Obrovskou výhodou 3D tisku je jeho malá náročnost na ovládání výrobního zařízení, oproti klasickým metodám obrábění. Zjednodušeně lze říct, že stačí nahrát model, nastavit několik málo parametrů a spustit „start“. Byť i zde je množství parametrů nastavení, které ovlivňují kvalitu výrobku, je zdaleka nejdůležitější tvorba CAD modelu pro 3D tisk a jeho kvalita. Zkráceně – zatímco vyrobit součástku na soustruhu nevyžaduje nutně její konstrukci v počítači, ale je nezbytně nutné zvládnutí obsluhy a nastavení stroje, u 3D tisku je to přesně naopak.

V TECRON se nezabýváme pouze samotným 3D tiskem, ale významnou část naší činnosti zabírá konstrukce dílů a celých produktů, ať už pro 3D tisk, tak i pro další technologie výroby (vstřikování, tváření, obrábění,…). Pokud si chcete díly tisknout sami a nevíte si rady s tvorbou modelu, rádi to pro Vás uděláme.

A pokud si dokážete i model připravit sami, připravili jsme pro Vás několik tipů, pomocí nichž dosáhnete lepších výsledků. Technologií 3D tisku je celá řada. My se budeme věnovat té nejběžnější, což je FDM/FFF.

Než začnete s detailním modelem

V první řadě je při konstruování dílu pro 3D tisk potřeba si rozmyslet, jak bude díl při tisku orientován. To ovlivňuje, dobu výroby, kvalitu povrchu a hlavně pak mechanické vlastnosti dílu. Ty totiž nejsou při FDM/FFF tisku izotropní (všesměrově stejné).

Dalším krokem je, rozmyslet si způsob, jakým bude díl zatěžovaný, jaké bude mít funkční prvky, požadavky na vzhled, jaká je požadovaná přesnost atd. Všechny tyto parametry je třeba mít po celou dobu konstrukce na paměti a průběžně kontrolovat jejich naplnění.

1. Převisy

Asi nejčastější téma při FDM tisku je výroba převislých ploch. Převislé plochy, s převislostí nad určitou úroveň, závislou na materiálu, je potřeba podpírat podporami. Ty jednak prodlužují čas tisku a zvětšují spotřebu materiálu, jednak zpravidla vykazují horší kvalitu povrchu. To lze sice u tiskáren s dvoumatriálovým tiskem částečně omezit speciálními podpůrnými materiály (PVA, HIPS,..), ale výsledek ani tak není perfektní.

Základním doporučením je, snažit se při konstrukci dílu vyvarovat všech převisů s úhlem menším než 45°. Obecně je dobré, když se plochy namodelují s úhlem cca o 1° – 2° větším, než bude nastavení minimálního úhlu při tisku. Důvodem jsou nepřesnosti způsobené převodem do formátu .stl, které mohou některým slicerům dělat problémy.

Nahrazení vodorovných převisů úkosy

Další opatření může být změna orientace stavby dílu, nebo jeho rozdělení na dvě poloviny a následné slepení.

Pokud součást obsahuje vnitřní kanály, je potřeba dát pozor na to, aby se v nich nestavěly podpory. Ty by pak následně nebylo možné odstranit a fungovaly by jako překážky. Řešením nemusí být ani použití vodou odplavitelných podpor (PVA). Takové kanály ve vodorovném směru je pak potřeba konstruovat se stříškovým profilem. Dávat pozor je potřeba na to, aby se v průběhu kanálku neměnila orientace profilu vzhledem k vertikále (aby nedocházelo k jeho naklápění a kroucení).

Stříškový profil vnitřních kanálků

2. Velikost prvků a tloušťky stěn

FDM/FFF 3D tisk má obecně problémy s tiskem drobných prvků, tenkých stěn apod. Tím, že tiskárna musí u tenkých stěn na sebe klást pouze jednu řadu „housenky“, navíc ztenčené, nedochází k dostatečnému provázání materiálu. To pak způsobuje optické vady a pevnost takových prvků je snížena na absolutní minimum. Optimální tloušťka stěn je alespoň 0,8 mm

Vady na příliš subtilních prvcích

V každém případě je nutné se vyvarovat jakýchkoliv svislých kolíků, zejména malých průměrů. Kromě toho, že se zpravidla vyrobí roztřepené, nedokáží plnit svojí funkci a při sebemenším zatížení se lámou. Kolíky je výhodné do dílu zalepovat zvlášť. Použít lze standardních nakupovaných dílů, nebo lze kolíky (orientované vodorovně) vyrobit zvlášť. Vhodné jsou v takovém případě kolíky čtyřhranného průřezu. Stranová konstrukční vůle okolo 3D tištěného kolíku by měla být cca 0,15 mm.

Řešení separátně vyrobeným kolíkem

V případě, že jde svislá stěna hodně do špičky, což by způsobovalo roztřepenou hranu, na které by se díl snadno delaminoval (praskání podle vrstev), lze špičku v datech lokálně zesílit a po vytištění dílu zesílení ručně skalpelem odříznout.

Tento postup lze využít též u vodorovných břitů.

Příklad dočasného zesílení ostrého břitu

3. Optimalizace doby tisku

Dobu výroby, kromě materiálu a nastavení parametrů tisku, ovlivňuje také design dílu.

Největší vliv má obvykle hlavně omezení tvorby podpor pod převislými plochami. O nich jsme si řekli výše.

Další cestou ke zkrácení času, je minimalizace plochy povrchu dílu. Vnější stěny se totiž tisknou pomaleji, než jádro dílu. Optimální proto je, vyhnout se zbytečným dutinám a žebrování dílu (konstrukční řešení typické pro vstřikované plasty). Místo toho je výhodnější díl konstruovat jako plný. Spotřeba materiálu se tím obvykle nijak výrazně nezvýší, pokud se díl tiskne s vnitřní voštinou (infill).

Příklad zaplnění zbytečných vybrání

Doba tisku se také bude lišit v závislosti na orientaci stavby dílu. Při použití tenčí vrstvy tisku, bývá výhodnější orientace na šířku, při tlustších vrstvách (nad 0,2) pak na výšku. Záleží nicméně na použité tiskárně, geometrii dílu a nastavených parametrech tisku. Ušetřený čas nebývá zvlášť významný, pro to by měl mít tento ohled při volbě orientace stavby nejmenší váhu (oproti mechanickým vlastnostem, kvalitě povrchu atd.).

4. Optimalizace mechanických vlastností

V případě funkčních částí, které musí snést určité zatížení, je prvořadé, rozmyslet si způsob a směr zatížení dílu. FDM/FFF 3d tisk se typicky projevuje silně anizotropickými mechanickými vlastnostmi. Zatímco ve směru po vrstvách mívá relativně dobrou pevnost a houževnatost, ve směru kolmo na vrstvy padají mechanické vlastnosti k minimu. To lze částečně omezit volbou materiálu, tiskových parametrů a tloušťky vrstvy (menší tloušťka vykazuje lepší soudržnost materiálu), ale eliminovat nelze.

Základní doporučení proto jsou:

• Konstruovat díl tak, aby se napětí přenášelo po vrstvách

• Vyvarovat se přerušení vrstev, přenášejících napětí

• Vyvarovat se prvků, zatížených kolmo na vrstvy
• Zaoblovat všechny kouty, zejména vodorovné, čímž se omezí koncentrace napětí a omezí se nebezpečí delaminace

Způsobů, jak se vyhnout prvkům, zatíženým kolmo na vrstvy je několik:

• Díl lze rozdělit na několik částí dle směru zatížení a následně spojit vhodným způsobem (šroubování, lepení,…)

• Části, které jsou ohrožené delaminací, lze zesílit zvlášť vyrobenými „obručemi“

• Díl lze zpevnit prošroubováním, což vrstvy „podrží“ u sebe.

5. Rozměry, tolerance

Tolerance rozměrů a geometrie zčásti závisí na použitém zařízení, obecně se ale dá říct, že se pohybuje v řádu desetin milimetru, přičemž větší přesnosti je dosahováno ve vodorovném směru po vrstvách a horších ve svislém, kolmém na vrstvy. Svislé rozměry se vyrobí v násobcích tloušťky vrstvy.

Negativně se na geometrické přesnosti projevuje potřeba tisku velkých převisů a nutnost užití podpor. Například vodorovné díry se zpravidla mírně zdeformují do elipsovitého tvaru.

Protože při nanášení „housenek“ materiálu dochází k jejich rozvalení do stran. Povrch dílu je tak zpravidla o něco nafouklý. Pokud je potřeba, dostat se do určitého rozměru například díry, je vhodné jí v modelu udělat o 0,1 – 0,2 mm větší.

Pokud mají dvě součásti do sebe pasovat, doporučuje se spoj konstruovat s vůlí 0,2 mm. V případě že má být spoj pohyblivý, doporučuje se 0,3 mm.

Pokud je na díle potřeba dosáhnout přísnějších tolerancí, je vhodné dané plochy vyrobit s přídavkem a ten následně obrobit (vyvrtat, vyfrézovat apod.). Další alternativou při potřebě přesných kruhových děr je, do dílu zalisovat, nebo zalepit standardizovaná, nakupovaná pouzdra a ložiska (z POM, bronzu apod.).

V případě vodorovných děr a válcových kolíků je nutné počítat s tím, že budou vykazovat velice špatnou kruhovitost (budou mít sklon k určité elipsovitosti).

6. Kvalita povrchu

Nejlepší kvality povrchu dosahují svislé stěny, výrazný vliv má nastavení tloušťky vrstvy (to ale není tématem článku). V případě ubíhajících ploch je potřeba počítat s výrazným prokreslením vrstevnic.

Nejhorší kvalitu povrchu pak vykazují plochy s velkou převislostí a prvky tvořené jen velmi krátkou dráhou „housenky“.

Obecně všechny přerušení dráhy vedou k většímu počtu viditelných švů na povrchu. Při častém přerušování dráhy a její krátké délce dochází k vadám jako je „stringing“ (vlásenky vystupující z dílu), nebo i celkovému selhání tisku.

Hrany ploch, ležících na podložce, je vhodné srazit. Omezí se tak otřep, vznikající rozvalením materiálu na podložce.

7. Tisk velkých dílů

Často se stane, že je vyráběná součást větší, než je stavební prostor tiskárny. V takovém případě je nutné díl vyrobit po částech a ty následně spojit, nejčastěji lepením, nebo šrouby. Stejně tak bývá vhodné díl rozdělit z pevnostních důvodů, nebo kvůli omezení množství podpor.

Díl by měl být rozdělen rovinnými řezy tak, aby jednotlivé části ležely na podložce na plocho, bez nutnosti tvorby podpor. Výhodou je, že díky rovné, hladké ploše, která tak vznikne, k sobě díly lépe lícují.

Pro co nejpřesnější slícování dílů je vhodné, opatřit je kolíky, nebo zámky. Kolík je ideální vyrobit jako separátní díl (tisknutý kvůli pevnosti podél) a v obou polovinách pro něj udělat kapsy. Tvar kolíku může být jakýkoliv, ideální ale je co nejmasivnější obdélník.

Příklad rozdělení modelu

Pro lepení dílů v TECRONu používáme kvalitní, dvousložkové, akrylové lepidlo, překonávající svou pevností všechny obvyklé termoplasty. Použít lze ale jakékoliv lepidlo, vhodné na lepení plastů. Každé lepidlo má největší pevnost při zatížení smykem. Zejména u menších styčných ploch je důležité, na díle vytvořit přeplátování, které zajistí dostatečnou pevnost spoje. S výhodou lze také využít polohovací kolíky.

Po slepení se ani s nejlepším slícováním dílů nedá zabránit tomu, aby na díle byly spoje viditelné. Pokud má být díl pohledový, musí se spoje sbrousit a ideálně následně přetmelit. Použít lze například jemný polyesterový stěrkový tmel. Tmel se opět brousí a vše se případně opakuje tak dlouho, až dosáhneme kýženého vzhledu. Nejde o nijak složitou operaci, ale je dobré, jí trochu nacvičit. Poslední operací po tmelení je barvení a lakování.

8. Šroubové spoje

Nejjednodušším spojením je, prošroubování dílů s průchozími otvory.

Pokud chceme, šroubovat přímo do dílu, lze to provézt několika způsoby:

• Do dílu ze zadní strany namodelovat vybrání pro šestihrannou matku, která se do dílu vlepí.

Výhodou je maximální pevnost spoje, ale vyžaduje přístup pro matku zezadu dílu

• Vytvořit závit přímo v materiálu
  Pro závity do velikosti cca M6 se závity řežou pomocí závitníku, větší závity lze tisknout. V případě tištěného závitu je dobré jej namodelovat o cca 0,05mm volnější, nebo po výrobě protáhnout závitníkem.
  Výhodou jsou malé nároky na prostor, nevýhodou pak nejnižší pevnost spoje.
• Zalisování závitové vložky (za studena i za tepla)
  Výhodou je přesný, funkční a odolný závit. Oproti klasické matce má závitová vložka menší pevnost (při větším utahovacím momentu jí lze protočit).
• Matka vložená zboku do drážky
  Pokud chceme použít šestihrannou matku, je dobé drážku doplnit zahloubením s plným šestihranem. Jinak hrozí její protočení v drážce. Tomu lze zabránit použitím čtyřhrannou, ideálně obdélníkovou matkou

Několik příkladů řešení závitu v dílu

Závěrem

Jak je vidět, i když je 3D tisk z pohledu technologie mnohem přívětivější než klasické obrábění (není potřeba řešit, kam se dostaneme nástrojem, jak díl upnout atd.), je i zde mnoho věcí, které je potřeba při tvorbě modelu pro 3d tisk zohlednit.

Ačkoliv náš výčet doporučení pro konstrukci není, a ani nemůže být zdaleka úplný, nebo platný pro každý typ aplikace, doufáme, že Vám pomůže při tvorbě kvalitnějších modelů pro Váš 3D tisk.

A pokud si na ní netroufnete, nebo se s ní dostanete do potíží, rádi pro Vás 3d CAD model vytvoříme. Model pak můžeme buď sami vyrobit, nebo si ho vytisknete sami.

Nabídnout můžeme i výrobu vysokopevnostních, funkčních dílů 3D tiskem kompozitu, nebo kovů. Samozřejmostí je i 3D skenování