Additieve Ondersteuningsstructuren: Waarom Ze Ertoe Doen En Hoe Ze Te Ontwerpen – De Essentiële Gids

Gepubliceerd op 5 april 2022

Additieve fabricage heeft een nieuw tijdperk van fabricagemogelijkheden ingeluid. 3D-printtechnologie stelt ons in staat om eerder 'onmakbare' delen te creëren, met complexe dimensies en hoeken, met ongekende snelheid en precisie. Echter, de aard van het additieve fabricageproces, waarin materiaal laag voor laag wordt toegevoegd, betekent vaak dat delen ondersteuning nodig hebben om interne druk te managen - essentieel, de kracht van zwaartekracht - tijdens de print. Zonder die ondersteuning kunnen additieve lagen niet opgehouden worden door het materiaal eromheen en instorten, wat de print laat mislukken. Om deze uitdaging aan te pakken, moeten we soms ondersteuningsstructuren in onze 3D-geprinte delen ontwerpen.

Om ervoor te zorgen dat u het potentieel van uw 3D-geprinde deel maximaliseert voor snelheid, kwaliteit en kosten, is het belangrijk om ondersteuningsstructuren te begrijpen en hoe ze geïntegreerd moeten worden in uw additieve fabricageproject.

Wat Zijn Ondersteuningsstructuren In 3D-Printen?

Ondersteuningsstructuren houden elementen van een 3D-geprinte deel op die geen ondersteunend materiaal hebben tijdens fabricage. Niet alle 3D-printprocessen vereisen ondersteuningsstructuren: terwijl de Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS), en Stereolithografie (SLA) processen vaak supports vereisen, vereist HP Multi Jet Fusion, wat een powder bed printproces is, dit niet.

In het Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM) additieve fabricageproces, bijvoorbeeld, worden lagen gehitte geëxtrudeerd materiaal opgebouwd vanaf een printbed door adhesie aan de materaillagen eronder en kunnen die lagere lagen overhangen om een hoekig oppervlak te creëren. Wanneer die hoek 45° overschrijdt, vereist het overhangende element over het algemeen ondersteuning of het gewicht van het niet-ondersteunde materiaal zal het element laten instorten en de print laten mislukken.

Links: Als de overhang 45° of minder is genomen vanaf het verticale, zijn supports over het algemeen niet nodig
Rechts: Als de overhang groter is dan 45° genomen vanaf het verticale, zijn supports over het algemeen nodig

Waar supports vereist zijn, moeten ze geïntegreerd worden in het deelsontwerp en geprint worden in het deel wanneer het geproduceerd word. Natuurlijk betekent dit rekening houden met de extra tijd en materiaal die tijdens het 3D-printproces en de daaropvolgende post-process verwijdering van de ondersteuningsstructuren vereist zijn.

Uitzonderingen: Niet alle additieve fabricagemethoden vereisen ondersteuningsstructuren. Terwijl 3D-printtechnologieën zoals fused deposition modeling (FDM) delen printen door lagen materiaal toe te voegen aan een printbed, printen anderen, zoals HP Multi Jet Fusion (MJF) delen vanaf een powder bed. Aangezien de poederlagen zelf-ondersteunend zijn, hoeven HP MJF deelsontwerpen geen ondersteuningsstructuren te incorporeren.

Welke Typen Ondersteuningsstructuren Zijn Beschikbaar?

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

• Boom-ondersteuningen: Lijken op takken of stammen, boom-ondersteuningen kunnen een deel omringen en netjes passen aan hoekige oppervlakken voor gemakkelijke verwijdering. Boom-ondersteuningen kunnen snel ontworpen, toegepast en getest worden als onderdeel van een 3D-printproject, wat snelle iteratie mogelijk maakt. Hun tak-achtige structuur betekent dat ze zich over afstanden kunnen uitrekken om specifieke gebieden te ondersteunen.
• Hek-ondersteuningen: Lijken op muren, en met een verscheidenheid aan bevestigingspunten, worden hek-ondersteuningen loodrecht op een deelsoppervlak geprint, vaak met een roosterstructuur. Hek-ondersteuningen zijn duurzamer en makkelijker te verwijderen dan boom-ondersteuningen, en zijn typisch een betere keuze voor cosmetische stukken of hoge-volume productie.

Wanneer Moet Ik Additieve Fabricage Ondersteuningsstructuren Gebruiken?

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

Echter De 45° regel moet beschouwd worden als een algemene rule of thumb en de noodzaak voor ondersteuningsstructuren zal variëren afhankelijk van de complexiteit van het deelsontwerp en het gebruikte materiaal. In sommige gevallen kan bridging een alternatief bieden voor ondersteuningsstructuren: bridging is een techniek waarin gehit additief materiaal over een korte afstand (meestal minder dan 5mm) wordt gerekt zonder de integriteit van het deel te compromitteren.

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

• De letter Y: Twee armen strekken zich uit van de letter Y op 45° – de hoek van hun overhang vereist geen ondersteuningsstructuren. Hoe verder de overhanghoek 45° overschrijdt, des te waarschijnlijker is het dat ondersteuningsstructuren nodig zullen zijn.
• De letter H: Als de twee verticale elementen van de letter H binnen 5 mm van elkaar zijn, kan het mogelijk zijn om het horizontale element van de H met een bridge te 3D-printen. Als de verticale elementen verder dan 5mm uit elkaar liggen, kan het horizontale element ondersteuningsstructuren vereisen.
• De letter T: De twee armen van de letter T strekken zich uit van het verticale element op 90° en zullen ondersteuningsstructuren vereisen.

Naast de hoek van een overhang, kunnen andere factoren de noodzaak voor ondersteuningsstructuren beïnvloeden. Deze omvatten de kwaliteit van de 3D-printer en de snelheid waarmee het print: langzamere printers kunnen bijvoorbeeld de noodzaak voor ondersteuningsstructuren verhogen.

Ondersteuningsstructuren: Fabricageuitdagingen

Ondersteuningsstructuren zijn een noodzaak in veel additieve builds maar het is belangrijk om te onthouden dat ze de kosten van een deel in volumeproductie significant kunnen beïnvloeden - niet te praten over de hoeveelheid afvalmateriaal dat het project uiteindelijk produceert. Zorgvuldigheid moet ook betaald worden bij het verwijderen van ondersteuningsstructuren aangezien ze het afgeronde deel kunnen beschadigen of markeren tijdens het losmaken.

Met die factoren in gedachten, zouden 3D-geprinte delen ideaal ontworpen moeten worden om de noodzaak voor ondersteuningsstructuren te minimaliseren of te elimineren en, waar mogelijk, design for additive manufacturing (DFAM) principes toegepast moeten worden om delen te optimaliseren voor kwaliteit, kosten en productietijd. De volgende strategieën kunnen helpen de noodzaak voor ondersteuningsstructuren te reduceren:

Oriëntatie: De oriëntatie van delen op het printbed kan de noodzaak voor ondersteuningsstructuren beïnvloeden. Overhangs kunnen bijvoorbeeld geëlimineerd worden door een deel op zijn rug of kant te roteren. In de bovenstaande voorbeelden zou het leggen van elk van de 3D-model letters Y, H en T op hun rug elk overhangend element samen met de noodzaak voor ondersteuningsstructuren of bruggen volledig elimineren.

Deelsgeometrie: Waar mogelijk, overhangs uit uw ontwerp verwijderen - of hun hoek reduceren tot minder dan 45°. Natuurlijk kunnen functionele vereisten de totale eliminatie van overhangs onmogelijk maken, maar u kunt in staat zijn alternatieve ontwerpelementen te introduceren zoals faseringen, gussets en radialen om de deelsgeometrie meer zelf-ondersteunend te maken.

Deelseparatie: 3D-printtechnologie stelt de productie van complexe enkele delen in staat, maar als de hoeveelheid ondersteuning die die delen nodig hebben hun kwaliteit of kosteneffectiviteit reduceert, kan het de moeite waard zijn om het deel op te splitsen in kleinere componenten die later geassembleerd kunnen worden. Sferische delen, bijvoorbeeld, vereisen substantiële ondersteuning maar door ze in twee te splitsen, en een groot plat oppervlak te creëren, is het mogelijk om de noodzaak voor supports volledig te elimineren.

Ondersteuningsdensiteit: De drukken uitgeoefend op ondersteuningsstructuren zullen dichten hoe sterk ze moeten zijn en hoeveel materiaal vereist is om ze te printen. Om een succesvolle en kosteneffectieve print te garanderen, zorg ervoor dat uw ondersteuningsstructuren dicht genoeg zijn om de grootte van het overhangende element te ondersteunen. Houd in gedachten dat hoe dichter de ondersteuningsstructuur, des te moeilijker het post-print kan zijn om te verwijderen.

Oplosbare supports: Sommige 3D-printtechnologie kan in staat zijn om ondersteuningsstructuren in een apart oplosbaar materiaal te printen, via een secundaire printnozzle. Deze ondersteuningsstructuren kunnen na de print in water of chemicaliën gedoopt worden en opgelost worden om een intact deel achter te laten. Oplosbare supports reduceren het potentieel voor schade aan het afgeronde deel tijdens het verwijderingsproces van de ondersteuningsstructuur. Meeste FDM additieve materialen hebben oplosbare supports, DLS en SLA materialen niet. Het HP MJF proces vereist geen supports.

Aan De Slag

Ondersteuningsstructuren zullen een integrale rol blijven spelen in de meeste additieve fabricageprojecten.

Terwijl het doel altijd is om de noodzaak voor ondersteuningsstructuren te reduceren of elimineren, streven onze ingenieurs ernaar uw deel te optimaliseren voor functionaliteit en kosten. Als u meer wilt weten over hoe we uw additieve fabricageproject mogelijk kunnen maken, neem vandaag nog contact op met het SyBridge team.