3D-print optimaliseren: De cruciale rol van ondersteuningsstructuren en ontwerpstrategieën

Additieve productie heeft een nieuwe tijdperk van productiemogelijkheden ingeluid. 3D-printtechnologie stelt ons in staat om voorheen 'onmogelijke' onderdelen te maken, met complexe afmetingen en hoeken, met ongekende snelheid en precisie. Echter, door de aard van het additieve productieproces, waarbij materiaal laag voor laag wordt toegevoegd, hebben onderdelen vaak ondersteuning nodig om interne druk – eigenlijk de zwaartekracht – tijdens het printen te beheren. Zonder die ondersteuning kunnen additieve lagen niet worden opgehouden door het omringende materiaal en vallen ze in elkaar, wat leidt tot een mislukte print. Om deze uitdaging aan te pakken, moeten we soms ondersteuningsstructuren in onze 3D-geprinte onderdelen ontwerpen.

Wat zijn ondersteuningsstructuren bij 3D-printen?

Ondersteuningsstructuren houden elementen van een 3D-geprint onderdeel op die tijdens de productie geen ondersteunend materiaal hebben. Niet alle 3D-printprocessen vereisen ondersteuningsstructuren: terwijl Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS) en Stereolithografie (SLA) vaak ondersteuning nodig hebben, vereist HP Multi Jet Fusion – een poederbedprintproces – geen ondersteuningsstructuren.

In het Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM) additieve productieproces worden bijvoorbeeld lagen verwarmt, uitgeperst materiaal opgebouwd vanaf een printbed door hechting aan de materiaallagen eronder en kunnen ze overhangen ten opzichte van die lagere lagen om een schuine oppervlakte te creëren. Wanneer die hoek 45° overschrijdt, vereist het overhangende element doorgaans ondersteuning, anders zal het gewicht van het niet-ondersteunde materiaal het element laten instorten en de print laten mislukken.

Waar ondersteuning vereist is, moet deze geïntegreerd worden in het ontwerp van het onderdeel en meegeprint worden wanneer het geproduceerd wordt. Natuurlijk betekent dit dat rekening moet worden gehouden met de extra tijd en het extra materiaal dat tijdens het 3D-printproces nodig is, en de daaropvolgende post-processingsverwijdering van de ondersteuningsstructuren.

Uitzonderingen: Niet alle additieve productiemethoden vereisen ondersteuningsstructuren. Terwijl 3D-printtechnologieën zoals fused deposition modeling (FDM) onderdelen printen door lagen materiaal toe te voegen aan een printbed, printen andere, zoals HP Multi Jet Fusion (MJF), onderdelen vanuit een poederbed. Omdat de lagen poeder zichzelf ondersteunen, hoeven HP MJF-onderdeelsontwerpen geen ondersteuningsstructuren te incorporeren.

Welke typen ondersteuningsstructuren zijn beschikbaar?

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

• Boomondersteuning: Deze lijken op takken of stammen, kunnen een onderdeel omhulen en passen netjes aan schuine oppervlakken voor eenvoudige verwijdering. Boomondersteuning kan snel worden ontworpen, toegepast en getest als onderdeel van een 3D-printproject, wat snelle iteratie mogelijk maakt. Hun takachtige structuur betekent dat ze over afstanden kunnen reiken om specifieke gebieden te ondersteunen.
• Hekondersteuning: Deze lijken op muren, met diverse bevestigingspunten, en worden loodrecht op het oppervlak van een onderdeel geprint, vaak met een roosterstructuur. Hekondersteuning is duurzamer en makkelijker te verwijderen dan boomondersteuning, en is doorgaans een betere keuze voor cosmetische stukken of hoge-volume productie.

Wanneer moet ik additieve productie-ondersteuningsstructuren gebruiken?

De '45°-regel' suggereert dat 3D-geprinte overhangs van 45° en groter ondersteuning vereisen, terwijl die onder 45° dat niet doen.

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

Het 'YHT'-principe: Wanneer geconcipiëerd als 3D-geprinte modellen, staand, zijn de letters Y, H en T nuttig om de noodzaak voor additieve productie-ondersteuningsstructuren te illustreren.

• De letter Y: Twee armen strekken zich uit vanaf de letter Y onder 45° – de hoek van hun overhang vereist geen ondersteuningsstructuren. Hoe verder de overhanghoek 45° overschrijdt, des te waarschijnlijker is het dat ondersteuningsstructuren nodig zijn.
• De letter H: Als de twee verticale elementen van de letter H binnen 5 mm van elkaar liggen, kan het mogelijk zijn om het horizontale element van de H met een brug te printen. Als de verticale elementen verder dan 5 mm uit elkaar liggen, kan het horizontale element ondersteuningsstructuren vereisen.
• De letter T: De twee armen van de letter T strekken zich uit vanaf het verticale element onder 90° en zullen ondersteuningsstructuren vereisen.

Naast de hoek van een overhang kunnen andere factoren de behoefte aan ondersteuningsstructuren beïnvloeden. Hierbij vallen de kwaliteit van de 3D-printer en de snelheid waarmee deze print: langzamere printers kunnen bijvoorbeeld de behoefte aan ondersteuningsstructuren vergroten.

Ondersteuningsstructuren: Productieuuitdagingen

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 – niet te spreken over de hoeveelheid afvalmateriaal die het project uiteindelijk produceert. Er moet ook voorzichtig zijn bij het verwijderen van ondersteuningsstructuren, aangezien ze het afgeronde onderdeel kunnen beschadigen of merken laten toen ze worden losgemaakt.

Met die factoren in gedachten, zouden 3D-geprinte onderdelen ideaal ontworpen moeten worden om de behoefte aan ondersteuningsstructuren te minimaliseren of te elimineren en, waar mogelijk, moeten ontwerpvoor-additieve-productie (DFAM) principes worden toegepast om onderdelen te optimaliseren voor kwaliteit, kosten en productietijd. De volgende strategieën kunnen helpen de behoefte aan ondersteuningsstructuren te verminderen:

Oriëntatie: De oriëntatie van onderdelen op het printbed kan de behoefte aan ondersteuningsstructuren beïnvloeden. Overhangs kunnen bijvoorbeeld worden geëlimineerd door een onderdeel op zijn rug of kant te draaien. In de bovenstaande voorbeelden zou het neerleggen van elk van de 3D-modelletters Y, H en T op hun rug elk overhangend element samen met de behoefte aan ondersteuningsstructuren of bruggen volledig elimineren.

Onderdeelsgeometrie: Waar mogelijk, verwijder overhangs uit uw ontwerp – of verminder hun hoek tot onder 45°. Natuurlijk kunnen functionele eisen de totale eliminatie van overhangs onmogelijk maken, maar u kunt wellicht alternatieve ontwordelementen introduceren zoals affasen, gussets en radialen om de geometrie van het onderdeel meer zelfondersteunend te maken.

Onderdelingscheiding: 3D-printtechnologie maakt de productie van complexe enkele onderdelen mogelijk, maar als de hoeveelheid ondersteuning die die onderdelen nodig hebben hun kwaliteit of kosteneffectiviteit reduceert, kan het de moeite waard zijn om het onderdeel op te splitsen in kleinere componenten die later gemonteerd kunnen worden. Sferische onderdelen vereisen bijvoorbeeld aanzienlijke ondersteuning, maar door ze in tweeën te delen en een groot vlak oppervlak te creëren, is het mogelijk om de behoefte aan ondersteuning volledig te elimineren.

Ondersteuningsdichtheid: De drukken die op ondersteuningsstructuren worden uitgeoefend, zullen bepalen hoe sterk ze moeten zijn en hoeveel materiaal nodig is om ze te printen. Om een succesvolle en kosteneffectieve print te garanderen, moet u ervoor zorgen dat uw ondersteuningsstructuren voldoende dicht zijn om de grootte van het overhangende element te ondersteunen. Houd er rekening mee dat hoe dichter de ondersteuningsstructuur, des te moeilijker het na het printen kan zijn om te verwijderen.

Oplosbare ondersteuning: Sommige 3D-printtechnologie kan ondersteuningsstructuren printen in een apart oplosbaar materiaal, via een secundaire printkop. Deze ondersteuningsstructuren kunnen na het printen in water of chemicalia worden gedompeld en opgelost om een intact onderdeel te laten. Oplosbare ondersteuning vermindert het potentieel voor schade aan het afgeronde onderdeel tijdens het verwijderingsproces van de ondersteuningsstructuur. De meeste FDM-additieve materialen hebben oplosbare ondersteuning, 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 additieve productieprojecten.

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

Klaar om uw onderdelen te maken met Fast Radius?

Start uw offerteaanvraag