Многие из нас сталкивались с проблемой деформации или даже растрескивания фотополимерных отпечатков через некоторое время после их печати. Довольно часто эту проблему можно решить, применяя правильные методы проектирования модели. В этой статье мы рассмотрим основные элементы 3D дизайна деталей, напечатанных методом SLA 3D. Она предназначена для опытных пользователей, которые уже знакомы с основами SLA 3D-печати и способны проектировать собственные детали.
Для того чтобы успешно печатать свои собственные модели по индивидуальному заказу, необходимо изучить фундаментальные концепции дизайна моделей. На самом деле, не существует конкретного и подробного руководства по 3D-проектированию моделей для SLA 3D-печати. Однако некоторые традиционные технологии производства уже имеют некоторые проверенные методики и знания. Поэтому в этой статье мы хотели бы объединить используемые в настоящее время технологии производства и опыт в фотополимерной 3D-печати. Мы считаем, что это поможет вам понять, как подступиться к деликатным проблемам проектирования деталей для 3D-печати DLP/SLA.
Эту статью не следует рассматривать как пошаговое руководство. Она является скорее справочным материалом и может быть использована по мере необходимости.
Фотополимерная смола и ее реакция
Для 3D-печати смолой используется фотополимерная УФ-смола, которая затвердевает под воздействием ультрафиолетового света. Это так называемое «отверждение» технически называется «сшиванием» материала, когда он переходит из жидкого состояния в твердое. Эта реакция является экзотермической. Это означает, что во время перехода выделяется большое количество тепла. Иногда температура может достигать более 100 °C (212 °F) и легко обжечь руку. Кроме того, процесс «сшивания» вызывает нежелательную усадку, а если ваша деталь плохо спроектирована, это может даже привести к короблению отпечатка смолы.
Стоит также отметить, что не вся смола затвердевает сразу после процесса 3D-печати. Несмотря на то, что у нас есть твердый объект, внутри 3D-печатной детали все еще остается неотвержденная смола. Эта неотвержденная смола продолжает отверждаться в присутствии окружающего ультрафиолетового света, который находится вокруг нас. Продолжающееся отверждение может привести к трещинам и короблению, которые можно уменьшить, если использовать правильные методы проектирования 3D-печати с использованием смолы.
Итак, давайте обсудим некоторые ключевые концепции дизайна, которые помогут вам преодолеть эти препятствия.
Стенки
Толщина стен
Хорошо известно, что напечатать большие, цельные, не полые объекты с помощью смоляных 3D-принтеров практически невозможно. Чем толще стенка, тем большее напряжение испытывает 3D-печатный объект. Это напряжение в конечном итоге приведет к появлению крупных поверхностных и внутренних трещин. Более того, если использовать 3D-принтер SLA в стиле «снизу вверх» с лотком для смолы FEP/PDMS, большая площадь поперечного сечения также приведет к большим усилиям отделения слоев FEP или PDMS.
Поэтому предпочтительны полые объекты с довольно тонкими стенками. Более тонкие детали также весят меньше и используют меньше смолы на один 3D-печатный объект. Это становится очень важным для 3D-печатных машин SLA «снизу вверх», где объект висит вверх ногами и постоянно подвергается воздействию гравитационных сил. В среднем толщина стенок должна составлять от 1 мм до 2 мм (.080 дюймов до .160 дюймов). Можно сделать стенки немного толще, но это должно быть согласовано с общим дизайном. Также следует выбрать подходящую смолу для 3D-печати с низким профилем усадки. Можно использовать и более тонкие стенки, но при удалении опор может возникнуть проблема повышенной хрупкости.
Однородные стенки
Мы настоятельно рекомендуем сохранять равномерность и однородность стенок. Если стенки 3D-печатного объекта DLP неравномерны, тонкие участки, состоящие из меньшего количества материала, будут усаживаться меньше. Эти тонкие участки также прекратят усадку раньше, чем толстые участки с большим количеством материала. По мере усадки толстого участка происходит искривление отпечатка смолы, что в конечном итоге приводит к появлению трещин, поскольку тонкие участки просто больше не усаживаются.
Получение равномерных стенок
Иногда невозможно добиться равномерной толщины стенок. В таких случаях изменение толщины стенок должно быть как можно более равномерным. Следуя этому принципу, можно снизить напряжение и риск возникновения возможных трещин. Смотрите на рисунках ниже, как можно использовать очень простую формулу для перехода толщины стенки.
Бобышки
Наиболее распространенное назначение бобышек в процессе проектирования — облегчить сопряжение деталей. Обычно мы используем их для крепления крепежных элементов, таких как винты.
Однако мы настоятельно рекомендуем напечатать тестовые детали с размерами сверл отдельно и посмотреть, как они работают, прежде чем печатать полную конструкцию.
Причина в том, что смола оказывается довольно хрупкой и нарезание резьбы становится еще более сложной. Обычно любые усилия по нарезанию резьбы приводят к трещинам и повреждению деталей.
Поэтому, напечатав пробные детали и поэкспериментировав, вы сможете избежать проблем при нарезании резьбы на конечной детали. Ниже мы приводим руководство по проектированию боссов.
Ребра
Обычно ребра используются для увеличения изгибной жесткости проектируемой детали без добавления дополнительной толщины. Ребра увеличивают момент инерции, что повышает изгибную жесткость и уменьшает коробление отпечатка из смолы.
Жесткость при изгибе = E (модуль Юнга) x I (момент инерции).Толщина ребра должна быть меньше толщины стенки, чтобы минимизировать риск возникновения потенциальных трещин и дополнительных напряжений после 3D-печати и во время полимеризации.
Мы рекомендуем стремиться к 60% от толщины стенки. Также важно, чтобы ребро было прикреплено с радиусом угла как можно мягче.
Более широкое основание для ребра не является обязательным, но в некоторых случаях уменьшение угла, под которым оно печатается, может быть полезным. Это поможет уменьшить потребность в дополнительных поддержках.
Кроме того, есть еще одна важная сторона, которую необходимо учитывать, если у вас есть деталь с пересекающимися ребрами. Эти пересекающиеся области будут иметь большую толщину и, следовательно, больше материала. Вы можете легко удалить излишки материала, просто выдолбив место пересечения ребер, чтобы сохранить равномерную толщину стенок и объем материала.
Связующие элементы
Так называемые связи — это еще одна техника увеличения жесткости конструкции. Это поддержки, которые могут быть спроектированы таким образом, чтобы минимизировать деформацию детали. В целом, связи можно рассматривать как ребра жесткости и рекомендации для ребер также применимы к связям.
Если связь прикреплена к бобышке, ее высота может составлять 95% от высоты этой бобышки. Однако ее высота должна быть менее чем в 4 раза больше номинальной толщины стенки, а предпочтительная высота — в 2 раза больше номинальной толщины стенки. Что касается длины связи, то она может составлять от 30 % до 100 % высоты связи.
Острые углы
Довольно острые углы могут значительно увеличить концентрацию напряжения в деталях из смолы. Это напряжение может привести к серьезным трещинам и, в крайнем случае, к полному разрушению детали. Необходимо тщательно следить за радиусом острых углов, поскольку концентрация напряжений меняется в зависимости от радиуса для данной толщины.
Коэффициент концентрации напряжений высок при значениях R/T менее 0,5, но снижается при значениях R/T более 0,5. Коэффициент концентрации напряжений — это множитель, который значительно увеличивает напряжение. Поэтому мы настоятельно рекомендуем делать внутренний радиус минимум в один раз больше толщины.
Для углов рекомендуемый внутренний радиус составляет 0,5 толщины материала, а внешний радиус — 1,5 толщины материала. Если конструкция вашей 3D-печатной детали SLA позволяет это сделать, настоятельно рекомендуется использовать больший радиус.
Пример проекта деформации
Мы хотели бы продемонстрировать, как правильные методы проектирования могут повлиять на результаты фотополимерной 3D-печати. Поэтому для этой задачи мы проведем эксперимент по 3D-печати корпуса для печатной платы.
Чтобы лучше проиллюстрировать влияние дизайна на успех 3D-печати, мы сделали два 3D-проекта одного и того же корпуса:
- Без рекомендаций по дизайну,
- С реализацией рекомендаций по дизайну.
Ключевые элементы 3D дизайна
- Оба корпуса имеют размеры 90 мм x 50 мм x 16,5 мм.
- При правильном проектировании все стенки были одинаковой толщины — 1,5 мм.
- Неправильный дизайн также имел стенки толщиной 1,5 мм, поскольку мы решили, что окончательное решение может быть слишком неоднозначным, если толщина стенок будет отличаться слишком сильно. Высота стенок обеих конструкций составляла 15 мм.
- Правильный дизайн имел сегменты с более толстыми стенками, которые плавно переходили в более тонкие стенки.
- Неправильная конструкция также имела более толстые стенки, но плавных переходов не было.
- В правильной конструкции использовались ребра для укрепления нижней части корпуса и уменьшения деформирование и усадки отпечатка смолы. Ребра в 2 раза превышали толщину стенок. Места примыкания ребер к стенкам были закруглены для снижения напряжения.
- В неправильной конструкции ребра вообще не использовались.
- В правильном дизайне также были предусмотрены фермы, чтобы еще больше повысить прочность стенок, поскольку бокс будет 3D-печататься под углом. Размеры ферм: 3 мм основание, 10 мм высота и 0,9 мм толщина.
- В неправильном дизайне фермы вообще не использовались.
- В правильном дизайне все острые углы были скруглены в соответствии с рекомендациями, представленными в разделах выше. Внутренний радиус для всех углов составлял 0,75 мм и 2,25 мм для всех внешних углов.
- Неправильная конструкция оставалась с острыми углами.
- В правильной конструкции отверстия для резьбы были перенесены на отдельные бобышки и усилены с помощью ферм и ребер. Ребра были такой же высоты, как и бобышки, с толщиной 0,9 мм, а фермы имели те же размеры, что и для стенок.
- В неправильном варианте отверстия для резьбы были встроены в стенки.
Параметры 3D-печати
- Время экспозиции нормального слоя — 4 секунды.
- Время экспозиции нижних слоев — 50 секунд.
- Разрешение XY — 55 мкм.
- Высота слоя — 100 мкм.
- Скорость подъема нормальных слоев — 40 мм/мин.
- Скорость подъема нижних слоев — 10 мм/мин.
- Все коробки были отверждены в течение 2 часов на строительной плите и с опорами. После удаления опор проводилось дополнительное отверждение в течение 1 часа.
Важно отметить, что серьезное деформирование при SLA 3D-печати на самом деле происходит в процессе 3D-печати. В таких машинах, как Anycubic Photon, Wanhao D7, Peopoly Moai или в большинстве DIY SLA 3D-принтеров, использующих FEP или PDMS покрытия для лотков со смолой, отвержденные слои отделяются друг от друга, оказывая сильное напряжение на деталь. Конечный результат сильно зависит от правильной техники поддержки, которая должна быть использована для уменьшения деформации смолы во время 3D-печати. После того, как вы успешно справились с процессом 3D-печати, в дело вступают хорошие конструкторские решения. Они помогут сохранить структуру и форму объекта в долгосрочной перспективе при воздействии окружающего ультрафиолетового света.
Окончательные результаты деформации
После того как мы напечатали, очистили и отполировали все корпуса, мы поместили их снаружи на подоконник. Мы исследовали окончательные результаты через две недели. Ниже мы приводим изображения для вашего суждения и оценки.
После такого тщательного исследования случаев стало совершенно ясно, что рекомендации по проектированию помогли добиться лучших результатов. Мы наблюдали меньшее деформирование на отпечатке, разработанном в соответствии с этими рекомендациями. Более того, даже через две недели отпечаток сохранил почти ровную плоскость.
С другой стороны, хотя мы не увидели трещин на неправильной коробке, в этом случае наблюдалось большое деформирование. Поскольку оба случая довольно маленькие, различия могут показаться незначительными, но поскольку мы все хотим быть максимально точными при SLA 3D-печати, здесь все имеет значение.
