В любой сфере производства большое значение имеет оптимизация технологических процессов. Индустрия массовой трёхмерной печати достаточно молода, но подчиняется тому же принципу.
Если оценивать 3D-печатные детали по трёхсторонней шкале — Качество, Время вывода на рынок и Стоимость за кубический сантиметр — то SLS-печать зачастую предстаёт более выгодным предложением по сравнению с традиционными технологиями производства (например, литьём под давлением). SLS-печать позволяет создавать чрезвычайно сложные и прочные функциональные детали с высоким качеством поверхности, которые не требуют сборки (3D-принтер может выращивать их целиком). Это даёт инженерам возможность проектировать и создавать объекты самой сложной геометрии, экономя при этом время и деньги. А наилучший результат обеспечивает использование многочисленных технологических приёмов и уловок, разработанных индустрией для оптимизации процесса 3D-печати.
Ключевые факторы, которые надо учитывать при оптимизации моделей, — это трение, достаточная прочность и возможность удаления излишнего порошка, который остаётся внутри напечатанной детали. Самый простой в обращении параметр — это именно удаление остаточного порошка. Для этого чаще всего в ненагруженных сторонах детали оставляют одно-два отверстия, через которые полимер можно выдуть сжатым воздухом. При этом следует помнить, что нейлоновый порошок является достаточно хорошим материалом-медиатором. То есть, его можно оставить в полости изделия в тех местах, где будет происходить трение (незначительное) с другими деталями. Для противодействия более сильному трению, которое генерирует заметное количество тепла, в конструкцию придётся добавить подшипники.
Другие инженерные приёмы, которые позволяют оптимизировать параметры готовых деталей.
«Слёзки». Если вам нужно внедрить точку соединения компонентов внутрь канала (например, в воздухозаборнике) — спроектируйте аэродинамичный узел в виде «слёзки», который не будет мешать потоку воздуха, но обеспечит достаточную прочность для крепления.
Полимерные подшипники. Как уже говорилось, нейлон является естественным фрикционным медиатором, а потому хорошо подходит для печати внутренних подшипников для деталей, которые не будут подвергаться длительным нагрузкам и трению. В случае продолжительных нагрузок, генерирующих много тепла, лучше предусмотреть в конструкции загрузочный порт для керамических подшипников. После загрузки такой порт можно будет запаять.
Сильфоны. SLS-печать хорошо подходит для создания гибких сочленений сильфонного типа. Но при этом следует учитывать технологические нюансы материалов. Так, нейлон достаточно плохо выдерживает многократные сгибания-разгибания, особенно с высокой амплитудой. Для печати сильфонов, предназначенных для таких нагрузок, лучше использовать порошки на базе полиэтилена. Другой нюанс — круглые сильфоны работают лучше всего, когда могут равномерно распределить точки приложения растягивающего усилия по всему диаметру поперечного сечения. Любое отклонение от круглой формы будет приводить к неравномерному накоплению напряжений. В данном случае лучше спроектировать конструкцию по принципу «сильфона Дирдорффа», который представляет собой серию перемежающихся прямоугольников. Однако имейте в виду — сочленение с таким профилем более чувствительно к концентрации напряжений в силу малого радиуса углов.
Слепые каналы. Слепые каналы представляют проблему для удаления остаточного порошка. Решение лежит на поверхности — сделайте так, чтобы они перестали быть слепыми. Добавьте небольшое отверстие диаметром более 2 мм у основания, через которое можно будет выдуть лишний полимер.
Кнопки. Существует множество подходов к проектированию встроенных кнопок. Однако есть несколько общих нюансов, которые следует учесть вне зависимости от выбранного дизайна. Во-первых, оставьте зазор не менее 0,3 мм между кнопкой и отверстием, в котором она будет двигаться, чтобы избежать случайного спекания. Во-вторых, ещё на этапе CAD-проектирования лучше предусмотреть финальное положение кнопки выше, чем планировалось изначально. Это вызвано тем, что нейлоновые «рессоры» интегрированных кнопок имеют тенденцию к быстрой (но абсолютно допустимой) деформации.
Клетки. Технология SLS отлично подходит для печати множества мелких и сложных деталей. Чтобы не потерять их во время распаковки и последующей обработки, рекомендуется создать для них тонкую защитную клетку. Прутья клетки должны быть толщиной около 1 мм, а промежутки между ними — примерно 5 мм.
Многозвенные цепи. Сложные формы цепей и их переплетений открывают широкий простор для творчества инженеров и дизайнеров. Вот несколько советов, которые помогут вам создать уникальную и функциональную кольчугу:
1. При проектировании цепи или её переплетения, например, для 3D-печатной кольчуги, установите толщину базового звена больше 0,75 мм. 2. Оставьте зазоры между звеньями больше 0,5 мм, чтобы обеспечить свободный поток воздуха. 3. Звенья кольчуги могут быть полигональными как в продольном, так и в поперечном сечении. Это значительно уменьшит размер STL-файла и ускорит процесс проектирования. 4. Само полотно кольчуги можно сложить в несколько слоёв в CAD-программе, чтобы уменьшить объём, занимаемый ею в камере выращивания.
Пружины. При проектировании 3D-печатных пружин крайне важно уделить особое внимание укреплению мест их крепления к другим деталям. Постарайтесь добавить как можно больше скрепляющего пластика в эти точки, учитывая особенности вашего дизайна. Как и в случае с рессорами (см. пункт «Кнопки»), окончательная форма, которую примет готовая пружина, станет понятна только после нескольких циклов растяжения и сжатия.
Каркасы усиления и рёбра жёсткости. Технология SLS-печати открывает двери к созданию высокооптимизированных изделий, отличающихся невероятной геометрией и сложной пространственной формой. Чтобы обеспечить поддержку и устойчивость таких конструкций, необходимо встроить усиливающие каркасы непосредственно в структуру деталей. В традиционных производственных методах создание подобных каркасов обходится дорого, но SLS-печать позволяет избежать любых дополнительных затрат, связанных с геометрической сложностью.
Герметизация соединений. Чтобы обеспечить надёжную герметизацию соединения, в модели следует предусмотреть радиальный канал с двумя портами — для ввода и вывода, как показано на рисунке.
После того как детали будут соединены, залейте в канал двухкомпонентную эпоксидную смолу и протяните её с помощью вакуумного насоса. Важно, чтобы насос работал только на втягивание, а не на выдувание, так как в противном случае смола может выбрать путь наименьшего сопротивления и не заполнить канал на 100%.
Если вы правильно загерметизируете соединение таким способом, его уже не удастся разобрать без разрушения деталей.
Интегрированные шарниры. SLS-печать и полимерный порошок — идеальное сочетание для создания осевых шарнирных соединений, состоящих из сферических элементов, которые свободно перемещаются во внутренних пазах. Такое соединение обеспечивает высокую точность, низкое трение и невероятную стабильность.
Однако, есть один важный момент, который необходимо учесть: между сферической частью шарнира и стенками паза следует оставить зазор в 0,2 мм, чтобы избежать случайного спекания. Также рекомендуется продлить канал паза и вывести его на торец детали для удаления излишков порошка.
Гибкие шарниры. Технология селективного лазерного спекания (SLS) не всегда подходит для изготовления гибких шарнирных соединений. Это связано с тем, что шарниры, предназначенные для литья под давлением, изначально разрабатываются с учетом особенностей этой технологии.
Нейлон, используемый в SLS, отличается от литых термопластов. В частности, он хуже переносит многократные деформации. Однако SLS может быть использована для печати шарниров, которые планируется сгибать только один раз, а затем держать в закрытом состоянии. В таком случае рекомендуется перед деформацией на 10 минут опустить весь узел в кипящую воду для прогрева нейлона.
Решётки. С точки зрения инженерии, решётчатые структуры представляют собой весьма привлекательное решение, так как они обеспечивают высокую прочность детали при одновременном снижении её массы. Кроме того, они обладают отличными свойствами поглощения энергии и могут быть использованы для создания эффективной термической или акустической изоляции.
Однако проектирование решётчатых конструкций — это сложный и трудоёмкий процесс. Чтобы упростить его, мы рекомендуем использовать макросы или обратиться к специализированному программному обеспечению, разработанному именно для этой цели.
В будущем мы ещё вернёмся к теме оптимизации 3D-печати по технологии SLS. На сегодня это всё, о чём мы хотели подробно поговорить. Если вам была полезна эта статья, пожалуйста, дайте нам знать об этом в комментариях.