Design della struttura sospesa con stampa 3D: riduzione al minimo degli angoli autoportanti e dei materiali di supporto

Concetti di base e sfide delle strutture sospese

Le strutture sospese si riferiscono a parti che non sono supportate dai materiali sottostanti durante il processo di stampa 3D. Sono una caratteristica tipica che distingue la produzione additiva da quella sottrattiva. Il processo FDM ha capacità di sospensione limitate e solitamente richiede supporto aggiuntivo dopo che l'angolo di inclinazione supera i 45 gradi. Il processo SLA/DLP ha capacità di sospensione ancora più deboli e richiede supporto per quasi tutte le aree di proiezione orizzontale. Il processo SLM metallico richiede inoltre un gran numero di strutture di supporto per condurre il calore e controllare la deformazione. Una progettazione impropria delle strutture sospese può portare a errori di stampa, ridotta qualità della superficie e difficoltà nella rimozione del supporto. Comprendere il concetto di angolo autoportante è la base per una progettazione ottimale.

Standard dell'angolo di autosupporto per diversi processi

L'angolo di autosupporto si riferisce all'angolo di inclinazione minimo al quale una struttura sospesa può essere stampata con successo senza supporto aggiuntivo. L'angolo autoportante del processo FDM è solitamente di 45 gradi, ovvero quando l'angolo tra la superficie sospesa e la superficie orizzontale non è inferiore a 45 gradi, è possibile eseguire la stampa senza supporto. Alcune apparecchiature FDM di fascia alta possono aumentare l'angolo di autosupporto fino a 50-60 gradi ottimizzando il raffreddamento e il controllo dell'estrusione. L'angolo autoportante del processo SLA/DLP è maggiore, solitamente 60-70 gradi. L'angolo autoportante del processo metallico SLS/SLM varia a seconda delle proprietà termiche del materiale, solitamente nell'intervallo 30-45 gradi. Lo standard dell'angolo autoportante deve essere determinato in base al processo utilizzato durante la progettazione.

Strategia di progettazione per ridurre al minimo i materiali di supporto

Ridurre l'uso dei materiali di supporto può ridurre il consumo di materiale, abbreviare i tempi di stampa e semplificare le procedure di post-elaborazione. Il primo è orientare la parte, in modo che il lato con la maggiore area sospesa sia rivolto verso la piattaforma di stampa, oppure regolare la superficie sospesa su un angolo ripido. Il secondo passo è aggiungere smussi e trasformare gli spigoli vivi sospesi in smussi per far sì che l'inclinazione raggiunga lo standard autoportante. Il terzo è progettare cavità e trasformare la solida struttura sospesa in una struttura a telaio per ridurre l'area orizzontale che deve essere supportata. La quarta è la stampa segmentata, che suddivide le parti complesse in più parti e le stampa separatamente prima dell'assemblaggio. Ogni parte può essere stampata nella direzione ottimale. Il quinto è quello di utilizzare la struttura esistente e utilizzare le pareti e le nervature delle parti stesse come supporti durante la progettazione.

Capacità di applicazione dei supporti solubili

Per le strutture sospese in cui il supporto non può essere evitato, l'uso di materiali di supporto solubili è un metodo efficace per ridurre la difficoltà della post-elaborazione. L'apparecchiatura FDM a doppio ugello può utilizzare l'ugello ausiliario per stampare supporti PVA o HIPS mentre l'ugello principale stampa i materiali delle parti. Dopo la stampa, la parte viene immersa in acqua (PVA) o in una soluzione di limonene (HIPS) e la struttura di supporto si dissolve automaticamente. Quando si progetta un supporto solubile, è necessario prestare attenzione all'area di contatto tra il supporto e la parte. Se l'area di contatto è troppo grande lascerà tracce, se l'area di contatto è troppo piccola il supporto sarà instabile. L'impostazione della densità del supporto influisce sulla velocità di rimozione e si consiglia di impostarla sul 10-20%.

Ispezione di qualità e miglioramento delle strutture sospese

Una volta completata la stampa, è richiesto un controllo di qualità speciale delle strutture sospese. Controllare innanzitutto il cedimento della superficie e misurare la deviazione tra la posizione effettiva della superficie sospesa e la posizione progettata. Lo standard di qualificazione è solitamente inferiore a 2 volte lo spessore dello strato. In secondo luogo, controllare la rugosità della superficie. La superficie superiore della superficie sospesa è solitamente più ruvida della superficie laterale. È necessario valutare se soddisfa i requisiti di utilizzo. Terzo, controlla la nitidezza dei bordi. Potrebbero essere presenti angoli arrotondati o sbavature sui bordi pendenti, che richiedono post-elaborazione e rifinitura. Per le strutture sospese non qualificate è necessario analizzare le ragioni e ottimizzare i parametri di progettazione o stampa. I miglioramenti comuni includono la regolazione della direzione di stampa, l'aggiunta di supporti o la riduzione della velocità di stampa.