Что позволяет создавать замысловатые конструкции в 3D-печати? Ответ кроется в поддерживающих конструкциях. В этой статье рассматриваются необходимость, типы и стратегии проектирования опорных конструкций, которые предотвращают деформацию и разрушение деталей. Независимо от того, имеете ли вы дело с выступами при печати по металлу или стремитесь к более гладкой поверхности при SLA-печати, понимание этих опор поможет вам сэкономить время, материалы и усилия. Окунитесь в эту тему, чтобы узнать, как оптимизировать свои проекты и повысить успешность 3D-печати.
Опорные конструкции - важный компонент для успешного производства 3D-печатных деталей.
Несмотря на то, что одним из ключевых преимуществ 3D-печати является ее способность создавать свободные и сложные геометрические формы, большую часть свободы дизайна, предоставляемой 3D-печатью, сложно реализовать без использования опорных конструкций.
Они имеют решающее значение для предотвращения деформации и разрушения деталей, поэтому понимание и проектирование опорных конструкций является необходимым навыком для любого инженера аддитивного производства.
В этой статье рассматриваются требования, плюсы и минусы, удаление и способы минимизации использования опорных конструкций в различных технологиях печати.
Опорные конструкции, используемые практически во всех технологиях 3D-печати, играют важнейшую роль в обеспечении пригодности деталей к печати в процессе 3D-печати.
Опоры помогают предотвратить деформацию деталей, закрепить их на печатном столе и обеспечить их соединение с основным корпусом напечатанных деталей. Подобно строительным лесам, эти опоры используются в процессе печати, а затем удаляются.
Печать деталей со сложными конструктивными особенностями, такими как выступы, отверстия и мосты, сопряжена со значительными трудностями.
Возьмем, к примеру, 3D-печать металла: когда печать включает в себя выступы или мостовые конструкции, в процессе может произойти деформация и даже разрушение, если не использовать поддерживающие конструкции.
Эти опорные конструкции помогают предотвратить разрушение сформированных деталей во время печати, что значительно повышает успешность печати. Однако не все нависающие конструкции нуждаются в дополнительной поддержке.
Если вертикальный угол свеса составляет менее 45 градусов, опора не требуется.
Когда вертикальный угол такой структуры составляет менее 45 градусов, 3D-принтер имеет минимальное горизонтальное смещение на последующих слоях, что позволяет каждому слою обеспечивать поддержку следующего уровня.
Поэтому 45 градусов - это критический угол, ниже которого опора не нужна. Конечно, это также зависит от производительности принтера и свойств используемых материалов. Если производительность принтера оставляет желать лучшего, поддержка может потребоваться даже при углах менее 45 градусов.
Кроме того, такие технологии, как 3D-печать по металлу, обычно предполагают высокотемпературные процессы, во время которых опора может служить теплоотводом.
Это объясняется тем, что опорные структуры, добавляемые в процессе аддитивного производства металла, помогают отводить тепло от детали, предотвращая образование остаточное напряжение под воздействием высоких температур во время печати и предотвращения таких дефектов, как деформация, коробление и растрескивание.
Конечно, не только металлическая 3D-печать предполагает добавление опор; почти все технологии 3D-печати в той или иной степени должны предусматривать добавление опорных конструкций.
Следующая таблица иллюстрирует различия в использовании поддержки для различных методов 3D-печати:
| Технические принципы | Материалы | Требуется ли поддержка? |
| Селективное лазерное плавление (SLM) Direct Металлический лазер Спекание (DMLS) Прямое энергетическое осаждение (DED) Электронно-лучевое плавление (EBM) | Металлические материалы | Да |
| Стереолитография (SLA) | Фотополимер | Да |
| Селективное лазерное спекание (SLS) | Порошкообразные материалы | Нет |
| Струйная обработка материалов | Порошкообразные материалы | Да |
| Моделирование методом наплавленного осаждения (FDM) | Термопластичный пластик | Да |
| Клеящий спрей | Порошкообразные материалы | Нет |
Опорные конструкции незаменимы при 3D-печати металлов. Несмотря на то, что компоненты, сформированные по технологии порошкового наплавления, окружены сыпучим порошком, который обеспечивает определенную поддержку, эти технологии всегда требуют поддержки для обеспечения надежного крепления к основанию и смягчения последствий остаточного напряжения.
Без опорных конструкций, нависающих или наклонных элементов, а также внутреннее напряжение металла, может повредить сам печатный объект, что приведет к сбою печати. Как правило, опорные конструкции в технологии печати на основе порошкового слоя в основном делятся на два типа:
Линейная опора: Этот тип опор состоит из вертикальных колонн, соединенных со всей нависающей конструкцией. Однако этот тип опор сложнее демонтировать.
Опора в виде дерева: Этот тип опор напоминает форму ветвей дерева. Он используется для поддержки нависающих частей компонента. Она соединяется только с нависающими частями.
Его преимущество в том, что он легче демонтируется и не повреждает сам компонент.
Однако следует отметить, что древовидные опорные конструкции подходят только для непланарных свесов. Для плоских выступов они не могут обеспечить достаточную поддержку.
Поддержка может быть добавлена в области контакта между нижней частью печатной детали и печатным слоем, где остаточные напряжения наиболее концентрированы.
Это помогает отводить тепло от детали, тем самым сводя к минимуму тепловые деформации, которые могут привести к растрескиванию, короблению, провисанию, расслоению и усадке.
Прямое энергетическое осаждение - это процесс, при котором детали изготавливаются путем прямого расплавления материала и послойного наращивания.
В отличие от деталей, сформированных методом порошкового наплавления, которые поддерживаются окружающим порошковым слоем, детали, напечатанные с помощью DED, существуют независимо в трехмерном пространстве.
Поэтому им также требуются вспомогательные конструкции, обеспечивающие стабильность детали, возможность печати сложных элементов и отвод тепла.
При проектировании опор для деталей, изготовленных по технологии порошкового наплавления, очень важно обеспечить их легкое отсоединение от основного корпуса, иначе их невозможно будет удалить в процессе последующей обработки.
Опоры для металлических деталей обычно печатаются в виде решетчатой структуры.
Таким образом, они действуют как теплоотводы, отводя тепло от детали, позволяя ей охлаждаться более контролируемым образом и предотвращая деформацию, а также экономя затраты на материалы и время изготовления.
Добавление дополнительных опор обычно приводит к получению более точных деталей, но при этом увеличивает затраты и время на постобработку. Интересно, что голландская компания MX3D создала инструмент для 3D-печати по металлу, который сочетает в себе многоосевой роботизированный манипулятор и сварочный аппарат, что позволяет печатать металлические детали без необходимости использования каких-либо опор.
Удаление опор с металлических деталей обычно сложнее, чем процессы на основе полимеров, и обычно требует применения режущих инструментов.
Кроме того, если важен внешний вид готовой детали, необходима последующая обработка (например, полировка) металлической детали для достижения гладкой поверхности.
При разборке модели большинство кронштейнов легко снимаются при правильном подходе. Сначала можно аккуратно поддеть кронштейны пальцами там, где это возможно сделать рукой.
Для особых позиций мы можем использовать инструменты для демонтажа опор, в том числе игольчатые щипцы, скребки и разделочные ножи.
Стереолитография работает за счет использования источника света для застывания жидкой смолы. Для этой технологии требуются опорные конструкции, чтобы прочно прикрепить детали к печатному столу и предотвратить их деформацию.
Подставки, используемые в SLA, очень тонкие и слегка касаются деталей для экономии материалов. Это означает, что их можно легко удалить вручную или с помощью плоскогубцев. Однако, поскольку удаление опор оставляет следы на готовой детали, необходимо отшлифовать ее, чтобы обеспечить гладкую поверхность.
SLA часто используется в приложениях, требующих эстетики или гладкой поверхности, таких как визуальные прототипы, пресс-формы и слуховые аппараты.
В этом случае крайне важно спроектировать детали таким образом, чтобы лицевая сторона отпечатка не соприкасалась с опорными конструкциями. Именно в этом случае на первый план выходит ориентация деталей.
Ориентация деталей - важный момент на этапе проектирования, поскольку изменение их расположения может помочь уменьшить количество необходимых опор. Например, трубчатые детали, расположенные горизонтально, будут занимать больше места и, следовательно, потребуют больше опор.
Напротив, если расположить ту же деталь вертикально, она соединится со сборочной плитой с минимальной поддержкой.
Технология Fused Deposition Modeling (FDM) позволяет создавать детали путем экструзии нагретой нити слой за слоем, каждый из которых после охлаждения и застывания соединяется с предыдущим.
В процессе FDM каждый слой немного выступает за пределы ширины предыдущего слоя. Это означает, что детали могут быть созданы под углом до 45 градусов без поддержки.
Однако если свес FDM-детали превышает 45 градусов или деталь включает такие элементы, как мосты и выступающие поверхности размером более 5 миллиметров, требуется поддержка. Поддержка в FDM может иметь форму решетчатой или древовидной структуры.
Один из методов удаления опор из FDM-отпечатков - химическое растворение.
Как правило, в промышленных 3D-принтерах FDM (с двумя печатающими головками) используются растворимые материалы поддержки, такие как поливиниловый спирт (PVA) и высокоэффективный полистирол (HIPS). Эти материалы наносятся на модель с помощью отдельного экструдера.
Хотя ПВА растворяется в воде, на него могут влиять перепады температуры, что приводит к блокировке печатающей головки. HIPS, напротив, растворяется в лимонене, а не в воде, и на него не так легко повлиять при изменении температуры.
Использование растворимых опор позволяет отказаться от ручных операций и необходимости дальнейшей шлифовки и полировки для удаления следов, оставленных опорами. С другой стороны, этот процесс может быть трудоемким (занимать несколько часов) и дорогостоящим.
При использовании 3D-принтера Material Jetting всегда необходима поддержка для нависающих конструкций, независимо от угла наклона.
Однако эти опоры обычно изготавливаются из различных материалов, которые либо не растворяются в воде, либо легко удаляются водой под давлением или погружением в ультразвуковую ванну.
Селективное лазерное спекание и струйное нанесение связующего - это технологии на основе порошка, которые обычно не требуют каких-либо опорных конструкций.
Это связано с тем, что в этих двух технологиях напечатанные детали заключены в сыпучий порошок, который служит в качестве несущей конструкции.
Несмотря на свою необходимость, опорные конструкции увеличивают общее время печати и стоимость материалов в процессе производства.
Материальные расходы:
Создание опор требует дополнительного материала в процессе печати, что увеличивает временные и материальные затраты. Не менее важен и тот факт, что опоры не подлежат многократному использованию и обычно выбрасываются, что приводит к нерациональному использованию материала.
Ограниченная геометрическая свобода:
При ручном удалении опор необходимо учитывать использование рук или инструментов при проектировании опор. Однако это может ограничить ваши возможности по проектированию некоторых геометрических форм, требующих опор, но недоступных для ручного или инструментального удаления.
Добавленное время:
Проектирование детали с учетом опорных конструкций, а затем создание самих опор требует дополнительного времени. Несмотря на наличие программного обеспечения, автоматически генерирующего опоры, создание опорных конструкций для промышленного применения по-прежнему требует ручных доработок и определенного уровня знаний в области проектирования.
Дополнительная постобработка:
После изготовления детали необходимо удалить опоры, иногда вручную, что увеличивает время, необходимое для последующей обработки.
Риск повреждения: На этапе последующей обработки необходимо удалить опоры и отполировать поверхность детали.
Любое неаккуратное обращение при демонтаже опор может привести к появлению дефектов на поверхности детали, влияющих на точность размеров и эстетический вид.
Кроме того, неправильное расположение опор, например, на мелких деталях, может привести к разрушению структуры. Они могут сломаться вместе с опорными конструкциями, что приведет к полному разрушению отпечатка.
Поэтому использование опорных конструкций имеет определенные недостатки и должно применяться только в случае необходимости.
Кроме того, мы можем отказаться от использования фасонных опор. Фаски превращают места свесов в безопасные свесы с углами менее 45 градусов, что позволяет обойтись без опор и обеспечить эффективное использование материала.
Сокращение количества необходимых опор часто является разумной стратегией. Это помогает сэкономить материальные затраты и время производства. Вот четыре важных совета о том, как максимально сократить их количество, сэкономив время печати и материалы:
Эксперименты с ориентацией деталей - один из лучших способов уменьшить количество необходимых опор. Правильная ориентация существенно влияет на время печати, стоимость и шероховатость поверхности части.
В зависимости от направления детали (вертикальное, горизонтальное или наклонное) может потребоваться меньшее или большее количество опор.
Рассмотрим деталь, напечатанную в форме буквы "Т". Если расположить ее в обычном направлении, обе руки буквы разрушатся без поддерживающих конструкций. Однако если ориентация детали перевернута - она расположена в виде перевернутой буквы "Т", - поддержка не нужна.
Этот пример иллюстрирует, что деталь может быть изготовлена различными способами. Каждая грань детали может иметь разную поверхность, соединенную с печатным слоем, что подразумевает различные потребности в поддержке. Эти потребности в значительной степени зависят от ориентации детали.
Другой пример: при проектировании деталей с полыми трубками горизонтальная ориентация занимает больше места, в то время как вертикальная или угловая ориентация экономит пространство и уменьшает количество необходимых опор.
Если опоры неизбежны, их следует оптимизировать, чтобы использовать как можно меньше материала и ускорить процесс печати. Например, можно использовать оптимизацию топологии и поддержку решетчатой структуры, чтобы уменьшить объем опор и тем самым сэкономить материал.
Для многих процессов 3D-печати традиционные методы создания опор ограничиваются созданием строго вертикальных конструкций. Это неэффективно с точки зрения занимаемого пространства, особенно если над печатным слоем находится много областей, нуждающихся в поддержке.
Напротив, создание древовидных опорных конструкций может быть разумным выбором. Такие опоры напоминают ветвистое дерево и могут сократить расход материалов примерно на 75% по сравнению с прямыми вертикальными конструкциями.
Autodesk Meshmixer - один из программных инструментов для создания таких структур для процессов FDM, SLA и DMLS.
Филенки и фаски могут служить альтернативными решениями для создания опорных конструкций на нависающих поверхностях, превышающих 45 градусов.
Фаска - это угловой или скошенный угол или край, а галтель - закругленный угол или край. По сути, эти элементы изменяют углы более 45 градусов на углы 45 градусов или менее, и могут быть добавлены к внутренней или внешней стороне детали.
Для очень сложных 3D-моделей часто имеет смысл печатать детали по отдельности, а затем собирать их вместе. Это не только сокращает количество опор, но и ускоряет процесс печати, экономя материал.
Однако помните, что если 3D-печатные детали будут собираться, они должны быть напечатаны в одной ориентации, чтобы обеспечить правильное прилегание друг к другу.
Долгое время опорные конструкции считались неизбежным "недостатком" 3D-печати. Однако последние достижения в области аппаратного и программного обеспечения постепенно опровергают это мнение.
Например, компания Desktop Metal, производитель металлических 3D-принтеров, недавно разработала решение под названием "Разделяемые опоры" для своих студийных и производственных систем, получив при этом патент.
Эти опоры для 3D-печатных металлических деталей можно удалить вручную. Отделяемые опоры Desktop Metal работают с использованием слоя керамического порошка в качестве интерфейса между поверхностью детали и опорной структурой.
После спекания керамический слой растворяется, что позволяет без труда удалить опоры из детали.
PostProcess Technologies - еще одна компания, стремящаяся упростить и ускорить этап удаления опор для 3D-печатных деталей. Компания предлагает ряд автоматизированных решений по удалению опор без использования рук для деталей, изготовленных аддитивным способом по технологиям FDM, SLA, PolyJet и CLIP.
Однако одна компания пошла еще дальше в области поддержки. Компания Velo3D, создавшая систему Sapphire с порошковым напылением, предлагает для своей системы технологию Intelligent Fusion, которая позволяет печатать сложные металлические детали, делая упор на достижение практически безотказной печати.
По сравнению с другими системами порошкового напыления металла, использование фирменного программного обеспечения Velo3D для моделирования и мониторинга в замкнутом цикле позволяет сократить количество опор, необходимых для производства деталей, до пяти раз.
В 2021 году компания SLM Solutions выпустила технологию "FreeFloat Supportless Technology", которая значительно снижает или устраняет необходимость в опорных конструкциях при печати деталей благодаря единой интеграции нескольких технологий.
В 2022 году специалисты EOS разработали различные методы оптимизации процесса для производства безопорных 3D-печатных деталей, таких как кольца статора, корпуса, турбинные насосы, масляные баки, теплообменники, клапаны и крыльчатки, причем особенно характерным примером является закрытая крыльчатка.
Благодаря оптимизации программного обеспечения и наборов параметров EOS позволила пользователям печатать консольные конструкции и мосты под гораздо меньшими углами, иногда даже под нулевым градусом, что требует значительно меньшего количества опор или даже их полного отсутствия.
Несомненно, отечественные производители добились значительных успехов в области безопорной печати. Не так давно стало известно, что ведущая компания в области 3D-печати "Полит" предложила решение для безопорной печати: структуры со свесом менее 30° не требуют поддержки.
Компания Polite справилась с проблемой безопорной технологии 3D-печати металлов SLM.
В целом, оптимизация конструкции и удаления опор является ключевой задачей для ускорения и упрощения рабочего процесса 3D-печати.
Как видно из приведенных выше примеров, индустрия аддитивного производства постоянно разрабатывает решения для преодоления этой проблемы.
Однако, помимо технологий, специалистам необходим более высокий уровень навыков и знаний, чтобы создавать лучшие решения.
Надеемся, эта статья расширила ваши знания о том, как более эффективно использовать опорные конструкции в 3D-печати, превращая их из врагов в союзников.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
AR 
DE 
ES 
FR 
ID 
IT 
JA 
NL 
PT 
PT_BR 
KO 
TR