor grote, lange of vreemd gevormde onderdelen. Meestal betekent dit dat je ofwel wat nabewerking moet doen om ze weer vlak te maken, of dat je gewoon moet accepteren dat je te maken hebt met een oneffen bodemoppervlak waarvan je waarschijnlijk aannam dat het plat zou worden afgedrukt.

Het kromtrekken van 3D-geprinte onderdelen is een lastig probleem om te omzeilen; alleen omdat een 3D-printer betrouwbaar is, wil nog niet zeggen dat hij dit probleem niet zal hebben. 3D-geprinte onderdelen vervormen door thermische vervorming. Als kunststoffen opwarmen, zetten ze uit. Als ze afkoelen, krimpen ze. Omdat bij FFF 3D-printen bijna altijd thermoplasten betrokken zijn, gebeurt dit bij bijna elke FFF 3D-printer. Aan de printerzijde zijn er twee dingen die kromtrekken verhelpen:een verwarmde bouwplaat of een verwarmde behuizing. Deze twee oplossingen houden het onderdeel op temperatuur, zodat het niet afkoelt en dus niet kromtrekt. Gemakkelijk! Andere 3D-printers hebben een behuizing die de warmte binnenhoudt en/of een lijm om op de bouwplaat aan te brengen (zoals de onze), wat meestal ook helpt om kromtrekken te verminderen. Als u het onderdeel bovendien tot kamertemperatuur laat afkoelen voordat u het verwijdert, zal het kromtrekken verminderen, omdat het onderdeel afkoelt terwijl het nog aan de bouwplaat kleeft.

Maar eigenlijk gaat het minder om het systeem en meer om het onderdeelontwerp. Het idee dat "3D-printers alles kunnen printen" is niet waar (meer hierover in een toekomstige blogpost!), omdat 3D-printers vaak net zoveel beperkingen en ontwerprichtlijnen hebben als andere productiemethoden. Om een ​​voorbeeld te noemen:de kleinste functiegrootte die een FFF 3D-printer kan creëren, is afhankelijk van de diameter van de spuitmond en de nauwkeurigheid van het portaal. Hoe dan ook, veel onderdelen vervormen simpelweg vanwege de materiaalbeperkingen van FFF 3D-printers in combinatie met onderdeelontwerp dat niet is geoptimaliseerd voor 3D-printen.

Ik heb een eenvoudig driehoekig prisma ontworpen dat aan één rand is afgekapt en redelijk vatbaar is voor kromtrekken (om redenen die u binnenkort zult ontdekken). Hier is het 3D-model in Eiger:

En hier is een foto van het onderdeel dat kromtrekt nadat het van de bouwplaat kwam. Om kromtrekken te demonstreren, heb ik het stuk aan de ene kant van de tafel vastgeklemd en de doorbuiging aan de andere kant waargenomen:

Deze vijf tips dienen als richtlijnen voor het ontwerpen van 3D-printen, zodat u kromtrekken op 3D-geprinte onderdelen tijdens uw ontwerpproces kunt verminderen. Ik hoop dat ze helpen!

1. Randen en ontwerpen met ronde, natuurlijke vormen in gedachten.

Wanneer 3D-geprinte onderdelen kromtrekken, komt dit door een thermisch moment dat rond de rand van een onderdeel wordt gevormd. Dit thermische moment wordt veroorzaakt doordat wanneer FFF-printers filament neerleggen, ze het plastic verwarmen tot het semi-vloeibaar is en het vervolgens afkoelen nadat het is geëxtrudeerd. Als de meeste materialen afkoelen, willen ze krimpen. In het geval van FFF 3D-printers betekent dit dat elke "lijn" materiaal in de lengte wil samentrekken. Meestal is dit niet voldoende om de hechting met de bouwplaat te verbreken, maar deze kracht wordt groter naarmate er meer lagen worden toegevoegd, waardoor het onderdeel kromtrekt. Dit komt vooral veel voor bij lange, dunne delen, zoals het proefstuk dat ik in deze post gebruik, vanwege de krimp in de lengte.

Wanneer meer hoeken worden toegevoegd aan een lijnsegment dat wil krimpen, zullen de hoeken loslaten vanwege de opbouw van spanning op die locatie, zoals weergegeven in het onderstaande diagram:

Scherpe hoeken creëren spanningsconcentraties, dus hoeken zijn de meest voorkomende geometrieën die kromtrekken veroorzaken. Het toevoegen van een filet aan deze hoeken vermindert de spanningsconcentraties omdat de scherpe hoek wordt afgerond en de spanning wordt verdeeld. Over het algemeen zal het maken van doorsneden die ronder van vorm zijn wanneer ze in contact komen met de bouwplaat, kromtrekken verminderen - wanneer ingenieurs onderdelen ontwerpen, worden ze meestal rechthoekig van vorm; dat is meestal wat het gemakkelijkst te bewerken is. Maar vanaf het begin ontwerpen met meer ronde, natuurlijke vormen en oppervlakken zal kromtrekken verminderen omdat het de opgebouwde spanning verdeelt. Hieronder heb ik het proefstuk bewerkt door een filet aan de hoeken toe te voegen.

Zelfs met deze eenvoudige verandering verminderden filets aan de randen het kromtrekken aanzienlijk.

Nog een snelle tip met filets - door een filet aan de onderkant van je onderdeel toe te voegen, kun je deze gemakkelijker van de bouwplaat verwijderen - het geeft een goede lip om er een schraper onder te krijgen!

2. Druk delen af ​​met het grootste gezicht aan de onderkant.

Als lagen op elkaar stapelen, vermenigvuldigen deze krachten zich. Als de laag boven degene die net is neergezet iets groter is, dan komt er meer materiaal bij dat wil krimpen, waardoor de kracht nog verder toeneemt. Dit betekent dat de slechtste vormen om in 3D te printen, vormen zijn met grotere dwarsdoorsneden als je omhoog gaat, en vormen met scherpe hoeken na lange, rechte segmenten, net zoals onze warp-test!

Onderdelen vervormen echter niet altijd alleen op hun onderste laag - kromtrekken kan overal optreden waar deze geometrische omstandigheden bestaan. Vaak lange, geëxtrudeerde overhangen krullen om dezelfde redenen op, zelfs als ze worden ondersteund, zoals blijkt uit deze dunne, schuine overhang hieronder:

Dus bij het 3D-printen van onderdelen is het belangrijk om te proberen het grootste vlak aan de onderkant te krijgen, omdat onderdelen de neiging hebben om te vervormen naarmate de dwarsdoorsnede groter wordt bovenop gestapelde lagen. Bovendien, hoe meer oppervlakte je hebt in contact met de bouwplaat, hoe beter, want een groter oppervlak zal beter vasthouden. Ik heb het afgeknotte prisma ondersteboven afgedrukt, in de onderstaande richting:

En zoals je mag verwachten, geen kromtrekken:

Hoewel dit een eenvoudig voorbeeld is, en met een onderdeel als dit mag het duidelijk zijn dat het met de grootste bedrukte zijde naar beneden moet worden afgedrukt, is het in sommige scenario's niet zo voor de hand liggend, dus denk eraan om de bouworiëntatie te overwegen bij het ontwerpen van het onderdeel.

3. Een rand toevoegen

Een rand kan aan onderdelen worden toegevoegd met behulp van de "rand"-tool, die in feite wat extra contactgebied toevoegt aan de bouwplaat rondom uw onderdeel.

Dit vermindert kromtrekken of krullen om twee redenen. Ten eerste heeft het onderdeel een "uitgebreid" bodemoppervlak, wat betekent dat het contact met de bouwplaat groter is dan normaal. Twee, elke kromming die optreedt, wordt naar de rand overgebracht, wat het ergste zal nemen. De rand geeft bovendien een beter oppervlak voor steunstructuren om aan te hechten. Onze ondersteunende structuren zijn lange, dunne lijnen, die, zoals ik hierboven heb uitgelegd, echt willen samentrekken. Als er veel ondersteuningsmateriaal onder uw onderdeel zit, zal een rand een goed oppervlak bieden waar de ondersteuningsstructuren aan kunnen blijven kleven. De steunen krullen niet zo veel omdat ze aan de rand plakken - een vlak, groot oppervlak dat aan de bouwplaat plakt. Hieronder is een test van het onderdeel met een rand:

4. Maak je eigen rand

Soms, vanwege de vreemde geometrieën van het contactpunt van de bouwplaat, zullen onderdelen nog steeds kromtrekken, alleen omdat de rand mogelijk niet groot genoeg of gebogen genoeg is. In deze unieke gevallen kan het nodig zijn om uw eigen rand te CAD-tekenen. Wat in deze scenario's wordt voorgesteld, is om dunne, ronde "stippen" toe te voegen aan alle hoeken van uw onderdeel, waardoor er meer oppervlaktecontact met de bouwplaat ontstaat op belangrijke punten waar kromtrekken optreedt.

Mijn eigen ontworpen randen elimineren kromtrekken net zo goed als onze prefab rand, en kunnen handig zijn voor meer gecompliceerde onderdelen:

5. Voeg composietvezel toe aan uw onderdeel

Een van de unieke mogelijkheden van de Mark Two is het vermogen om vezels in componenten te leggen om stijvere en sterkere 3D-geprinte onderdelen te maken. Vanwege de mogelijkheden van composietmateriaal van Markforged 3D-printers, kunt u, om kromtrekken in een onderdeel te verminderen, vezels toevoegen aan de onderste paar lagen om de stijfheid te vergroten.

Dit dwingt in wezen de onderste lagen om plat te zijn, waardoor het bijna onmogelijk is om krom te trekken. Als je dit echter doet, denk er dan aan om het composiet in evenwicht te brengen door een sandwich van vezels aan de boven- en onderkant van je onderdeel te maken om de torsiesterkte te optimaliseren, zoals beschreven in deze blogpost. Zoals u kunt zien, blijft het testkettingstuk zonder ontwerpwijzigingen aan het originele onderdeel plat:

Extra tip:print in Onyx!

Zoals beschreven in tip #5, kan het minimaliseren van kromtrekken vanuit materiaaloogpunt worden aangepakt met onze Continuous Fibre Fabrication (CFF)-methode. Maar sommige van onze andere materialen komen ook goed van pas bij het oplossen van dit probleem. Onyx, ons met microkoolstof versterkte filament, vervormt niet zo veel onder hitte. Dit betekent dat het veel minder kromtrekt dan ons standaard nylon, en veel meer vormstabiele onderdelen creëert. U kunt hier meer lezen over de maatvastheid van Onyx. Zonder vezelversterking blijft het Onyx-filament stabiel:

Ik hoop dat dit bericht je heeft geholpen te begrijpen waarom 3D-geprinte onderdelen kromtrekken en hoe je je ontwerpen kunt verbeteren om kromtrekken te voorkomen! Als je je eigen experimenten wilt uitproberen om kromtrekken op 3D-geprinte onderdelen te verminderen, probeer het dan zelf eens met het stl-bestand en het mfp-bestand! Als je vragen, suggesties of ideeën voor toekomstige blogposts hebt, laat het ons dan weten via [email protected].