A legfontosabb alapelvek 3D nyomtatott termékek tervezéséhez

Nem elég a jó ötlet és a jó modell: a 3D nyomtatással készülő termékek tervezésekor egy sor más szempontot is figyelembe kell vennünk. Ilyenek a méret, a felbontás, a falvastagság és az építési orientáció, melyek csak akkor működhetnek együtt megfelelően, ha meghatározásuk, illetve kiválasztásuk során a közös optimumra törekszünk.

Az alábbiakban a felsorolt négy szemponttal foglalkozunk részletesebben:

kiegyensulyozott_design_alapelvei_vagott

1. Méret

Az egyik első és legfontosabb kérdés a 3D nyomtatott munkadarab tervezésekor, annak mérete. Minden additív technológiáról ismert az optimális építési méret, vagyis az, hogy mekkora termékek állíthatók elő vele megfelelő minőségben. A legnagyobb építési méretekkel rendelkező eljárás az FDM (szálhúzásos technológia), ezek a gépek akár 91 x 61 x 91 cm-es (X, Y és Z tengely) munkatérrel is rendelkezhetnek.

Azok a termékek, amelyeknek mérete meghaladja a nyomtatók építési méreteit, a CAD modell készítése során részekre (alkatrészekre) kell bontani. Ebben az esetben a nyomtatás után szerelhető össze a kész munkadarab. A munkadarab mérete befolyásolja továbbá a megmunkálás időtartamát, illetve költségét: minél nagyobb a darab, annál több időt és anyagot (tehát költséget) jelent a legyártása.

2. Felbontás

balanced designA felbontás, vagyis a rétegek vastagsága (vagy rétegmagasság) a teljes nyomtatási folyamatot meghatározza. A nyomtatási eljárástól függően a kisebb rétegvastagság csökkentheti a lépcsőzetességet, illetve a felületeken megjelenő egyenetlenségek mértékét. A felbontás így meghatározza az elérhető felületi minőséget, beállítása még a nyomtatás megkezdése előtt szükséges. Minél kisebb rétegmagasságot állítunk be, vagy érünk el, annál simább felszíneket kapunk, ennek ára viszont a hosszabb nyomtatási idő.

A legkisebb elérhető felbontás, így a legrészletgazdagabb megoldás a PolyJet, melynek felbonátsa akár ezredmiliméteres is lehet. Sztereolitográfiával 5 mikronos felbontással dolgozhatunk a lézerszinterezés rétegvastagsága pedig kb. 0,1-0,15 mm. Az FDM technológiával ez az érték 0,17 és 0,5 mm között van, tehát nagyban függ a modellépítési eljárástól a rétegvastagság. Minél nagyobb rétegmagasságot választunk a 3D nyomtatáshoz annál gyorsabb, és olcsóbb lesz a gyártásunk; sok esetben, főleg nagyobb méretű munkadaraboknál ez megengedhető.

3. Falvastagság
balanced design

Miután meghatároztuk az optimális rétegmagasságot, a következő lépés a falvastagság kiválasztása. Ez egy olyan tulajdonsága a nyomtatott darabnak, amely jelentősen befolyásolja annak stabilitását, használhatóságát és általában komoly előírások vonatkoznak a tűrésére is. Ugyan a kisebb falvastagság alacsonyabb nyomtatási időt jelent, azonban a túl vékony munkadarabok élettartama jelentősen csökkenhet.

A kis falvastagságú, lézerszinterezéssel készült darabok könnyebben vetemednek a gyártástechnológiából kifolyólag, mivel a nyomtatás során magas hőmérsékletnek és a körülötte lévő por alapanyag nagy tömegének van kitéve a munkadarab. A lézerszinterezéssel készített darabok enyhe zsugorodást szenvednek el a kihűlés során, miközben megszilárdulnak. Annak érdekében, hogy stabilabb és ellenállóbb darabot hozzunk létre, 1 és 3 mm közötti falvastagságot célszerű választanunk.

FDM-mel az ajánlott legkisebb falvastagság a rétegmagasság négyszerese. Például, ha a legkisebb megengedhető felbontással, 0,17 mm-es rétegekkel dolgozunk, akkor legalább 0,7 mm-es falvastagságot kell terveznünk. E szabály betartásával minimálisra csökkentjük az elkészült termék törékenységét.

4. Építési orientáció

balanced design orientationVégül, de nem utolsó sorban, nagyon fontos a megfelelő geometriai stabilitás szempontjából a rétegzés orientációja. Ez tulajdonképpen azt jelenti, hogy milyen irányban helyezkedik el a munkadarab a nyomtató felületén a nyomtatás során (X, Y vagy Z irányban történik a rétegzés). A darab lehet állítva, fektetve, vagy valamelyik tengellyel szöget bezáróan pozícionálva. Az építés orientációja alapjaiban határozhatja meg a munkadarab minőségét, geometriai méreteit és a tűrési hibákat, valamint a belső anyagszerkezeti kialakítást. Mindebből megállapítható a támaszanyag szükségessége, illetve mennyisége, tehát befolyásolja a termék árát is.

A különböző technológiák más-más építési orientációban nyújtják a legjobb eredményt. Az FDM eljárásban alkalmazott extrudált műanyag az X-Y síkban rendelkezik a legnagyobb szilárdsággal, a Z tengely mentén pedig gyengébb. Mindez amiatt alakult ki, mert az olvasztott anyag szilárdulását követően kerül rá a következő réteg, így az egymásra helyezett rétegek között nincs olyan folytonos kapcsolat, mint az alapsíkban elterülő ömlesztett anyagszemcsék között. Épp ezért nem érdemes nagy sima felületeket rétegezni egymásra ezzel az eljárással, mert az könnyen vetemedéshez és méretpontatlansághoz vezethet.

Néhány építési orientáció kimondottan jobb a görbült, vagy szögletes felületek létrehozásához. Mások jobban látható rétegvonalazódást eredményeznek, ami a termék megjelenésében jelent eltérést. Bizonyos orientációk kiválasztása támaszanyag használatát teszi szükségessé, ezt a tervezés és a költségszámítás során figyelembe kell venni!

A tervezés összhangja

Méret, felbontás, falvastagság és építési orientáció: mindezek egymásra ható tényezők a 3D nyomtatott termékek tervezése során. Amikor mind a négy szempontot figyelembe vesszük, akkor kezdhetjük meg a termék gyártását, és csak ebben az esetben kaphatunk valóban minőségi terméket a folyamat végén.

Forrás:Stratasys