Моделирование для 3D-печати: толщина стенок, поверхности, усадка, поддержки

3D-печать распахнула совершенно новые возможности физической визуализации воображения дизайнера. Она позволяет материализовывать предельно сложные проекты, которые не удается воплотить даже на самых хитрых токарных и фрезерных станках. Этот факт проходит красной линией через развитие новых концепций и продуктов 3D-печати, которые появляются каждый день. Тем не менее, конечно, приходиться как-то скрывать от глаз случайные расхождения между проектом и реально полученным объектом. То, что вы проектировали, — не всегда то, что вы в итоге получили. Существует масса факторов, которые влияют на термомеханический процесс 3D-печати, они, если их не учесть на этапе проектирования, могут привести к изменению модели. Вот несколько моментов, которые следует учитывать при проектировании для 3D-печати.

Минимальный структурный размер

Минимальная толщина стенки зависит от толщины слоя при печати. Если слой 0,25 мм, то стенка должна быть не менее 0,50 мм, т.е. вдвое толще. Оптимальная прочность достигается при толщине стенки не менее чем в четыре раза большей, чем толщина слоя (в нашем примере — 1 мм). Лучше делать стенки более толстыми — особенно, если они высокие.

Объекты хорошего качества могут быть напечатаны, если отталкиваться от их высоты (по Z). Лучше всего, если высота пропорциональна толщине слоя. Например, если слой 0,5 мм, то высота может быть 4,5 или 5, но не 4,75 мм. Получается что-то наподобие кирпичной кладки. Общая высота всегда пропорциональна высоте одного кирпича и толщине слоя цементной смеси между кирпичами. Любая другая запланированная высота может быть достигнута изменением объема цемента или раскалыванием кирпичей, что в нашем процессе 3D-печати, увы, невозможно.

Печать отверстий и цилиндров зависит от их ориентации и толщины слоя. Золотое правило здесь такое: хорошо, чтобы диаметр был больше 2 мм, тогда удастся поддерживать требуемую форму. Слишком маленькие сечения отверстий и цилиндров приводят к тому, что их контур получается искаженным.

Качество поверхности

Хорошего качества поверхности можно достичь на горизонтальной или вертикальной плоскости, но не на наклонной. Наклонная поверхность на самом деле состоит из ступенек и результат, как показано на нижеприведенном рисунке, зависит от высоты каждой из них. «Эффект лестницы» является причиной того, что поверхности получаются грубыми и угловатыми. Поэтому, если вы хотите получить деталь с гладкой блестящей поверхностью, лучше всего проектировать и располагать эту поверхность в горизонтальной или вертикальной плоскости, либо печатать с минимально возможной толщиной слоя (высотой ступенек лестницы).

Иллюстрация эффекта лестницы для наклонной поверхности.

Усадка

Обычно вещества расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Поэтому, когда слои горячего полимера, которым ведется печать, остывают, происходит усадка. Следовательно, для компенсации уменьшения объема требуется некоторое количество дополнительного материала. Это количество существенным образом зависит от используемого филамента, и последние программы для 3D-печати (слайсеры) автоматически учитывают усадку при анализе CAD-файла. Можно держать этот эффект под контролем и вручную, соответствующим образом изменив чертеж. Если стенки имеют сходную толщину и пластик нигде не скапливается, это способствует равномерному распределению тепла и уменьшению усадки.

Изменение чертежа для уменьшения усадки

Сборка и монтаж

Иногда мы проектируем и печатаем детали, которые должны соединяться друг с другом, но никак не соединяются. Это все из-за недостаточных допусков, которые необходимы для сборки. Величина допусков зависит, как правило, от типа используемого 3D-принтера. По оси Z в подавляющем большинстве случаев требуется допуск, равный толщине слоя. По горизонтальным осям допуск должен быть равен толщине экструдирования.

Поддерживающие структуры


Применение поддерживающих структур является характерной особенностью 3D-печати. Они применяются для нависающих объектов, чтобы избежать отклонений и пространственных искажений. Поддерживающие структуры требуются для:

• горизонтальных поверхностей,
• наклонных поверхностей при угле менее 45 ° (в зависимости от материала),
• горизонтальных отверстий диаметром менее 3 мм (в зависимости от материала).

Многие слайсеры умеют на основе CAD-проекта сами генерировать поддержки. Однако для получения объекта без искажений лучше предварительно, учитывая условия печати, просмотреть сгенерированные структуры. Поддерживающие структуры помогают также рассеянию тепла, уменьшая таким образом остаточное напряжение. Остаточное напряжение возникает тогда, когда очаг нагревания концентрируется в какой-то определенной части детали, не имея выхода для рассеивания. Наличие остаточного напряжения приводит к тому, что слои плохо склеиваются друг с другом и получается то, что называется деламинацией или расслоением.

Ориентация

Ориентация детали — один из самых важных факторов, который нужно учитывать при проектировании и позиционировании объекта в 3D-принтере. В этом случае целью является минимизация процесса печати в целом, уменьшение требований к поддержкам и получение оптимального качества поверхности. На приведенных ниже иллюстрациях показано, как проект может быть изменен и переориентирован на столе, чтобы сократить опорные структуры и достичь лучшего качества.

Изменение чертежа, чтобы избежать поддержек

Изменение/переориентация чертежа, чтобы избежать поддержек

Переориентация для получения хорошего контура

При учете всех описанных и других соответствующих факторов можно значительно сократить число наиболее распространенных дефектов и ненужных шагов в работе. Это позволяет получать эстетичные объекты более высокого качества. Пользуйтесь свободой проектирования, внедряйте изощренные хитрости и создавайте собственные шедевры.