Nawet najdroższa, przemysłowa drukarka 3D nie uratuje modelu, który został źle zaprojektowany w programie CAD. Najczęstszą przyczyną pękających zaczepów, łamiących się osi i zapadających się dachów jest ignorowanie specyfiki technologii przyrostowych. Druk 3D to nie wtryskarka – plastik nakładany jest tu warstwa po warstwie, co oznacza, że element ma zupełnie inną wytrzymałość w różnych kierunkach (tzw. anizotropia). Jeśli zaprojektujesz ściankę, która w programie ma grubość kartki papieru, albo zaplanujesz wielki nawis zawieszony w powietrzu bez żadnych podpór, fizyka bezlitośnie zweryfikuje Twój pomysł, a wydruk po prostu się rozpadnie.
Sukces w produkcji addytywnej zaczyna się na ekranie komputera. Świadomy, profesjonalny druk 3D wymaga przestrzegania inżynieryjnych wytycznych (tzw. Design for Additive Manufacturing), które gwarantują, że wirtualna bryła zamieni się w funkcjonalny, w pełni wytrzymały obiekt.
Ściany cienkie jak papier i brak fazowania
Pierwszym i najbardziej powszechnym grzechem początkujących projektantów jest rysowanie zbyt cienkich detali. Dysza w standardowej drukarce FDM wyciska ścieżkę plastiku o szerokości zazwyczaj 0.4 mm. Oznacza to, że każda ściana w Twoim modelu, która ma mniejszą grubość, zostanie zignorowana przez program tnący (slicer) lub wydrukuje się w postaci poszarpanej pajęczyny. Złota zasada mówi, aby dla elementów konstrukcyjnych utrzymywać grubość ścian na poziomie minimum 1.2 mm do 2 mm.
Drugim poważnym błędem jest stosowanie ostrych, 90-stopniowych kątów wewnętrznych w miejscach narażonych na naprężenia (np. u nasady rączki czy zaczepu). Ostre przejścia to tzw. karby, w których kumuluje się siła łamiąca. Wystarczy dodać w programie CAD delikatne zaokrąglenie (fillet) lub ścięcie (chamfer) w narożniku, aby drastycznie podnieść odporność detalu na uderzenia.
Orientacja druku a dobór technologii
To, jak ułożysz model na stole roboczym drukarki, decyduje o jego życiu lub śmierci. Modele FDM (drukowane z żyłki) są najsłabsze w osi Z – pękają najczęściej w miejscach, gdzie warstwy łączą się ze sobą. Jeśli projektujesz hak, który ma utrzymać ciężar, musi on zostać wydrukowany „na płasko”, aby włókna plastiku układały się wzdłuż siły ciągnącej, a nie w poprzek.
Należy również pamiętać, że różne maszyny wybaczają różne błędy. Zanim zaczniesz modelować, sprawdź zestawienie FDM czy SLA – którą technologię druku 3D wybrać. Drukarki żywiczne (SLA) dają idealną gładkość i izotropię (równą wytrzymałość we wszystkich kierunkach), ale nie znoszą np. drukowania idealnie płaskich, dużych powierzchni równolegle do dna kuwety z powodu tzw. sił ssania (suction cup effect).
| Cechy modelu CAD | Zasady projektowania dla FDM (Plastik) | Zasady projektowania dla SLA (Żywica) |
|---|---|---|
| Minimalna grubość ściany | Około 1.2 mm (3 obrysy dyszy 0.4 mm). | Możliwe bardzo cienkie ściany, od ok. 0.5 mm, ale bywają kruche. |
| Orientacja elementu nośnego | Drukuj wzdłuż wektora siły (płasko na stole). | Orientacja wpływa głównie na estetykę (rozłożenie podpór), wytrzymałość jest jednorodna. |
| Zamknięte puste przestrzenie | Można drukować modele z wypełnieniem np. typu plaster miodu. | Wymagają dodania otworów drenażowych (Drain Holes), inaczej nieutwardzona żywica rozerwie model od środka. |
| Tolerancje wymiarowe szczelin | Zazwyczaj 0.3 – 0.5 mm luzu, by części do siebie pasowały. | Około 0.1 – 0.2 mm luzu (znacznie wyższa precyzja wymiarowa). |
Złe zaplanowanie podpór i mostów
Kolejną pułapką grawitacji są nawisy (overhangs). Zastanów się nad literą „T”. Jeśli postawisz ją pionowo na stole roboczym, jej górne ramiona będą zawieszone w powietrzu. Drukarka nie potrafi rzucać plastiku w próżnię – spadnie on na dół. Dlatego oprogramowanie automatycznie wygeneruje tzw. supporty (podpory), czyli dodatkowe rusztowania, które po wydruku trzeba odłamać.
Podpory wydłużają czas druku, zużywają materiał i psują jakość powierzchni pod spodem elementu. Mądrze zaprojektowana część minimalizuje ich użycie. Wystarczy podeprzeć nawis pod kątem 45 stopni (zrobić z litery „T” literę „Y”), aby maszyna poradziła sobie z narastającym kątem całkowicie bez użycia materiału podporowego.
Skonsultuj projekt, zanim stracisz czas
Opanowanie projektowania pod druk 3D wymaga praktyki. Jeśli przygotowałeś model mechaniczny, element obudowy czy skomplikowaną zębatkę i nie jesteś pewien, czy został narysowany zgodnie ze sztuką (lub dlaczego poprzednie próby wydruku pękały na Twojej domowej drukarce), przejdź do zakładki kontakt i prześlij nam swój plik STL lub STEP. Nasi technologowie poddadzą go weryfikacji programowej, sprawdzą naprężenia w slicerze i podpowiedzą, w których miejscach warto dodać grubości, by uzyskać element gotowy do wdrożenia na linię produkcyjną.
FAQ – Często zadawane pytania o projektowanie pod druk 3D
1. Co to jest zasada „YHT” w druku 3D?
To popularna mnemonika przypominająca o zachowaniu nawisów. Litera Y drukuje się świetnie (kąty narastają stopniowo, 45 stopni i więcej w stosunku do stołu). Litera H drukuje się dobrze tylko wtedy, gdy poprzeczka „mostkuje” dwa pobliskie filary (tzw. bridging). Litera T drukuje się tragicznie, bo ma ramiona całkowicie w powietrzu, pod kątem 90 stopni, co wymusza generowanie mnóstwa podpór.
2. Dlaczego idealnie okrągłe otwory w CAD wychodzą na wydruku owalne lub za małe?
Jest to zjawisko tzw. skurczu materiału i „ciągnięcia” roztopionego plastiku po okręgu, zwłaszcza przy małych średnicach. W projektowaniu pod druk 3D FDM zazwyczaj projektuje się otwory pionowe o 0.2 – 0.3 mm większe niż w rzeczywistości potrzebujemy, a w przypadku wysokiej precyzji wierci się je w wydruku ostatecznie wiertłem (tzw. rozwiertakiem).
3. Jak zaprojektować część, by wkręcić w nią śrubę M3/M4?
Drukowanie tak drobnego gwintu w technologii FDM rzadko się udaje i gwint ten szybko ulega zniszczeniu. Najlepszą praktyką inżynieryjną jest zaprojektowanie gładkiego otworu pod mosiężną wkładkę gwintowaną (tzw. insert). Insert ten wciska się w wydruk za pomocą zwykłej lutownicy – topi on na chwilę plastik, wtapiając się na stałe i tworząc pancerne połączenie dla śrub.
4. Mam dwa elementy, które mają wchodzić w siebie na wcisk. Jaką tolerancję zastosować?
Druk 3D zawsze charakteryzuje się pewnym rozrzutem wymiarowym (zazwyczaj +/- 0.15 mm). Jeśli zaprojektujesz bolec 10 mm i otwór 10 mm, elementy te nigdy w siebie nie wejdą. Zostawienie tzw. offsetu rzędu 0.2 mm zazwyczaj pozwala na bardzo ścisłe pasowanie suwliwe. Dla połączeń luźniejszych warto zostawić 0.4 mm przestrzeni z każdej strony.
5. Co to jest „Elephant Foot” (Stopa Słonia) i jak jej uniknąć w CAD?
Stopa słonia to zjawisko delikatnego „rozpłaszczania” się kilku najniższych warstw wydruku przylegających do rozgrzanego stołu drukarki, co powoduje, że wymiar przy samej podstawie jest lekko zawyżony. Można temu zapobiec w slicerze lub od razu w programie CAD, wykonując na dolnej krawędzi modelu niewielkie, milimetrowe ścięcie pod kątem 45 stopni (chamfer).
Źródła i materiały edukacyjne:
- Wytyczne DfAM (Design for Additive Manufacturing) – podręczniki projektowania do druku przyrostowego.
- Katalogi tolerancji pasowań wymiarowych ISO dla obróbki termoplastów.
