PRUMYSL.CZ KONSTRUKTER.CZ 3D-TISK.CZ MATEMATIKA.CZ HLEDAME.CZ

3D tisk kovů: Jak omezit 3D tisk podpůrného materiálu

Většina kovových dílů, které zákazníci požadují vyrobit 3D tiskem, neodpovídají svým tvarem požadavkům aditivní výroby. Konstrukce dílů odpovídá své funkci, tvar však není vhodný k výrobě 3D tiskem. Tyto aspekty vedou k výrobě podpůrných prvků (tzv. supports), které zpomalují výrobní proces, prodražují výrobu a ve většině případů se těžko odstraňují. Další nevýhodou podpůrného materiálu je výsledná kvalita povrchu, která vyžaduje tzv. post-processing (obrábění a povrchové úpravy).

Ředitel Global Solutions Centres Renishaw Marc Saunders se v článku (anglicky) zabývá problematikou 3D tisku podpůrných prvků a navrhuje řešení pro jejich efektivní eliminaci. Všeobecně je cílem navrhovat samonosné konstrukce nebo takové podpůrné struktury, které jsou součástí komponenty, nenarušují její funkci a lze snadno odstranit, případně obrobit. Pokud už jsme zmínili obrábění, tak je nutné vzít v úvahu, že se obrábění podpor chová jako přerušovaný řez, který má negativní dopad na životnost řezných nástrojů a tzv. post-processing může být v mnoha případech dražší, než samotný 3D tisk.

Podpory pro 3D tisk často ve skutečnosti nic „nepodporují“, ale mají chladící a upevňovací význam a to především ve fúzním procesu založeném na práškovém loži. Většinou působí v místě tahová pnutí, která zabraňují odtrhávání částí směrem od substrátu způsobené zbytkovým namáháním. Podpory rovněž zajišťují odvod tepla z tepelně izolovaných oblastí, které by se ochlazovali příliš pomalu. To však vede k následnému odstranění podpor, obrábění a povrchovým úpravám.

Odtržení podpor od součásti vlivem vysokého napětí, podpory nebyly dostatečně silné pro udržení titanové součásti. Foto: Renishaw

Geometrie podpůrných prvků může mít různé tvary, jako například tenké sloupky, lineární a opěrné struktury nebo struktury stromového charakteru. Generování podpůrných prvků zvládají sofistikovanější a uživatelsky přívětivější softwarové nástroje. Podpory lze navrhovat i ručně v CAD řešeních.

Podpůrný prvek ve tvaru stromu minimalizuje použitý materiál pro tvorbu dalších podpor. Foto: Renishaw

 

Jak moc velký význam hrají podpůrné prvky v procesu 3D tisku dokládají případové studie:

 

Samonosná konstrukce

Tato případová studie je příkladem, kdy lze podpory téměř zcela odstranit a to za pomocí pečlivého návrhu součásti. Jedná se o přepracovaný držák sedla horského kola, kde byla aplikována topologická optimalizace s následnou úpravou designu. Návrh byl realizován v řešení SolidThinking od společnosti Altair, avšak první pokus v přípravné fázi tisku (pre-processing) se neprojevil jako vhodný z důvodu velkého počtu podpor. Přestože je součást topologicky optimalizována, není její geometrie vhodná pro 3D tisk bez podpor. Bylo zapotřebí upravit design, přizpůsobit velké převisy a orientovat součást tak, aby vyčnívající ramena mohla být tisknuta bez podpor. Tyhle kosmetické změny návrhu byly podle požadavků zákazníka přípustné.

Topologicky optimalizovaný držák sedla horského kola před konstrukčními úpravami (vlevo) pro proces 3D tisku bez dodatečných podpor a po drobné úpravě designu (vpravo). Foto: Renishaw

Z topologicky optimalizovaného návrhu sedla s podpůrnými prvky (vlevo) se po následné úpravě designu dosáhlo podpůrné prvky eliminovat (vpravo). Podpory jsou pouze ve spodní části, kde se konstrukce sedla stýká se substrátem. Foto: Renishaw

Více informací se dozvíte v případové studii Making the world’s first 3D printed mountain bike.

 

Konstrukční změna oka

V další případové studii je ukázka toho, jak brání konstrukční omezení vytvořit plně samonosnou konstrukci. Problém spočívá v oblasti vnějšího oka, které má kruhový průřez. Jedná se o zcela běžnou situaci, kterou lze velice efektivně vyřešit. Obecně platí, že velikost kruhového otvoru do průměru 10 mm není nutné tisknout s podporami. U otvorů s kruhovým průřezem se tedy doporučuje konstrukční změna a to tak, že se její průřez změní na čtvercový a to tak, aby strany čtverce svíraly se substrátem úhel 45°. Tento úhel nevyžaduje tisk podpor. Takto vytištěný otvor se obrobí vrtáním nebo frézováním. Řešením tedy je netisknout díry kruhového průřezu, ale měnit jejich geometrii ve čtverec, který je samonosný.

Upravený tvar vnějšího očka minimalizuje 3D tisk podpor. Foto: Renishaw

Zdroj: Marc Saunders, Can you build AM parts without supports?

Mohlo by vás také zajímat

Přidejte k článku svůj komentář

Komentář podléhá autorizaci ze strany redakce, proto se nezobrazí ihned po vložení. Vyhrazujeme si právo odstranit příspěvky, které jsou v rozporu s dobrými mravy nebo platnou legislativou. Slušnou a konstruktivní diskusi vítáme!