Hoe ontwerp je onderdelen voor FDM 3D-printen?
Hoe ontwerp je onderdelen voor FDM 3D-printen?
Wat is het FDM 3D-printproces?
FDM 3D-printen is een additief productieproces dat gebruikmaakt van de techniek van materiaalextrusie. FDM, ook wel bekend als fused filament fabrication (FFF), is de meest gebruikte 3D-printtechnologie.
Als meest betaalbare 3D-printtechnologie op de markt is FDM (Fused Deposition Modeling) een uitstekende keuze voor snelle en goedkope prototyping en kan het in diverse toepassingen worden gebruikt.
Net als alle productiemethoden kent FDM bepaalde beperkingen en restricties met betrekking tot wat er geprint kan worden. We bespreken nu hoe je je ontwerp kunt aanpassen voor een optimale FDM-printkwaliteit.
Hoe ontwerp je een FDM 3D-printer?
Om de beste resultaten te behalen, is het belangrijk om bij het ontwerpen van een onderdeel voor FDM 3D-printen rekening te houden met de mogelijkheden en beperkingen van FDM.
Overbrugging
Bij FDM-printers treedt overbrugging op wanneer er tussen twee steunpunten of ankerpunten geprint moet worden.
Omdat er geen basis is om op voort te bouwen, wordt de eerste printlaag niet ondersteund en heeft het materiaal de neiging door te zakken. Brugvorming treedt het vaakst op in gaten langs de horizontale as in de wanden van objecten of in de bovenste laag (of het dak) van holle onderdelen.
Een mogelijke oplossing is om de afstand van de brug te verkleinen, maar de impact hiervan hangt af van de ontwerpbeperkingen van het onderdeel.
Een andere oplossing om doorzakken te voorkomen is het gebruik van ondersteuningsmateriaal. Ondersteuning biedt een tijdelijk platform waarop de bruglaag kan worden aangebracht. Het ondersteuningsmateriaal wordt verwijderd zodra de print klaar is, hoewel het sporen kan achterlaten op of schade kan veroorzaken aan het oppervlak waar het ondersteuningsmateriaal aan het uiteindelijke onderdeel was bevestigd.
Belangrijkste ontwerpoverweging:Vanwege de aard van FDM zijn doorzakkingen of afdrukken van het ondersteuningsmateriaal altijd in zekere mate aanwezig, tenzij de brug minder dan 5 mm is.
Als een glad en vlak oppervlak vereist is, is een geavanceerde oplossing om het ontwerp in afzonderlijke delen op te splitsen of een vorm van nabewerking toe te passen.
Verticale schachtopening
FDM-printers printen vaak verticale asgaten die te klein zijn. Het printproces van dergelijke gaten en de redenen voor hun kleinere diameter kunnen als volgt worden samengevat:
Terwijl de spuitmond de omtrek van het gat in de verticale as print, drukt hij de nieuw geprinte laag samen op de bestaande printlaag om de hechting te verbeteren.
De compressiekracht van het mondstuk vervormt de vorm van de geëxtrudeerde cirkelvormige laag van een ronde vorm naar een bredere, plattere vorm.
Hierdoor wordt het contactoppervlak met de eerder geprinte laag vergroot, wat de hechting verbetert, maar de extrusiedoorsnede verbreedt.
Dit resulteert in een kleinere printopening. Deze verkleining kan een probleem zijn, vooral bij het printen van gaten met een kleine diameter, waar het effect groter is vanwege de verhouding tussen de gatdiameter en de spuitmonddiameter.
De mate van ondermaatse uitval hangt af van de printer, de slicing-software, de gatgrootte en het materiaal.
De reductie in diameter van gaten langs de verticale as wordt vaak door het slicingprogramma meegenomen, maar de nauwkeurigheid kan variëren. Mogelijk zijn meerdere testprints nodig om de gewenste nauwkeurigheid te bereiken. Als een hoge mate van nauwkeurigheid vereist is, kan het nodig zijn om het gat na het printen te boren.
Belangrijke ontwerpoverwegingAls de diameter van het gat voor de verticale as cruciaal is, is het aan te raden het gat kleiner te printen en het vervolgens op de juiste diameter te boren.
Overhang
Overhangproblemen behoren tot de meest voorkomende kwaliteitsissues bij FDM-prints. Drapes ontstaan wanneer een laag geprint materiaal slechts gedeeltelijk wordt ondersteund door de onderliggende laag. Net als bij bridging kan onvoldoende ondersteuning door het oppervlak onder de printlaag leiden tot slechte hechting tussen de lagen, zwelling of kromtrekken.
Afhankelijk van het materiaal kunnen overhangen tot 45° meestal worden geprint zonder kwaliteitsverlies. Bij een hoek van 45° wordt de nieuw geprinte laag ondersteund door 50% van de vorige laag. Dit zorgt voor voldoende ondersteuning en hechting om mee te bouwen.
Bij hoeken boven de 45° is ondersteuning nodig om te voorkomen dat de nieuw geprinte laag naar beneden en weg van de spuitmond uitpuilt.
Een ander probleem dat zich voordoet bij het printen van overhangende lagen is het opkrullen. Nieuw geprinte lagen worden steeds dunner aan de overhangende randen. Dit veroorzaakt ongelijkmatige afkoeling, waardoor de laag naar boven vervormt.
Belangrijke ontwerpoverwegingenJe kunt de beperkingen van overstekken ondervangen door steunconstructies te gebruiken voor muurhoeken groter dan 45°. Bij grotere overstekken die ondersteuning vereisen, zullen er afdrukken op het uiteindelijke oppervlak verschijnen, tenzij deze achteraf worden bewerkt.
Hoeken
Omdat de spuitmondjes van FDM-printers rond zijn, is de straal van de hoeken en randen gelijk aan de grootte van het spuitmondje. Dit betekent dat de vormen nooit perfect vierkant zullen zijn.
De eerste printlaag is vooral belangrijk voor scherpe randen en hoeken. Zoals hierboven besproken voor verticale gaten, drukt de spuitmond bij elke printlaag het printmateriaal naar beneden om de hechting te verbeteren. Bij de eerste printlaag ontstaat hierdoor een uitstulping die vaak een olifantenpoot wordt genoemd.
De uitstulping steekt buiten de gespecificeerde afmetingen uit en beïnvloedt de mogelijkheid om het FDM-onderdeel te assembleren.
Een ander veelvoorkomend probleem bij het printen van de eerste laag met FDM is kromtrekken. In vergelijking met PLA is ABS gevoeliger voor kromtrekken vanwege de hogere printtemperaturen. De onderste laag is de eerste laag die wordt geprint. Deze koelt af terwijl andere thermische lagen erbovenop worden geprint. Dit resulteert in ongelijkmatige afkoeling en kan ervoor zorgen dat de basislaag, door krimp, van het printbed afkrult.
Door afschuiningen of rondingen aan te brengen langs de randen van onderdelen die in contact komen met de bouwplaat, kunnen deze problemen worden verminderd. Dit vergemakkelijkt ook het verwijderen van componenten van de bouwplaat nadat het printproces is voltooid.
Belangrijke ontwerpoverwegingAls de montage of de totale afmetingen cruciaal zijn voor de functionaliteit van het FDM-onderdeel, voeg dan een afschuining of afronding van 45° toe aan alle randen die contact maken met de bouwplaat.
Verticale pin
Verticale pinnen worden vaak met FDM geprint wanneer onderdelen geassembleerd of uitgelijnd moeten worden. Het is cruciaal om de afmetingen van de verticale pinnen te kennen die FDM nauwkeurig kan printen, aangezien deze details vaak nuttig zijn.
Grote deuvels (met een diameter groter dan 5 mm) worden geprint met een omtrek en opvulling om een stevige verbinding met de rest van de print te garanderen.
Bij deuvels met een kleinere diameter (minder dan 5 mm) kan alleen de buitenste laag worden geprint zonder vulling. Dit creëert een discontinuïteit tussen de rest van de print en de pinnen, wat resulteert in een zwakke verbinding die gemakkelijk kan breken. In het ergste geval kan een kleine pin helemaal niet geprint worden omdat er niet genoeg printmateriaal is voor de nieuwe printlaag om te hechten.
Een correcte kalibratie van de printer (inclusief optimale laagdikte, printsnelheid, nozzletemperatuur, enz.) verkleint vaak de kans op pinbreuk. Door de basis van de pin af te ronden, worden spanningsconcentraties op dat punt geëlimineerd en de sterkte verhoogd. Voor kritische pinnen met een diameter van minder dan 5 mm zijn standaardpinnen die in geprinte gaten worden geplaatst wellicht de beste oplossing.
Belangrijke ontwerpoverwegingAls uw ontwerp pinnen bevat met een diameter kleiner dan 5 mm, voeg dan een kleine afronding toe aan de onderkant van de pin. Als functionaliteit cruciaal is, overweeg dan om een gat in het ontwerp op te nemen op de plaats van de pin, boor het gat op de juiste maat en plaats de standaardpinnen erin.
Tips voor geavanceerd FDM-ontwerp
Bij het printen met FDM is het belangrijk om rekening te houden met de hoeveelheid benodigde ondersteuning, de oriëntatie van het onderdeel en de richting waarin het onderdeel op het printplatform wordt geplaatst.
Je model opsplitsen
Het opsplitsen van een model kan de complexiteit ervan vaak verminderen, wat kosten en tijd bespaart. Overhangen die veel ondersteuning vereisen, kunnen eenvoudig worden verwijderd door een complexe vorm in afzonderlijke secties te splitsen die afzonderlijk worden geprint. Indien gewenst kunnen de secties na het printen aan elkaar worden gelijmd.
Gatoriëntatie
De beste manier om ondersteuning voor gaten te vermijden, is door de printrichting te wijzigen. Het verwijderen van ondersteuning bij gaten in de horizontale richting kan vaak lastig zijn, maar door de printrichting 90° te draaien, is ondersteuning niet meer nodig. Voor componenten met meerdere gaten in verschillende richtingen, geef prioriteit aan blinde gaten, gevolgd door gaten met de kleinste tot de grootste diameter, en vervolgens de gaten met de meest kritische diameter.
Bouwrichting
Vanwege de anisotrope aard van FDM-printen is inzicht in de toepassing van een component en de manier waarop deze is opgebouwd cruciaal voor het succes van een ontwerp. FDM-componenten zijn inherent zwakker in één richting vanwege de laagoriëntatie.
Beste praktijken voor FDM 3D-printen
Als de brug meer dan 5 mm dik is, kan er doorbuiging of beschadiging van het steunmateriaal optreden. Dit probleem kan worden verholpen door het ontwerp op te splitsen of door nabewerking.
Voor kritische verticale gatdiameters is het aan te raden de gaten na het printen te boren voor een grotere nauwkeurigheid.
Door ondersteuningsstructuren toe te voegen, kan de FDM-printer wanden printen met een hoek groter dan 45°.
Voorzie alle randen van het FDM-onderdeel die in contact komen met de bouwplaat van een afschuining of afronding van 45°.
Voor toepassingen met kleine verticale pinnen kunt u een kleine afronding aan de onderkant toevoegen, of overwegen om standaardpinnen in de geprinte gaten te plaatsen.
Het opsplitsen van het model, het heroriënteren van gaten en het specificeren van de printrichting zijn allemaal factoren die de kosten kunnen verlagen, het printproces kunnen versnellen en de ontwerpsterkte en printkwaliteit kunnen verbeteren.
