Additieve ondersteuningsstructuren:waarom ze ertoe doen en hoe je ze ontwerpt – de essentiële gids

Gepubliceerd op 5 april 2022

Additive manufacturing heeft een nieuw tijdperk van productiemogelijkheden ingeluid. 3D-printtechnologie stelt ons in staat voorheen ‘onmaakbare’ onderdelen te creëren, met complexe afmetingen en hoeken, met een ongekende snelheid en precisie. De aard van het additieve productieproces, waarbij materiaal laag voor laag wordt toegevoegd, betekent echter vaak dat onderdelen ondersteuning nodig hebben om de interne druk (in wezen de zwaartekracht) tijdens het printen 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 ondersteuningsstructuren ontwerpen in onze 3D-geprinte onderdelen.

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

Wat zijn ondersteunende structuren bij 3D-printen?

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

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

Waar ondersteuningen nodig zijn, moeten deze worden geïntegreerd in het onderdeelontwerp en in het onderdeel worden afgedrukt wanneer het wordt geproduceerd. Dit betekent uiteraard 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 productiemethoden 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 beschikbaar?

Ondersteuningsstructuren voor 3D-geprinte onderdelen variëren qua ontwerp en type, maar kunnen grofweg in twee categorieën worden onderverdeeld:‘bomen’ en ‘hekken’.

• Boomsteunen:  Boomsteunen lijken op takken of stammen en kunnen een onderdeel omsluiten en netjes op schuine oppervlakken passen, zodat ze gemakkelijk kunnen worden verwijderd. Boomsteunen kunnen snel worden ontworpen, toegepast en getest als onderdeel van een 3D-printproject, waardoor snelle iteratie mogelijk is. Door hun takachtige structuur kunnen ze over grote afstanden reiken om specifieke gebieden te ondersteunen.
• Heksteunen:  De heksteunen lijken op muren en hebben een verscheidenheid aan bevestigingspunten. Ze worden loodrecht op het oppervlak van een onderdeel afgedrukt, vaak met een roosterstructuur. Heksteunen zijn duurzamer en gemakkelijker te verwijderen dan boomsteunen, en zijn doorgaans een betere keuze voor cosmetische stukken of productie in grote volumes.

Wanneer moet ik ondersteunende structuren voor Additive Manufacturing gebruiken?

De ‘45°-regel’ suggereert dat 3D-geprinte overhangen van 45° en groter ondersteuning nodig hebben, terwijl die onder 45° dat niet doen.

De 45°-regel moet echter worden beschouwd als een algemene vuistregel en de behoefte aan ondersteunende structuren zal variëren afhankelijk van de complexiteit van het onderdeelontwerp en van het gebruikte materiaal. In sommige gevallen kan overbrugging een alternatief bieden voor ondersteunende constructies: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 structuren voor additieve productie te illustreren.

• De letter Y:  Twee armen strekken zich uit vanaf de letter Y onder een hoek van 45° – de hoek van hun overhang vereist geen ondersteunende structuren. Hoe verder de overhanghoek groter is dan 45°, hoe waarschijnlijker het is dat er ondersteunende structuren nodig zullen 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 in 3D te printen. Als de verticale elementen verder dan 5 mm uit elkaar staan, heeft het horizontale element mogelijk steunstructuren nodig.
• De letter T:  De twee armen van de letter T strekken zich onder een hoek van 90° uit vanaf het verticale element en vereisen ondersteunende structuren.

Naast de hoek van een overstek kunnen andere factoren de behoefte aan ondersteunende structuren beïnvloeden. Deze omvatten onder meer de kwaliteit van de 3D-printer en de snelheid waarmee deze print:langzamere printers kunnen bijvoorbeeld de behoefte aan ondersteunende structuren vergroten.

Ondersteuningsstructuren:productie-uitdagingen

Ondersteuningsstructuren zijn een noodzaak bij veel additieve constructies, maar het is belangrijk om te onthouden dat ze de kosten van een onderdeel bij 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 steunconstructies, aangezien deze het voltooide onderdeel kunnen beschadigen of markeren wanneer ze loskomen.

Met deze factoren in het achterhoofd zouden 3D-geprinte onderdelen idealiter zo moeten worden ontworpen dat de behoefte aan ondersteunende structuren wordt geminimaliseerd of geëlimineerd. Waar mogelijk moeten ontwerpprincipes voor additive manufacturing (DFAM) worden toegepast om de kwaliteit, kosten en productietijd van onderdelen te optimaliseren. De volgende strategieën kunnen helpen de behoefte aan ondersteunende structuren te verminderen:

Oriëntatie:  De oriëntatie van onderdelen op het printbed kan de behoefte aan ondersteunende structuren beïnvloeden. Overhangen kunnen bijvoorbeeld worden geëlimineerd door een onderdeel op zijn achterkant 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, evenals de noodzaak voor ondersteunende structuren of bruggen.

Onderdeelgeometrie:  Verwijder waar mogelijk overhangen uit uw ontwerp – of verklein de hoek ervan tot minder dan 45°. Het is duidelijk dat functionele vereisten de totale eliminatie van uitsteeklengtes 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.

Onderdeelscheiding:  3D-printtechnologie maakt de productie van complexe afzonderlijke onderdelen mogelijk, maar als de hoeveelheid ondersteuning die deze 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 onderdelen hebben bijvoorbeeld substantiële 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 print te garanderen, moet u ervoor zorgen dat uw ondersteuningsstructuren dicht genoeg zijn om de grootte van het overhangende element te ondersteunen. Houd er rekening mee dat hoe dichter de draagstructuur is, hoe moeilijker het kan zijn om de post-print te verwijderen.

Oplosbare dragers:  Sommige 3D-printtechnologie kan mogelijk steunstructuren printen in een afzonderlijk oplosbaar materiaal, via een secundair printmondstuk. Deze ondersteunende structuren kunnen worden ondergedompeld in water of chemicaliën, na het printen en worden opgelost om een ​​intact onderdeel achter te laten. Oplosbare steunen verminderen de kans op schade aan het voltooide onderdeel tijdens het verwijderingsproces van de steunstructuur. De meeste FDM-additieve materialen 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 additieve productieprojecten.

Hoewel het doel altijd is om de behoefte aan ondersteunende structuren te verminderen of te elimineren, streven onze ingenieurs ernaar om uw onderdeel te optimaliseren wat betreft 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 SyBridge-team.