Diseño de estructuras suspendidas mediante impresión 3D: minimización de ángulos y materiales de soporte

Conceptos básicos y desafíos de las estructuras suspendidas

Las estructuras suspendidas se refieren a piezas que no están soportadas por materiales subyacentes durante el proceso de impresión 3D. Son una característica típica que distingue la fabricación aditiva de la fabricación sustractiva. El proceso FDM tiene capacidades de suspensión limitadas y generalmente requiere soporte adicional después de que el ángulo de inclinación supera los 45 grados. El proceso SLA/DLP tiene capacidades de suspensión aún más débiles y requiere soporte para casi cualquier área de proyección horizontal. El proceso SLM de metal también requiere una gran cantidad de estructuras de soporte para conducir el calor y controlar la deformación. El diseño inadecuado de estructuras suspendidas puede provocar fallas en la impresión, reducción de la calidad de la superficie y dificultad para retirar el soporte. Comprender el concepto de ángulo autoportante es la base para un diseño óptimo.

Estándares de ángulos de autosoporte para diferentes procesos

El ángulo de autosoporte se refiere al ángulo de inclinación mínimo en el que una estructura suspendida se puede imprimir con éxito sin soporte adicional. El ángulo de autosoporte del proceso FDM suele ser de 45 grados, es decir, cuando el ángulo entre la superficie suspendida y la superficie horizontal no es inferior a 45 grados, se puede realizar la impresión sin soporte. Algunos equipos FDM de alta gama pueden aumentar el ángulo de autosoporte a 50-60 grados optimizando el control de enfriamiento y extrusión. El ángulo de autosoporte del proceso SLA/DLP es mayor, normalmente de 60 a 70 grados. El ángulo de autosoporte del proceso metálico SLS/SLM varía según las propiedades térmicas del material, normalmente en el rango de 30 a 45 grados. El estándar del ángulo autoportante debe determinarse de acuerdo con el proceso utilizado durante el diseño.

Estrategia de diseño para minimizar los materiales de soporte

Reducir el uso de materiales de soporte puede reducir el consumo de material, acortar el tiempo de impresión y simplificar los procedimientos de posprocesamiento. La primera es orientar la pieza de modo que el lado con el área suspendida más grande mire hacia la plataforma de impresión, o ajustar la superficie suspendida a un ángulo pronunciado. El segundo paso es agregar chaflanes y cambiar los bordes afilados suspendidos en biseles para que la inclinación alcance el estándar de autosoporte. El tercero es diseñar huecos y cambiar la estructura sólida suspendida por una estructura de marco para reducir el área horizontal que necesita ser soportada. El cuarto es la impresión segmentada, que divide piezas complejas en varias partes y las imprime por separado antes del ensamblaje. Cada parte se puede imprimir en la dirección óptima. El quinto es utilizar la estructura existente y utilizar las paredes y nervaduras de las propias piezas como soporte durante el diseño.

Habilidades de aplicación de soportes solubles

Para estructuras suspendidas donde no se puede evitar el soporte, el uso de materiales de soporte solubles es un método eficaz para reducir la dificultad del posprocesamiento. El equipo FDM de doble boquilla puede utilizar la boquilla auxiliar para imprimir soportes de PVA o HIPS mientras que la boquilla principal imprime materiales de piezas. Después de la impresión, la pieza se sumerge en agua (PVA) o solución de limoneno (HIPS) y la estructura de soporte se disuelve automáticamente. Al diseñar un soporte soluble se debe prestar atención al área de contacto entre el soporte y la pieza. Si el área de contacto es demasiado grande, dejará rastros y si el área de contacto es demasiado pequeña, el soporte será inestable. El ajuste de la densidad del soporte afecta la velocidad de eliminación y se recomienda establecerlo entre un 10 y un 20 %.

Inspección de calidad y mejora de estructuras suspendidas

Una vez completada la impresión, se requiere una inspección de calidad especial de las estructuras suspendidas. Primero verifique la flacidez de la superficie y mida la desviación entre la posición real de la superficie suspendida y la posición diseñada. El estándar de calificación suele ser inferior a 2 veces el espesor de la capa. En segundo lugar, compruebe la rugosidad de la superficie. La superficie superior de la superficie suspendida suele ser más rugosa que la superficie lateral. Es necesario evaluar si cumple con los requisitos de uso. En tercer lugar, compruebe el filo del borde. Es posible que haya esquinas redondeadas o rebabas en los bordes colgantes, que requieren posprocesamiento y recorte. Para estructuras suspendidas no calificadas, es necesario analizar los motivos y optimizar los parámetros de diseño o impresión. Las mejoras comunes incluyen ajustar la dirección de impresión, agregar soportes o reducir la velocidad de impresión.