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3D列印設計第二部分◕◕▩:3D列印零部件產生形變研究
發表時間◕◕▩:2018-4-17

    3D列印設計(DF3DP)是一個系列文章•·◕↟▩,專門介紹使用任何3D印表機時要遵循的3D列印技巧•·◕↟▩,這些技巧將指引您降低成本•·◕↟▩,列印時間和材料•·◕↟▩,同時還向您展示如何讓您設計的零件在初次列印時就能獲得幾近完美的成品╃↟◕☁◕。
    如果您曾經使用過FFF(Fused Filament Fabrication)技術的3D印表機•·◕↟▩,那麼您可能會遇到大型或異形零件的變形問題╃↟◕☁◕。通常這意味著您必須進行一些後期處理才能使它們再次變平整•·◕↟▩,否則您只能接受這種看似平的底面╃↟◕☁◕。
    3D列印零件發生變形是一個日常中較為棘手的問題•·◕↟▩,雖然3D印表機是可靠的•·◕↟▩,但並不意味著它不會出現這個問題◕◕▩:3D列印零件因熱變形而發生翹曲╃↟◕☁◕。當塑膠變熱時•·◕↟▩,它們會膨脹╃↟◕☁◕。當它們冷卻時•·◕↟▩,它們會縮小╃↟◕☁◕。由於FFF技術的3D列印大多會使用熱塑性塑膠•·◕↟▩,所以幾乎每個FFF 3D印表機都會發生這種情況╃↟◕☁◕。在印表機方面•·◕↟▩,有兩種方式可以解決翹曲問題◕◕▩:加熱列印板或加熱外殼╃↟◕☁◕。這兩種解決方案使得零件可以保持一定溫度•·◕↟▩,所以它不會變涼•·◕↟▩,因此不會變形╃↟◕☁◕。其他3D印表機將有一個可以保持熱量的外殼•·◕↟▩,有可能利用一種粘合劑可以用於構建板•·◕↟▩,這通常會減少翹曲╃↟◕☁◕。此外•·◕↟▩,讓零件冷卻到室溫•·◕↟▩,然後再將其移除將減少翹曲•·◕↟▩,因為零件冷卻時仍粘附在列印板上╃↟◕☁◕。
    但是•·◕↟▩,這不是並非與列印系統有關•·◕↟▩,而是更多的關乎零件原型設計技巧╃↟◕☁◕。“3D印表機可以列印任何東西”的說法是不正確的•·◕↟▩,因為3D印表機通常具有與其他製造方法一樣多的限制條件並且必須遵循相關產品設計原則╃↟◕☁◕。舉例來說•·◕↟▩,FFF技術3D印表機可以建立的最小列印尺寸取決於噴嘴直徑和龍門架精度╃↟◕☁◕。無論如何•·◕↟▩,許多零件的翹曲僅僅是因為FFF 3D印表機的材料限制以及未針對3D列印最佳化的零件設計╃↟◕☁◕。
    我設計了一個簡單的梯形稜鏡•·◕↟▩,很容易發生翹曲(原因很快就會發現)╃↟◕☁◕。這裡是Eiger軟體下的三維模型◕◕▩:

(用於測試翹曲的樣件╃↟◕☁◕。長而薄的幾何形狀和傾斜表面使其更容易翹曲)

這是從列印板脫落後的部分變形零件╃↟◕☁◕。為了展現出翹曲程度•·◕↟▩,我在桌子的一邊夾住了零件•·◕↟▩,觀察了另一邊的翹曲◕◕▩:

(正如你所看到的一樣•·◕↟▩,這個3D列印零件在任何一側都會彎曲•·◕↟▩,從而確定其底面不平坦)

以下五個提示可用作3D列印設計指南•·◕↟▩,以便您可以在設計過程中減少3D列印零件的翹曲問題╃↟◕☁◕。
1₪·↟、圓角邊緣和圓形自然形狀的設計╃↟◕☁◕。
    3D列印零件發生翹曲時•·◕↟▩,這是由於零件邊緣周圍瞬間產生了大量的熱╃↟◕☁◕。這種熱力矩是由於當FFF技術3D印表機放置長絲時•·◕↟▩,它們將塑膠加熱到半流體狀態•·◕↟▩,然後在擠出後將其冷卻╃↟◕☁◕。 當大多數材料冷卻時•·◕↟▩,他們會縮小體積╃↟◕☁◕。在FFF 3D印表機的情況下•·◕↟▩,這意味著每個“材料線”都要縱向收縮╃↟◕☁◕。通常•·◕↟▩,這不足以影響列印托盤的附著力•·◕↟▩,但隨著多層材料的新增•·◕↟▩,這種力量會增加•·◕↟▩,從而使零件翹曲╃↟◕☁◕。對於長而薄的零件•·◕↟▩,這是特別常見的•·◕↟▩,就像我在這篇文章中使用的測試片一樣•·◕↟▩,因為它的縱向收縮╃↟◕☁◕。
當更多的角落被新增到想要縮小的線段時•·◕↟▩,由於該位置處的應力累積•·◕↟▩,拐角將會剝落•·◕↟▩,如下圖所示◕◕▩:

(來源於每個邊緣的收縮力加起來•·◕↟▩,就會在拐角處發生彎曲)

    銳角產生應力集中•·◕↟▩,所以零件邊角部分是引起翹曲的最常見的位置╃↟◕☁◕。在這些角上新增一個弧度角可以減少應力集中•·◕↟▩,因為圓角會把收縮力有效分散時•·◕↟▩,從而使得應力得到均勻分佈╃↟◕☁◕。一般來說•·◕↟▩,當工程師設計零件通常最終形狀為矩形時•·◕↟▩,最初接觸列印托盤時形狀更為圓形的橫截面將減少翹曲•·◕↟▩,這也是最容易加工的╃↟◕☁◕。但從一開始就設計更多圓形•·◕↟▩,自然形狀和表面將減少翹曲•·◕↟▩,因為它分散了壓力積聚╃↟◕☁◕。下面•·◕↟▩,我透過在零件邊角新增一個圓角來測試列印件╃↟◕☁◕。

(調整與列印托盤垂直的邊緣部分可減少由翹曲引起的應力集中)

透過這個簡單的設計修改•·◕↟▩,邊緣上的圓角也會顯著減少翹曲╃↟◕☁◕。

(新增圓角可減少在拐角處產生的應力•·◕↟▩,從而減少由熱變形引起的力)

另一個關於列印件上新增圓角的提示 - 在零件的底部邊緣新增一個圓角將使您可以更輕鬆地將其從列印托盤上移除 - 它可以讓您獲得一個良好的切入點•·◕↟▩,以便讓刮刀進入╃◕!
2₪·↟、列印底面較大的零件
    隨著材料層疊在一起•·◕↟▩,這些應力倍增╃↟◕☁◕。如果剛打印出的層稍大一點•·◕↟▩,那麼就會有更多想要縮小的材料•·◕↟▩,所以收縮力會進一步增加╃↟◕☁◕。這意味著3D列印最糟糕的形狀是隨著上升而橫截面變大的形狀•·◕↟▩,並且在長長的直線段之後形成尖角•·◕↟▩,就像我們的彎曲測試一樣╃◕!
儘管零件不會總是在其底層上發生彎曲•·◕↟▩,只要這些幾何體存在形變條件存在就會發生彎曲╃↟◕☁◕。 由於相同的原因•·◕↟▩,即使它們被支撐•·◕↟▩,經常長的擠出懸垂部分也會捲起來•·◕↟▩,如下面這個薄的傾斜懸垂部分所示◕◕▩:

(儘管零件沒有在底部彎曲•·◕↟▩,但是長而疊加的輪廓導致該零件在懸垂處捲起•·◕↟▩,列印失敗)

    所以當3D列印零件時•·◕↟▩,重要的是嘗試確定先列印最大的面(底部)•·◕↟▩,因為隨著堆疊層頂部的橫截面變大•·◕↟▩,零件會傾向於翹曲╃↟◕☁◕。此外•·◕↟▩,零件接觸列印托盤的表面積越大越好•·◕↟▩,因為更大的表面積“粘”在托盤上會是零件更加牢固╃↟◕☁◕。我按照如下所示的方向列印了截斷的梯形體:

(3D列印零件的方向非常重要 - 只要延續列印方向進行設計就可以解決很多問題)

正如您所期望的那樣•·◕↟▩,不會翹曲◕◕▩:

(零件的任何一側都不會彎曲•·◕↟▩,因為層疊方式的改變減少了零件上的收縮力)

雖然這是一個簡單的例子•·◕↟▩,但是對於這樣的零件•·◕↟▩,可以很清楚的瞭解到應該以最大面朝下的方式列印•·◕↟▩,在某些情況下它不是很明顯•·◕↟▩,所以請在設計零件時重點考慮構建方向╃↟◕☁◕。
3₪·↟、新增邊緣
    可以使用“邊緣”工具將邊緣新增到零件中•·◕↟▩,這基本上會圍繞零件在列印托盤上新增一些額外的接觸面積╃↟◕☁◕。

(在“高階設定”下選擇“使用邊緣”•·◕↟▩,為您的零件新增邊緣)

    這減少了翹曲或捲曲的原因有兩個╃↟◕☁◕。其一•·◕↟▩,該零件具有“延伸”底部表面的特性•·◕↟▩,這意味著與列印托盤的接觸面比通常更大╃↟◕☁◕。二•·◕↟▩,當3D列印零件的翹曲轉移問題延伸到零件邊緣時•·◕↟▩,這將會是最糟糕的情況╃↟◕☁◕。良好的零件邊緣還為支撐結構提供了更好的表面╃↟◕☁◕。我們的支撐結構是細長的•·◕↟▩,正如我上面所解釋的那樣•·◕↟▩,它們確實需要良好的接觸╃↟◕☁◕。如果你的零件下面有很多支撐材料•·◕↟▩,那麼這個邊緣將為支撐結構提供一個良好的表面╃↟◕☁◕。支撐材料不會捲曲得太多•·◕↟▩,因為它們會粘在零件邊緣上 - 一個平坦的大面積表面粘在列印托盤上╃↟◕☁◕。 以下是對零件邊緣部分的測試◕◕▩:

(新增額外的零件邊緣能夠增加與列印托盤的接觸面積來減少3D列印部件翹曲)

4₪·↟、嘗試增加零件邊緣
    有時•·◕↟▩,由於列印托盤上的接觸點幾何形狀各異•·◕↟▩,零件仍然會因為邊緣不夠大或彎曲不足而產生翹曲╃↟◕☁◕。在這些特殊情況下•·◕↟▩,可能有必要設計額外的邊緣加以處理╃↟◕☁◕。在這些情況下建議的做法是在零件的所有角落新增薄而圓的“圓點”•·◕↟▩,以便在容易發生翹曲的關鍵點位提供更多與列印托盤的表面區域接觸╃↟◕☁◕。

(有時候•·◕↟▩,設計額外的零件邊緣對於減少3D列印零件形變是非常有必要的)

我自己設計的零件邊緣解決了與我們的預製邊緣的翹曲問題•·◕↟▩,並且後續列印更復雜的零件時可以派上用場◕◕▩:

(零件兩側的“點”在零件的邊緣處提供更多的接觸面積•·◕↟▩,並且可以輕鬆去除)

5₪·↟、將複合纖維新增到您的零件
    Mark Two的獨特功能之一就是它能夠在零件內部鋪設纖維•·◕↟▩,以製造出更堅固的3D列印零件╃↟◕☁◕。由於Markforged 3D印表機具有複合材料功能•·◕↟▩,為了減少零件的翹曲•·◕↟▩,可以將纖維新增到零件底層的位置以增加其剛度╃↟◕☁◕。

 (Eiger軟體中的彎曲測試零件•·◕↟▩,頂部和底部均鋪設有纖維)

這實質上迫使零件底層變平•·◕↟▩,使它們幾乎不可能翹曲╃↟◕☁◕。請記住透過在零件的頂部和底部建立纖維來平衡複合材料的應力•·◕↟▩,以最佳化扭轉強度╃↟◕☁◕。正如您所看到的•·◕↟▩,由於沒有對原始零件進行設計更改•·◕↟▩,測試列印樣件是否保持平整◕◕▩:

(由於增加的剛度•·◕↟▩,新增纖維將使得列印層保持平整不翹曲)

額外提示◕◕▩:利用Onyx進行列印
    正如上文技巧5所述•·◕↟▩,使用我們的連續纖維製造(CFF)方法可以從材料的角度解決最小化翹曲問題╃↟◕☁◕。當解決這個問題時•·◕↟▩,我們的其他一些材料也會派上用場╃↟◕☁◕。Onyx是我們的微碳增強型細絲•·◕↟▩,在受熱時幾乎不會變形╃↟◕☁◕。這意味著它比我們的標準性尼龍翹曲少得多•·◕↟▩,並且創造出更多效能穩定的零件╃↟◕☁◕。在沒有纖維增強的情況下•·◕↟▩,Onyx長絲保持較高的穩定性◕◕▩:

(Onyx是一種效能更穩定的材料•·◕↟▩,其良好的熱力效能意味著零件翹曲會少得多)

億達四方公司背景◕◕▩:

北京億達四方資訊科技有限公司作為美國Stratasys公司授權經銷商•·◕↟▩,為北京賓士提供Stratasys F123系列3D印表機的選型和技術服務•·◕↟▩,為了給廣大客戶提供更加專業和完善的3D列印解決方案•·◕↟▩,億達四方公司成立了子公司――華融普瑞(北京)科技有限公司作為各個行業最專業3D列印裝置及材料定製研發供應商•·◕↟▩,歡迎客戶諮詢洽談◕◕▩: www.3dpways.com  Tel◕◕▩:400-707-5008

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