Projeto para impressão Parte 2:Por que as peças impressas em 3D empenam e como evitá-lo

Designing for 3D Printing (DF3DP) é uma série de blog dedicada a dicas e truques de impressão 3D a serem seguidos ao usar qualquer impressora 3D que irá guiá-lo através da redução de custos, tempo de impressão e material, ao mesmo tempo que mostra como obter suas peças da maneira que você deseja, tente primeiro.


Se você já usou uma impressora 3D FFF, provavelmente já experimentou empenamento em peças grandes, longas ou de formato estranho. Normalmente, isso significa que você tem que fazer algum pós-processamento para torná-los planos novamente ou terá que apenas aceitar lidar com uma superfície inferior irregular que provavelmente presumiu que seria impressa plana.


O empenamento de peças impressas em 3D é um problema difícil de resolver; só porque uma impressora 3D é confiável, não significa que não terá esse problema. As peças impressas em 3D empenam devido à deformação térmica. Quando os plásticos aquecem, eles se expandem. Quando eles esfriam, eles encolhem. Como a impressão 3D FFF quase sempre envolve termoplásticos, isso acontece com quase todas as impressoras 3D FFF. No lado da impressora, há duas coisas que corrigem o empenamento:uma placa de impressão aquecida ou um gabinete aquecido. Essas duas soluções mantêm a peça em temperatura, para que ela não resfrie, portanto, sem empenamento. Simples! Outras impressoras 3D terão um invólucro que mantém o calor dentro e / ou um adesivo para aplicar na placa de impressão (como a nossa) que geralmente acaba ajudando a reduzir também o empenamento. Além disso, deixar a peça esfriar até a temperatura ambiente antes de removê-la reduzirá o empenamento porque a peça esfria enquanto ainda está aderida à placa de impressão.


Mas, na verdade, é menos sobre o sistema e mais sobre o design da peça. A noção de que “impressoras 3D podem imprimir qualquer coisa” é falsa (mais sobre isso em uma postagem futura no blog!), Porque as impressoras 3D geralmente têm tantas limitações e diretrizes de design quanto outros métodos de fabricação. Para citar um exemplo, o menor tamanho de recurso que uma impressora 3D FFF pode criar depende do diâmetro do bico e da precisão do gantry. De qualquer forma, muitas peças deformam simplesmente por causa das limitações de material das impressoras 3D FFF combinadas com o design da peça não otimizado para impressão 3D.


Eu projetei um prisma triangular simples truncado em uma borda que é bastante sujeito a empenamento (por razões que você descobrirá em breve). Aqui está o modelo 3D no Eiger:


E aqui está uma imagem da peça empenada depois de sair da placa de construção. Para demonstrar empenamento, prendi a peça em um lado da mesa e observei a deflexão do outro lado:


Essas cinco dicas servem como diretrizes de design de impressão 3D para que você possa reduzir o empenamento nas peças impressas em 3D durante o processo de design. Espero que ajudem!

1. Arestas de filete e design com formas redondas e naturais em mente.

Quando as peças impressas em 3D empenam, é por causa de um momento térmico formado em torno da borda de uma peça. Esse momento térmico é causado porque quando as impressoras FFF depositam o filamento, elas estão aquecendo o plástico até que esteja semifluido e, em seguida, resfriando-o após a extrusão. Quando a maioria dos materiais esfria, eles querem encolher. No caso das impressoras 3D FFF, isso significa que cada “linha” de material vai se contrair longitudinalmente. Normalmente, isso não é suficiente para quebrar a adesão com a placa de impressão, mas essa força aumenta à medida que mais camadas são adicionadas, tornando a peça empenada. Isso é especialmente comum com peças longas e finas, como a peça de teste que estou usando neste post, por causa da contração longitudinal.


Quando mais cantos são adicionados a um segmento de linha que deseja encolher, os cantos irão descascar devido ao aumento da tensão naquele local, conforme mostrado no diagrama abaixo:


Os cantos agudos criam concentrações de tensão, portanto, os cantos são as geometrias mais comuns que induzem empenamento. Adicionar um filete a esses cantos reduz as concentrações de tensão porque o canto agudo é arredondado e a tensão é distribuída. Em geral, a criação de seções transversais com formato mais redondo ao entrar em contato com a placa de impressão reduzirá o empenamento - quando os engenheiros projetam peças, elas geralmente acabam tendo formato retangular; isso geralmente é o que é mais fácil de usinar. Mas projetar desde o início com formas e superfícies mais arredondadas e naturais reduzirá o empenamento porque distribui o acúmulo de tensão. Abaixo, editei a peça de teste adicionando um filete aos cantos.


Mesmo com essa mudança simples, os filetes nas arestas reduziram significativamente o empenamento.


Outra dica rápida com filetes - adicionar um filete à borda inferior de sua peça permitirá que você remova-o da placa de impressão com mais facilidade - dá um bom lábio para colocar um raspador por baixo!

2. Imprima as partes com a face maior na parte inferior.

Conforme as camadas são empilhadas umas sobre as outras, essas forças se multiplicam. Se a camada acima da que acabou de ser colocada for ligeiramente maior, então há mais material adicionado que deseja encolher, então a força aumenta ainda mais. Isso significa que as piores formas para a impressão 3D são formas com seções transversais maiores conforme você sobe e formas com cantos agudos após segmentos longos e retos, assim como nosso teste de distorção!


Porém, as peças nem sempre empenam apenas em sua camada inferior - o empenamento pode ocorrer onde quer que existam essas condições de geometria. As saliências extrudadas frequentemente longas terminam se enrolando pelos mesmos motivos, mesmo se forem apoiadas, como mostrado por esta saliência em ângulo fino abaixo:


Portanto, ao imprimir peças em 3D, é importante tentar obter a face maior na parte inferior, porque as peças tendem a deformar à medida que a seção transversal fica maior no topo das camadas empilhadas. Além disso, quanto mais área de superfície você tiver em contato com a placa de impressão, melhor, porque uma área de superfície maior manterá melhor. Imprimi o prisma truncado de cabeça para baixo, na orientação mostrada abaixo:


E como você pode esperar, sem distorção:


Embora este seja um exemplo simples, e com uma peça como essa pode ficar claro que ela deve ser impressa com a face maior para baixo, em alguns cenários não é tão óbvio, então lembre-se de considerar a orientação de construção ao projetar a peça.

3. Adicionar borda

Uma borda pode ser adicionada às peças usando a ferramenta “borda”, que essencialmente adiciona alguma área de contato extra à placa de impressão ao redor da sua peça.


Isso reduz o empenamento ou ondulação por dois motivos. Um, a peça tem uma superfície inferior “estendida”, o que significa que o contato com a placa de impressão é maior do que seria normalmente. Segundo, qualquer empenamento que ocorrer é transferido para a borda, que levará o pior. Além disso, a aba oferece uma superfície melhor para as estruturas de suporte aderirem. Nossas estruturas de suporte são linhas longas e finas, que, como expliquei acima, realmente querem se contrair. Se você tiver muito material de suporte embaixo de sua peça, uma aba fornecerá uma boa superfície para as estruturas de suporte aderirem. Os suportes não enrolam tanto porque estão grudados na borda - uma superfície plana e grande aderindo à placa de impressão. Abaixo está um teste da peça com aba:

4. Faça sua própria aba

Às vezes, devido a geometrias estranhas do ponto de contato da placa de construção, as peças ainda irão empenar apenas porque a borda pode não ser grande o suficiente ou curva o suficiente. Nesses casos únicos, pode ser necessário fazer um CAD em sua própria aba. O que é sugerido nesses cenários é adicionar “pontos” redondos e finos a todos os cantos de sua peça, o que fornecerá maior contato da área de superfície com a placa de impressão em pontos-chave onde ocorre o empenamento.


Minhas próprias abas projetadas eliminam empenamento tão bem quanto nossa aba pré-fabricada e podem ser úteis para peças mais complicadas:

5. Adicione fibra composta à sua peça

Um dos recursos exclusivos do Mark Two é sua capacidade de colocar fibra dentro de componentes para tornar as peças impressas em 3D mais rígidas e resistentes. Devido aos recursos de material composto das impressoras 3D Markforged, para reduzir o empenamento em uma peça, você pode adicionar fibra às poucas camadas inferiores para aumentar sua rigidez.


Isso basicamente força as camadas inferiores a serem planas, tornando quase impossível deformar. Se você estiver fazendo isso, no entanto, lembre-se de equilibrar o composto criando um sanduíche de fibra nas superfícies superior e inferior de sua peça para otimizar a resistência à torção, conforme descrito nesta postagem do blog. Como você pode ver, sem alterações de design na peça original, a peça de urdidura de teste permanece plana:

Dica extra:imprima em Onyx!

Conforme descrito na dica nº 5, minimizar o empenamento pode ser abordado do ponto de vista dos materiais com nosso método de Fabricação de Fibra Contínua (CFF). Mas alguns de nossos outros materiais também são úteis para resolver esse problema. Onyx, nosso filamento reforçado com micro-carbono, não se deforma tanto sob o calor. Isso significa que ele deforma muito menos do que nosso náilon padrão e cria peças dimensionalmente mais estáveis. Você pode ler mais sobre a estabilidade dimensional do Onyx aqui. Sem reforço de fibra, o filamento Onyx permanece estável:


Espero que este post tenha ajudado você a entender por que as peças impressas em 3D empenam e como melhorar seus projetos para eliminá-las! Se você quiser fazer seus próprios experimentos para reduzir a distorção em peças impressas em 3D, experimente você mesmo com o arquivo stl e o arquivo mfp! Se você tiver dúvidas, sugestões ou ideias para futuras postagens no blog, entre em contato conosco pelo e-mail [email protected].