Podstawy projektowania 3D dla technologii FFF

W procesie druku 3D w technologii FFF można – w dużym uproszczeniu – wydzielić kolejne etapy:

  • projektowanie komputerowe modelu 3D,
  • przygotowanie modelu do druku,
  • wydruk właściwy,
  • postprocessing.

Podstawą druku 3D jest zawsze poprawnie stworzony model CAD i jego właściwe przygotowanie do druku, które odbywa się w oprogramowaniu kompatybilnym z drukarką, np. Simplify 3D. To na tych etapach określane są grubości ścian i otworów czy podpory, od których zależy nie tylko stabilność wydruku, ale także jego ostateczna wytrzymałość czy estetyka.

Projektowanie 3D wiąże się z mnóstwem zmiennych, które trudno streścić w jednym artykule. Poniżej wprowadzamy zaledwie zarys bazowych pojęć, od których warto zacząć dalsze poszukiwanie wiedzy w specjalistycznych pracach i artykułach. Osobnym szerokim problemem jest także skurcz materiału. Pamiętajmy, że projektowanie to tylko jeden z punktów na drodze do idealnego wydruku 3D. Wiele czynników należy mieć na uwadze także w dalszych procesach, takich jak slicing czy wybór właściwych parametrów wydruku – choć tu dużym ułatwieniem są skalibrowane ustawienia w profesjonalnych urządzeniach.

Grubość ścianki i wielkość otworów

“Podczas projektowania należy pamiętać o minimalnej grubości ścianki modelu, która nie powinna być mniejsza od szerokości wytłaczanej ścieżki materiału. Dla uzyskania modelu o dobrej wytrzymałości zalecamy używanie ścianek o szerokości co najmniej 2 mm”, mówi Piotr Maslej, Mechanical Engineer z OMNI3D. Istotną kwestią jest także projektowanie otworów, które będą pasować do elementu współpracującego. Tu wskazuje się dwie możliwości: projektowanie otworów mniejszych niż średnica założona, z przeznaczeniem do wprowadzenia poprawek w procesie postprodukcji lub projektowanie średnicy z uwzględnieniem zmiennych, w tym faktu, że z uwagi na specyfikę technologii FFF, otwory zazwyczaj mają średnicę mniejszą o ok. 0,1 mm od założonej.

Podpory

Modelując element, warto też pamiętać o fakcie, że im mniej podpór, tym wydruk jest łatwiejszy do realizacji, post-processingu i bardziej dokładny. Ilość podpór zależy od kątów ułożenia ścianek modelu względem stołu. Wszędzie tam, gdzie kąt względem stołu jest mniejszy, możemy spodziewać się wygenerowania przez program kompatybilny z drukarką większej ilości supportów. Czasem nie możemy tego uniknąć, jednak we wszystkich przypadkach, gdy jest to możliwe, warto ponownie zweryfikować konstrukcję modelu.

Dokładność eksportowanego pliku

Ostatnią z podstawowych zasad projektowania jest sama ścieżka przetwarzania modelu w plik gotowy do druku 3D. STL (Standard Triangle Language), czyli standardowy format plików w druku 3D, powstaje na bazie modelu CAD. Za pomocą siatki trójkątów odwzorowuje ściany modelu. “Wraz ze wzrostem zagęszczenia siatki rosną rozmiar pliku i czas jego przetwarzania przez program tnący, ale jednocześnie model dokładniej odwzorowuje kształt, na jakim nam zależy. Jeśli detal zbudowany jest jedynie z kształtów prostych (sześciany, graniastosłupy), można go eksportować z mniejszym zagęszczeniem siatki bez straty dla specyfiki modelu. Detale o płaszczyznach zakrzywionych (okrągłe) eksportuje się z możliwie największym zagęszczeniem siatki trójkątów.

Warstwy przy słabej i dobrej jakości eksportu (uproszczenie).

Należy znaleźć równowagę pomiędzy dużym zagęszczeniem a wielkością pliku. “Jeśli zagęścimy siatkę za bardzo, plik będzie zajmował więcej miejsca na dysku, a co za tym idzie, jego obróbka przez program przygotowujący do wydruku 3D będzie trwała dłużej, bez wzrostu jakości wydruku”, mówi Piotr Maslej.

Trójwymiarowy model STL jest przekształcany następnie na G-Code, język oprogramowania wydający komendy drukarce 3D.

Zróżnicowana wytrzymałość – ustawienie wydruku 3D na platformie roboczej

Podczas projektowania detalu, który ma później przenosić obciążenia, trzeba pamiętać, że wydruk 3D jest ciałem anizotropowym. Oznacza to, że ma różne właściwości wytrzymałościowe w różnych kierunkach. Dla przykładu, analizując wytrzymałość na rozciąganie, wydruk 3D posiada inną wytrzymałość równolegle do płaszczyzny warstw wydruku od wytrzymałości prostopadłej do warstw wydruku. Różnice te zależą głównie od zastosowanego materiału, parametrów druku 3D oraz sposobu chłodzenia detalu.

W celu osiągnięcia optymalnej wytrzymałości elementu wydrukowanego, który ma pracować na rozciąganie, należy ustawić detal tak, aby warstwy były nakładane równolegle do działających sił rozciągających.