Orientacja wydruku 3D: Jak wpływa na wytrzymałość, dokładność i wykończenie powierzchni
Mogłoby się wydawać oczywiste, że należy wybierać orientację zapewniającą minimalną wysokość z, czyli najkrótszy czas konstrukcji. Jednak wysokość Z czasami może nie być najistotniejsza pod względem wymagań dotyczących elementu. Istnieje kilka innych czynników technicznych, które warto uwzględnić w wyborze orientacji wydruku 3D. Kiedy myśli się o orientacji wydruku 3D — w szczególności w technice stereolitografii (SLA) — warto wyobrazić sobie ołówek. Co trzeba zrobić, aby wykonać wydruk 3D tego ołówka warstwa po warstwie, poziomo lub pionowo? Zrobienie tego w poziomie zajmie mniej czasu, ponieważ jest on bardziej płaski, gdy leży na boku, a wydrukowanie go w pionie trwałoby dłużej, ponieważ jest wysoki i wymaga przeciągnięcia większej liczby warstw ułożonych kolejno jedna na drugiej. Drukowanie go w poziomie wymagałoby również większej liczby konstrukcji wsporczych niż gdyby drukować ołówek w pionie, a usuwanie ich w celu uzyskania gotowego elementu też zajęłoby trochę czasu. Wybór orientacji może zatem zależeć od wymagań dotyczących wytrzymałości lub wykończenia powierzchni ołówka, i czasami się może okazać, że najlepiej będzie ustawić element pod kątem. Jest kilka kryteriów, które warto wziąć pod uwagę podczas wybierania orientacji konstrukcji stereolitografii. Zapoznajmy się z nimi!
Orientacja elementu wydruku 3D według kryterium wytrzymałości
Spójrzmy najpierw na krótką ilustrację, która wyjaśnia ogólne implikacje nakładania się warstw wydruku 3D i zewnętrznych sił działających na elementy. Gdy siły rozciągające są prostopadłe do warstw, element może być słabszy. Gdy siły rozciągające są równoległe do warstw, element jest mocniejszy. Gdy siły są prostopadłe do warstw, element jest na ogół w stanie wytrzymać większe siły ściskania, niż gdyby siły były równoległe do warstw. Nasuwają się dwa wnioski:
- Należy drukować w takiej orientacji, aby warstwy leżały w jednej linii z osią, na której występują największe siły rozciągające i
- Należy drukować w takiej orientacji, aby warstwy przecinały oś, na której siły ściskania są największe
W teoretycznym przypadku ołówka pozioma orientacja konstrukcji prawdopodobnie będzie dobrze reagować na siły rozciągające i zginające, którym ołówek będzie poddawany podczas użytkowania. Należy pamiętać, że te wskazówki dotyczą zawsze elementów tworzonych w technice modelowania osadzania topionego (FDM). Elementy tworzone w technice SLA odznaczają się znacznie mniejszą anizotropią niż te, które są tworzone w technice FDM, ponieważ warstwy są wiązane chemicznie, a SLA zapewnia osiągnięcie znacznie większej rozdzielczości niż FDM. Jednak materiały termoutwardzalne mogą wymagać dodatkowego przemyślenia orientacji elementów, aby ich wytrzymałość była jak największa w krytycznych miejscach.
Orientacja zapobiegająca skurczowi różnicowemu
Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej nierównomierny rozkład materiału w elemencie, tym bardziej będzie on podatny na wadę nazywaną skurczem różnicowym. Niektóre geometrie i wymiary elementów są z natury rzeczy bardziej podatne na kurczenie się, ponieważ poprzednie warstwy materiału nie podpierają ich w wystarczającym stopniu. Aby to sobie uzmysłowić, wyobraźmy sobie wielką literę „H”. Kiedy poprzeczka narasta pośrodku warstwa po warstwie, stopniowo ściąga do środka obie nogi, przez co element wygina się w łuk na dole. Istnieje kilka sposobów na zapobieganie skurczowi różnicowemu. Elementy SLA konstruujemy często pod kątem, aby zmniejszyć powierzchnię, a tym samym ogólne naprężenia występujące w poszczególnych warstwach. Wpływa to także korzystnie na wymiarowość i dokładność wykonania elementu. Ponadto konstruujemy elementy w pozycji leżącej, tak aby powierzchnia każdej formowanej warstwy była taka sama jak warstwy leżącej pod nią i nie było dużych zmian przekroju poprzecznego. Jeśli element zawiera miejsca o znaczeniu krytycznym lub wymagające wysokiej rozdzielczości, powinien być ustawiony, tak aby te miejsca znajdowały się na wierzchu elementu. Z drugiej strony konstruowanie elementów pod kątem może uniemożliwić uzyskanie idealnego wykończenia powierzchni, jeśli liczy się kosmetyka.
Skurczu różnicowego można uniknąć, starając się eliminować zwiększanie przekroju poprzecznego w elemencie (jak pokazano powyżej) lub ustawiając element pod kątem (jak pokazano po prawej stronie).
If smooth, cosmeticJeśli zależy nam na gładkich, kosmetycznych cechach, powinniśmy konstruować elementy w pionie. Konstruowanie pod kątem spowoduje, że będą widoczne linie warstw, jak widać na przykładzie walca ściętego. features are the goal, build parts vertically. Building at an angle will cause visible layer lines as shown on the angled cylinder.
Orientacja w celu uzyskania pożądanego wykończenia powierzchni
Jeśli zależy nam na kosmetycznym wykończeniu elementu, ponieważ będzie on prezentowany na targach lub na wystawie, powinniśmy raczej konstruować element na płasko, a nie pod kątem. Wszelkie krytyczne miejsca powinny znajdować się na wierzchu, ponieważ górna powierzchnia będzie gładsza i bardziej skłonna do dokładności wymiarowej. Jeśli natomiast element jest konstruowany w pozycji przodem do dołu, konstrukcje wsporcze, które będą musiały zostać usunięte i piaskowane, wyeliminują ewentualny efekt połysku.
Efekt połysku jest pokazany na przykładzie litery „H”, która została skonstruowana w pozycji leżącej. W „H” skonstruowanej pod kątem widoczne są linie warstwy i ich możliwy wpływ wizualny na tekst.
Z reguły nasz zespół może wybrać inną orientację, aby element został wykonany z jak najlepszą jakością. Ważną rzeczą, o której należy pamiętać, jest to, że jeśli nie określisz żądanej orientacji elementu (pozioma lub pionowa), wybierzemy orientację, która według nas jest najlepszym kompromisem między najkrótszym czasem konstrukcji a dobrym wyglądem. Poinformowanie nas, jakie są najważniejsze aspekty wydruków 3D, ułatwia nam wybranie odpowiedniej orientacji elementu podczas procesu konstruowania. Główny wniosek jest zatem taki, że jeśli masz konkretne wymaganie dotyczące wydruku 3D, jak np. krytyczne miejsca, koszt, czy określone pożądane wykończenie powierzchni, warto poinformować o tym naszych inżynierów z wyprzedzeniem, abyśmy mogli utworzyć element spełniający indywidualne wymagania.