Diseño para impresión Parte 2:Por qué las piezas impresas en 3D se deforman y cómo detenerlo

Designing for 3D Printing (DF3DP) es una serie de blogs dedicada a los consejos y trucos de impresión 3D que debe seguir al utilizar cualquier impresora 3D que lo guiará a través de la reducción de costos, el tiempo de impresión y el material y, al mismo tiempo, le mostrará cómo obtener sus piezas. de la forma en que los quieres primero, inténtalo.

Si alguna vez ha utilizado una impresora FFF 3D, probablemente haya experimentado deformaciones en piezas grandes, largas o de formas extrañas. Por lo general, esto significa que tiene que hacer un procesamiento posterior para volverlos planos nuevamente, o simplemente tendrá que aceptar lidiar con una superficie inferior irregular que probablemente asumió que se imprimiría plana.

La deformación de las piezas impresas en 3D es un problema complicado de resolver; El hecho de que una impresora 3D sea confiable no significa que no tendrá este problema. Las piezas impresas en 3D se deforman debido a la deformación térmica. Cuando los plásticos se calientan, se expanden. Cuando se enfrían, se encogen. Debido a que la impresión 3D FFF casi siempre involucra termoplásticos, esto sucede con casi todas las impresoras 3D FFF. En el lado de la impresora, hay dos cosas que corrigen la deformación:una placa de construcción con calefacción o una carcasa con calefacción. Estas dos soluciones mantienen la pieza a temperatura, por lo que no se enfría y, por lo tanto, no se deforma. ¡Simple! Otras impresoras 3D tendrán un gabinete que mantiene el calor adentro y / o un adhesivo para aplicar a la placa de construcción (como la nuestra) que generalmente termina ayudando a reducir la deformación también. Además, dejar que la pieza se enfríe a temperatura ambiente antes de retirarla reducirá la deformación porque la pieza se enfría mientras aún está adherida a la placa de construcción.

Pero en realidad, se trata menos del sistema y más del diseño de la pieza. La noción de que “las impresoras 3D pueden imprimir cualquier cosa” es falsa (¡más sobre esto en una futura publicación de blog!), Porque las impresoras 3D a menudo tienen tantas limitaciones y pautas de diseño como otros métodos de fabricación. Para nombrar un ejemplo, el tamaño de característica más pequeño que puede crear una impresora FFF 3D depende del diámetro de la boquilla y la precisión del pórtico. De todos modos, muchas piezas se deforman simplemente debido a las limitaciones de material de las impresoras 3D FFF combinadas con el diseño de piezas no optimizado para la impresión 3D.

Diseñé un prisma triangular simple truncado en un borde que es bastante propenso a deformarse (por razones que descubrirá pronto). Aquí está el modelo 3D en Eiger:

Y aquí hay una toma de la pieza que se deforma después de que se desprendió de la placa de construcción. Para demostrar la deformación, sujeté la pieza en un lado de la mesa y observé la desviación en el otro lado:

Estos cinco consejos sirven como pautas de diseño de impresión 3D para que pueda reducir la deformación en las piezas impresas en 3D durante su proceso de diseño. ¡Espero que te ayuden!

1. Redondee los bordes y diseñe con formas redondas y naturales en mente.

Cuando las piezas impresas en 3D se deforman, se debe a un momento térmico formado alrededor del borde de una pieza. Este momento térmico se debe a que cuando las impresoras FFF colocan filamento, calientan el plástico hasta que se vuelve semifluido y luego lo enfrían después de extruirlo. Cuando la mayoría de los materiales se enfrían, quieren encogerse. En el caso de las impresoras 3D FFF, esto significa que cada "línea" de material querrá contraerse longitudinalmente. Por lo general, esto no es suficiente para romper la adhesión con la placa de construcción, pero esta fuerza aumenta a medida que se agregan más capas, lo que hace que la pieza se combe. Esto es especialmente común con partes largas y delgadas, como la pieza de prueba que estoy usando en esta publicación, debido a la contracción longitudinal.

Cuando se agregan más esquinas a un segmento de línea que quiere encogerse, las esquinas se despegarán debido a la acumulación de tensión en esa ubicación, como se muestra en el diagrama a continuación:

Las esquinas afiladas crean concentraciones de tensión, por lo que las esquinas son las geometrías más comunes que inducen alabeos. Agregar un filete a estas esquinas reduce las concentraciones de tensión porque la esquina afilada se redondea y la tensión se distribuye. En general, la creación de secciones transversales que tienen una forma más redonda al entrar en contacto con la placa de construcción reducirá la deformación:cuando los ingenieros diseñan piezas, generalmente terminan siendo de forma rectangular; eso es comúnmente lo que es más fácil de mecanizar. Pero diseñar desde el principio con formas y superficies más redondas y naturales reducirá la deformación porque distribuye la acumulación de tensión. A continuación, he editado la pieza de prueba agregando un filete a las esquinas.

Incluso con este simple cambio, los redondeos en los bordes redujeron significativamente la deformación.

Otro consejo rápido con los filetes:agregar un filete al borde inferior de su pieza le permitirá quitarlo de la placa de construcción más fácilmente, ¡le da un buen borde para colocar un raspador debajo!

2. Imprima las piezas con la cara más grande en la parte inferior.

A medida que las capas se apilan unas sobre otras, estas fuerzas se multiplican. Si la capa sobre la que se acaba de colocar es un poco más grande, entonces hay más material agregado que quiere encogerse, por lo que la fuerza aumenta aún más. Esto significa que las peores formas para imprimir en 3D son formas con secciones transversales más grandes a medida que sube y formas con esquinas afiladas después de segmentos largos y rectos, ¡como nuestra prueba de deformación!

Sin embargo, las piezas no siempre se deforman solo en su capa inferior; las deformaciones pueden ocurrir dondequiera que existan estas condiciones geométricas. Con frecuencia, los voladizos extruidos largos terminan curvándose por las mismas razones, incluso si están apoyados, como se muestra en este delgado voladizo en ángulo a continuación:

Por lo tanto, cuando se imprimen piezas en 3D, es importante intentar obtener la cara más grande en la parte inferior porque las piezas tienden a deformarse a medida que la sección transversal se agranda en la parte superior de las capas apiladas. Además, cuanta más superficie tenga en contacto con la placa de construcción, mejor, porque una superficie más grande se mantendrá mejor. Imprimí el prisma truncado al revés, en la orientación que se muestra a continuación:

Y como es de esperar, sin deformaciones:

Aunque este es un ejemplo simple, y con una pieza como esta puede quedar claro que debe imprimirse con la más grande hacia abajo, en algunos escenarios no es tan obvio, así que recuerde considerar la orientación de construcción al diseñar la pieza.

3. Agrega un borde

Se puede agregar un borde a las piezas usando la herramienta "borde", que esencialmente agrega un área de contacto adicional a la placa de construcción que rodea su pieza.

Esto reduce la deformación o rizado por dos razones. Uno, la pieza tiene una superficie inferior "extendida", lo que significa que el contacto con la placa de construcción es mayor de lo que sería normalmente. Dos, cualquier deformación que se produzca se transfiere hasta el borde, que se llevará lo peor. Además, el borde proporciona una mejor superficie para que se adhieran las estructuras de soporte. Nuestras estructuras de soporte son líneas largas y delgadas, que, como expliqué anteriormente, realmente quieren contraerse. Si tiene mucho material de soporte debajo de su pieza, un borde proporcionará una buena superficie para que las estructuras de soporte se adhieran. Los soportes no se curvarán tanto porque se adhieren al borde, una superficie plana y de gran área que se adhiere a la placa de construcción. A continuación se muestra una prueba de la pieza con ala:

4. Haz tu propio ala

A veces, debido a geometrías extrañas de los puntos de contacto de la placa de construcción, las piezas aún se deformarán solo porque el borde puede no ser lo suficientemente grande o curvado. En estos casos únicos, puede ser necesario crear un CAD en su propio ala. Lo que se sugiere en estos escenarios es agregar "puntos" delgados y redondos a todas las esquinas de su pieza, lo que proporcionará más superficie de contacto con la placa de construcción en los puntos clave donde se produce la deformación.

Mis propios bordes diseñados eliminan la deformación tan bien como nuestro borde prefabricado y pueden ser útiles para piezas más complicadas:

5. Agregue fibra compuesta a su pieza

Una de las capacidades únicas del Mark Two es su capacidad para colocar fibra dentro de los componentes para hacer piezas impresas en 3D más rígidas y resistentes. Debido a las capacidades de material compuesto de las impresoras 3D Markforged, para reducir la deformación en una pieza, puede agregar fibra a las pocas capas inferiores para aumentar su rigidez.

Esto esencialmente obliga a las capas inferiores a ser planas, lo que hace que sea casi imposible que se deformen. Sin embargo, si está haciendo esto, recuerde equilibrar el material compuesto creando un sándwich de fibra en una superficie superior e inferior de su pieza para optimizar la resistencia a la torsión, como se describe en esta publicación de blog. Como puede ver, sin alteraciones de diseño en la pieza original, la pieza de urdimbre de prueba permanece plana:

Sugerencia adicional:¡imprima en Onyx!

Como se describe en el consejo n. ° 5, se puede abordar la minimización de la deformación desde el punto de vista de los materiales con nuestro método de fabricación continua de fibra (CFF). Pero algunos de nuestros otros materiales también son útiles para resolver este problema. Onyx, nuestro filamento reforzado con microcarbono, no se deforma tanto con el calor. Esto significa que se deforma mucho menos que nuestro nailon estándar y crea piezas mucho más estables dimensionalmente. Puede leer más sobre la estabilidad dimensional de Onyx aquí. Sin refuerzo de fibra, el filamento Onyx permanece estable:

Espero que esta publicación te haya ayudado a comprender por qué las piezas impresas en 3D se deforman y cómo mejorar tus diseños para eliminar las deformaciones. Si desea probar sus propios experimentos para reducir la deformación en piezas impresas en 3D, ¡inténtelo con el archivo stl y el archivo mfp usted mismo! Si tiene alguna pregunta, sugerencia o idea para futuras publicaciones de blog, háganoslo saber a [email protected].