Wartykule przedstawiony został kolejny aspekt projektowania z myślą o wykorzystaniu druku 3D jako technologii wytwarzania elementów docelowych/prototypowych. We wcześniejszych wpisach poruszone zostały tematy gabarytów budowanych modeli oraz tolerancji wymiarowych zależnych od wybranej technologii czy też rodzaju połączenia elementów drukowanych. Tym razem na celownik zostały wzięte tzw. „elementy nawisowe” w geometrii budowanego obiektu.
Większość technologii druku 3D, opartych o rozwiązania z najwyższej półki, nie wymaga specjalnego podejścia projektowego do geometrii nawisowych w modelu. Warto w tym wypadku wspomnieć o technologiach takich jak SLS, MJM, CJP, FDM (na bazie dwóch głowic) czy też SOLIDSCAPE. Należy jednak pamiętać, że są to najdroższych rozwiązaniach, co nie zawsze idzie współgra z potencjalnymi wymaganiami co do ekonomiczności wykonania danego modelu przy wykorzystaniu druku 3D. Co więcej, nawet technologie SLA/DLP oparte o żywice chemo- lub termo- utwardzalne, które nie należą do najtańszych rozwiązań, wymagają odpowiednich struktur wspierających właśnie te kapryśne elementy geometrii.
Elementy nawisowe – co to tak naprawdę jest?
Dla lepszego zrozumienia tematu, poniżej przedstawiony został prosty przykład obiektu z elementami nawisowymi wymagającymi struktur wspierających w takich technologiach jak SLA, DLP czy FDM. Z nawisami, utrudniającymi proces nanoszenia/utwardzania tworzywa, mamy do czynienia w przypadku gdy ściany budowanego obiektu przekraczają kąt odchylenia od osi pionowej wynoszący 45˚.
Jak już nie raz wspominaliśmy, jedną z najbardziej ekonomicznych technologii przyrostowych jest Fused Deposition Modeling (FDM), w której materiałem modelowym są tworzywa termoplastyczne. W wypadku maszyny budującej obiekty w tej technologii, posiadającej jedną głowicę występuje potrzeba generowania tzw. struktur wspierających przy wykorzystaniu tego samego materiału, z którego wykonujemy model docelowy. Struktury takie należy później usunąć mechanicznie poprzez wyłamanie lub odcięcie przy pomocy takic narzędzi jak np. skalpel. Wpływa to często na jakość powierzchni wspieranych. Nawet w bardziej zaawansowanych maszynach opartych o zasadę wytwarzania wykorzystywaną w FDM, gdzie druga głowica buduje struktury wspierające z materiału wypłukiwalnego, występuje różnica między jakością obszarów wspieranych i tych, które tego wsparcia wymagają. Ta sama cecha odnosząca się do powierzchniami wspieranymi dotyczy również technologii SLA i DLP – często wiążą się one z potrzebą mechanicznego usuwania struktur wspierających.
Mosty również wiszą!
Szczególnym przypadkiem geometrii nawisowych są tzw. mosty – powierzchnie równoległe do płaszczyzny podstawy modelowanej bryły (powierzchni roboczej urządzenia). Nazwa tych powierzchni pochodzi bezpośrednio z technologii FDM (w rozwiązaniu opartym na jednej głowicy z materiałem modelowym), gdzie możliwe jest ich budowanie w przypadku małych odległości między krawędziami ograniczającymi daną powierzchnię. Przykład mostów pokazany jest na obrazie poniżej.
Powyższe obrazy przedstawiają dwa różne widoki modelu z tzw. mostami. Na obrazie po lewej stronie widoczna jest geometria z przewieszeniami o różnych odległościach od krawędzi ograniczających. Najmniejsza odległość wynosi 20 mm, a największa to 60 mm. Obraz po prawej stronie przedstawia ten sam model z widocznymi powierzchniami nawisowymi, zaznaczonymi kolorem czerwonym.
Dzięki charakterowi procesu w technologii FDM (jedna głowica z materiałem modelowym), możliwe jest budowanie przedstawionych powyżej mostów do maksymalnej odległości około 50 mm – 60 mm bez stosowania struktur podporowych. Oczywiście wszystko zależy od typu drukarki 3D oraz rodzaju materiału do druku 3D.
Niestety powyższa zasada nie odnosi się w przypadku technologii takich jak SLA/DLP, gdzie zawsze mamy do czynienia z potrzebą wspierania mostów jak i powierzchni nawisowych.
Podsumowanie – projektuj świadomie!
Podsumowując, w wypadku uzasadnionego, ekonomicznego podejścia do wykonania obiektu fizycznego przy pomocy druku 3D, należy pamiętać o cechach i powierzchniach obiektu, na których najbardziej nam zależy. Orientacja obiektu w komorze roboczej urządzenia definiuje powierzchnie i detale wymagające dodatkowego wsparcia. Nie zawsze da się obrócić model tak, aby go uniknąć. Warto zwrócić na to uwagę już na etapie projektowania, ponieważ często można zminimalizować ilość wspieranych powierzchni, nie ujmując funkcjonalności projektowanego elementu a poprawiając jakość otrzymanego detalu. Oczywiście, projektując daną geometrię, często nie chcemy przejmować się ograniczeniami związanymi z technologią wytwarzania. Jest to jednak ważna kwestia w sytuacji, w której chcemy projektowane obiekty wykonywać w małych seriach wykorzystując właśnie technologie przyrostowe. Ograniczenia technologiczne dotyczą także wszystkich innych metod wytwarzania, mimo tego technologie druku 3D często pozwalają na nowe rozwiązania i umożliwiają całkowicie nowe podejście do projektowania i konstruowania!
W następnym artykule pojawi się nieco informacji o optymalizacji geometrii budowanych obiektów – potężnej przewadze wytwarzania przyrostowego nad innymi technologiami wytwarzania. Zapraszamy o lektury!
Zapraszamy do pozostałych artykułów z serii „Co wziąć pod uwagę na etapie projektowania pod druk 3D?”
Cz.1 – Gabaryty modelu
Cz. 2 – Tolerancje wymiarowe
Cz.3 – Elementy nawisowe oraz mosty