Az FDM-nyomat nem minden irányban ugyanolyan erős. Ugyanaz az alkatrész, ugyanabból a filamentből, ugyanazzal a falvastagsággal lehet egyik helyzetben meglepően terhelhető, 90 fokkal elforgatva pedig kézzel eltörhető.
Nem a filament változott meg.
Nem a slicer romlott el.
A terhelés iránya változott meg a rétegekhez képest.
És funkcionális 3D nyomtatásnál ez az egyik legfontosabb dolog, amit meg kell érteni.
Mert hiába választasz PETG-t PLA helyett, PA-CF-et PETG helyett vagy éppen valamilyen drága műszaki kompozitot, ha az alkatrészt úgy fordítod el, hogy a terhelés pont a rétegeket akarja széthúzni egymástól.
Ilyenkor sikerült drágább filamentből elkészíteni ugyanazt a rossz konstrukciót.
Az FDM-alkatrész nem egy tömör műanyagdarab
Ez az egész kérdés innen indul.
Egy fröccsöntött alkatrészt leegyszerűsítve egyetlen összefüggő anyagtömbként kezelhetünk.
Egy FDM-nyomat viszont egymás mellé és egymásra rakott extrudált vonalakból épül fel.
Van tehát:
- szilárdság az egyes extrudált szálak hosszában;
- tapadás az egymás melletti vonalak között;
- és tapadás az egymásra kerülő rétegek között.
Ez a három nem feltétlenül azonos erősségű.
Vagyis az alkatrész anizotrop.
Magyarul:
más irányban másképp viseli a terhelést.
X, Y és Z irány – itt kezd érthetővé válni minden
A tárgyasztallal párhuzamos irányokat általában X és Y iránynak tekintjük.
A függőleges irány a Z.
Az X–Y síkban az extrudált műanyagvonalak végigfuthatnak a terhelt alkatrész hosszában.
Z irányban viszont a terhelés sokszor az egymásra rakott rétegek közötti kötést veszi igénybe.
Ez hatalmas különbség.
Gondolj rá úgy, mint egy pakli kártyára
Egy pakli kártyát hosszában meglepően nehéz összenyomni vagy meghajlítani.
De a lapokat nagyon könnyű széthúzni egymástól.
Az FDM-nyomat nem pontosan így működik, de szemléltetésnek kiváló.
A rétegek össze vannak olvadva.
Csak ez a kapcsolat gyakran gyengébb, mint maga az egybefüggő extrudált szál.
Vagyis:
nem mindig az anyag törik el. Néha az anyagok közötti kapcsolat.
Miért gyengébb gyakran a Z irány?
Amikor a fúvóka lerakja az új réteget, a forró műanyag az előző réteghez nyomódik.
Ahhoz, hogy erős kötés alakuljon ki, az anyagoknak megfelelően össze kell olvadniuk.
Ehhez számít:
- a nozzle hőmérséklete;
- az előző réteg hőmérséklete;
- a hűtés;
- a nyomtatási sebesség;
- az anyagáram;
- a rétegmagasság;
- a filament állapota;
- és maga az alapanyag.
Ha az új réteg túl hideg felületre kerül, rosszabb lehet a kötés.
Ha túl nagy a ventilátor, ugyanez történhet.
Ha túl gyorsan nyomtatsz, az anyag nem feltétlenül melegszik át megfelelően.
Ha nedves a filament, tovább romolhat a helyzet.
Vagyis a Z irányú szilárdság nem csak geometriai kérdés.
Nyomtatási folyamat kérdése is.
Egy álló kampó és egy fekvő kampó nem ugyanaz az alkatrész
Képzelj el egy L alakú kampót.
Az egyik esetben fektetve nyomtatod, úgy, hogy a kampó teljes hossza a tárgyasztallal párhuzamos.
A másikban állítva.
Kívülről ugyanaz a geometria.
Ugyanaz a filament.
Ugyanaz a falvastagság.
Terheléskor viszont teljesen más szerkezet dolgozik.
Fektetve a hosszú peremvonalak végigfuthatnak a terhelés irányában.
Állítva viszont a hajlítóerő könnyen elkezdi egymástól „lehámozni” a rétegeket.
Az egyik deformálódik.
A másik egyszer csak:
katt.
És kész.
A hajlítás különösen veszélyes
Hajlításkor az alkatrész egyik oldala nyomást, a másik oldala húzást kap.
A húzott oldalon alakul ki az egyik legkritikusabb terhelés.
Ha ezen az oldalon a réteghatárok merőlegesek a húzóerőre, könnyen megindulhat a rétegek szétválása.
Ezért egy konzolnál, karos elemnél, horognál vagy fülnél mindig ezt kérdezd:
merre akarja széthúzni a terhelés az alkatrészt?
És utána:
ehhez képest hogyan futnak majd a rétegek?
A csavarfurat különösen jó törésindító
Funkcionális nyomatoknál a csavarfurat az egyik leggyakoribb kritikus pont.
Miért?
Mert ott:
- kevesebb anyag marad;
- koncentrálódik a feszültség;
- a csavar előfeszíti az alkatrészt;
- és a terhelés sokszor pont kifelé próbálja feszíteni a furat környezetét.
Ha a furat mellett ráadásul a rétegek könnyen széthúzhatók, megkapod a tökéletes repedésindító pontot.
A csavar meghúzása után még minden szép.
Aztán két nap múlva megjelenik egy hajszálrepedés.
Majd még egy.
Végül:
„pedig nem is húztam meg erősen.”
A lekerekítés többet érhet, mint még 20% infill
Egy éles belső sarok koncentrálja a feszültséget.
Egy megfelelő rádiusz jobban szétosztja.
Ez egyszerű geometria.
Mégis rengeteg 3D nyomtatott alkatrész úgy néz ki, mintha minden sarkát vonalzóval tervezték volna.
Majd amikor eltörik:
„Biztos gyenge a filament.”
Nem feltétlenül.
Lehet, hogy a filament pontosan azt tette, amit a geometria kért tőle.
Egy jól elhelyezett 3–5 mm-es rádiusz bizonyos esetekben többet javíthat a használhatóságon, mint az infill jelentős növelése.
A falak sokszor fontosabbak, mint az infill
Ha egy funkcionális alkatrész nem elég erős, sokan reflexből ezt teszik:
20% infill → 50% infill.
Vagy:
50% → 100%.
Aztán várják a csodát.
Csakhogy sok alkatrésznél a terhelés jelentős részét a külső falak viselik.
Hajlításnál különösen fontos a külső keresztmetszet.
Ezért gyakran többet ér:
- 2 fal helyett 4–6 fal;
- nagyobb falvastagság;
- vastagabb kritikus rész;
- jobb keresztmetszet;
- és megfelelő orientáció.
Mint egyszerűen feltolni az infillt 100%-ra.
A 100% infill nem javítja meg a rosszul tájolt alkatrészt.
A 100% infill nem jelent tömör fröccsöntött darabot
Ez egy másik gyakori félreértés.
A 100%-os infill továbbra is FDM-nyomat.
Továbbra is vannak:
- extrudált vonalak;
- réteghatárok;
- illesztések;
- esetleges mikrorések;
- és anizotrop tulajdonságok.
Vagyis:
100% infill ≠ homogén műanyag tömb.
Sokkal több anyagod lesz.
Sokkal hosszabb nyomtatási időd lesz.
De az alapvető rétegszerkezet nem tűnik el.
A nagyobb rétegmagasság erősebb?
Erre nincs minden helyzetre egyetlen igen vagy nem válasz.
A rétegmagasság hat a:
- rétegek számára;
- rétegek közötti érintkezésre;
- hőátadásra;
- nyomtatási időre;
- és a kész szerkezetre.
Nagyobb rétegmagasságnál kevesebb réteghatár lesz azonos magasságon belül.
Viszont ha túl nagy rétegmagasságot használsz a nozzle méretéhez képest, az extrudált vonalak nem lapulnak össze megfelelően.
Az eredmény lehet rosszabb kötés.
Vagyis:
nem a lehető legvastagabb réteg a cél, hanem a stabilan jól összeolvadó réteg.
A magasabb hőmérséklet gyakran javítja a rétegtapadást – egy pontig
Ha az anyag melegebben érkezik, általában több idő és energia áll rendelkezésre ahhoz, hogy az új réteg összeolvadjon az előzővel.
Ezért funkcionális alkatrésznél nem feltétlenül ugyanaz a hőmérséklet lesz optimális, mint egy látványos figuránál.
A figura célja:
- szép felület;
- éles részletek;
- kevés szálazás.
A szerkezeti alkatrészé:
- jó rétegtapadás;
- megbízható anyagáram;
- és stabil mechanikai viselkedés.
A kettő átfedhet.
De nem mindig.
Túl magas hőmérsékleten viszont jöhet:
- anyagromlás;
- túlzott folyás;
- rossz méretpontosság;
- rossz áthidalás;
- és gyengébb felület.
Tehát nem az a tanulság, hogy „nyomtasd forróbban”.
Hanem az:
a hőmérsékletet a mechanikai feladathoz is kalibráld.
A ventilátor nem mindig a barátod
PLA-nál megszoktuk:
jó hűtés = szép nyomat.
Funkcionális alkatrésznél ez nem mindig ilyen egyszerű.
A túl erős hűtés gyorsan lehűti az előző réteget.
Az új anyag hidegebb felülethez érkezik.
Kevesebb idő marad az összeolvadásra.
Ez különösen fontos lehet:
- PETG-nél;
- ABS-nél;
- ASA-nál;
- PA-nál;
- PC-nél;
- és több műszaki filamentnél.
Vagyis:
a ventilátor nem erősségszabályzó, amit automatikusan 100%-ra kell tekerni.
A nyitott vagy zárt nyomtatótér is beleszól a szilárdságba
PLA-nál ez kevésbé látványos.
ABS, ASA, nylon vagy PC esetén viszont már nagyon nem mindegy.
Ha a nyomat felső része gyorsan hűl, miközben az alsó még meleg:
- belső feszültségek keletkeznek;
- vetemedhet a tárgy;
- romolhat a rétegtapadás;
- és akár látható delamináció is kialakulhat.
A zárt vagy fűtött kamra ezért nem csak arra jó, hogy ne húzza fel a sarkát a modell.
A teljes alkatrész hőmérsékleti történetét stabilabbá teszi.
A nedves filament mechanikai probléma is
A nedves filamentről általában ez jut eszünkbe:
- pattogás;
- szálazás;
- csúnya felület.
Pedig funkcionális alkatrésznél ennél sokkal fontosabb következménye lehet:
romolhat a rétegek közötti kapcsolat.
Nedvesség hatására az extrudálás egyenetlenné válhat, mikrobuborékok alakulhatnak ki, ingadozhat az anyagáram.
A felszín akár elfogadható is lehet.
A belső kötés már kevésbé.
Különösen:
- nylon;
- TPU;
- PC;
- PETG
esetén érdemes ezt komolyan venni.
Egy terhelt alkatrészhez használt filamentnél a szárítás nem esztétikai előkészítés.
Mechanikai előkészítés.
A CF nem oldja meg a rétegirány problémáját
Ez külön blokkot érdemel.
Mert könnyű azt gondolni:
„Karbonszálas filamentből nyomtatom, tehát erős lesz.”
A rövid karbonszálak jellemzően az extrudálás irányába rendeződnek.
Ez növelheti:
- az X–Y irányú merevséget;
- a méretstabilitást;
- és bizonyos irányú mechanikai tulajdonságokat.
Viszont a rétegek közötti tapadás ettől nem automatikusan lesz jobb.
Sőt, egyes kompozitok kevésbé szívósak vagy gyengébbek lehetnek bizonyos rétegirányú terheléseknél.
Vagyis:
a PA-CF-ből rosszul orientált alkatrész továbbra is rosszul orientált alkatrész.
Csak mattabb.
És drágább.
A PLA sem feltétlenül gyenge
A PLA-ra gyakran úgy tekintünk, mint egyszerű dekorációs anyagra.
Pedig megfelelő geometriával és orientációval meglepően merev és erős alkatrész készülhet belőle.
A problémája inkább:
- a ridegebb törés;
- az alacsonyabb hőállóság;
- a kúszás;
- és az ütéses terhelés.
Ha viszont beltéri, merev, statikusan terhelt alkatrészt készítesz, egy jól megtervezett PLA-nyomat sokszor teljesen megfelelő.
És fordítva:
egy rosszul tájolt PA-nyomat sem lesz automatikusan jó.
Hogyan fordítsd el a modellt nyomtatás előtt?
Én ezt a sorrendet követném.
1. Jelöld meg a legnagyobb terhelést
Merre húzzák?
Merre nyomják?
Hol hajlik?
Hol csavarodik?
2. Keresd meg a várható törésvonalat
Hol a legvékonyabb?
Hol van éles sarok?
Hol van furat?
Hol változik hirtelen a keresztmetszet?
3. Nézd meg, hogyan futnának ott a rétegek
Ha a várható repedés könnyen egy réteghatáron végig tud futni, gyanakodj.
4. Forgasd el úgy, hogy a peremvonalak dolgozzanak
Ha lehet, a fő terhelés irányában hosszú, folyamatos extrudált vonalak vigyék az erőt.
5. Csak ezután nézd meg a supportot
Ez fontos sorrend.
Sokan először azt kérdezik:
„Melyik irányban kell a legkevesebb support?”
Funkcionális alkatrésznél én előbb ezt kérdezném:
„Melyik irányban nem törik el?”
A support tíz gramm műanyag.
A rossz orientáció lehet egy teljes újranyomtatás.
A legkevesebb support nem mindig a legjobb orientáció
Ez talán az egyik leggyakoribb slicerhibánk.
Automatikusan lefektetjük a legnagyobb sík felületre.
Mert:
- szép lesz az első réteg;
- nem kell support;
- gyorsabb lesz;
- és kevesebb filament fogy.
Majd a kész alkatrész rossz irányban kap terhelést.
A gyártástechnológia kényelme nem írhatja felül a funkciót.
A modell geometriájával is irányíthatod a terhelést
Nem mindig elég egyszerűen elforgatni a modellt.
Néha magát a geometriát kell módosítani.
Használhatsz:
- bordákat;
- nagyobb rádiuszokat;
- vastagabb füleket;
- kúpos átmeneteket;
- nagyobb keresztmetszetet;
- fém perselyt;
- menetes betétet;
- csavaros megerősítést.
A cél az, hogy a terhelés ne egyetlen gyenge réteghatáron koncentrálódjon.
Hanem minél nagyobb anyagmennyiségen oszoljon el.
Néha két darabban erősebb, mint egyben
Ez elsőre visszalépésnek tűnik.
Miért vágnánk ketté egy olyan tárgyat, amely ráfér a gépre?
Azért, mert két alkatrészt külön-külön optimális orientációban lehet kinyomtatni.
Majd:
- csavarozni;
- ragasztani;
- csapolni;
- menetes betéttel;
- vagy mechanikus kötésekkel
összekapcsolni.
Ez egy komplex alkatrésznél sokkal erősebb konstrukciót eredményezhet, mint az egy darabban, rossz orientációban nyomtatott változat.
Az „egy darabban nyomtatható” nem ugyanaz, mint az „egy darabban kell nyomtatni”.
Hogyan teszteld a rétegirány hatását?
Nem kell az egész alkatrészt ötször kinyomtatni.
Készíts egyszerű próbatestet.
Például:
- egy kis L konzolt;
- hajlító rudat;
- furatos fület;
- bepattanó kart;
- vagy a kész modell kritikus részének kivágását.
Nyomtasd ki:
- fektetve;
- állítva;
- és ha értelmes, 45°-ban.
Utána terheld őket ugyanúgy.
Nem kell laboratórium.
Már egy egyszerű kézi hajlítás is látványosan megmutathatja a különbséget.
Ha pontosabb eredményt szeretnél:
- használj azonos G-code paramétereket;
- azonos filamentet;
- azonos szárítási állapotot;
- azonos hőmérsékletet;
- azonos fal- és infillbeállítást.
Csak az orientáció változzon.
Így valóban azt teszteled, amit gondolsz.
Mire figyelj terhelt alkatrész tervezésénél?
| Probléma | Mit érdemes tenni? |
|---|---|
| Rétegeket széthúzó terhelés | Forgasd el a modellt, hogy a terhelést hosszú peremvonalak vigyék |
| Éles belső sarok | Adj hozzá rádiuszt |
| Csavarfurat mellett reped | Növeld a környező anyagot, használj alátétet vagy betétet |
| Túl hajlékony | Növeld a keresztmetszetet vagy a falak számát |
| Rétegek szétválnak | Ellenőrizd a hőmérsékletet, hűtést, kamrát és filamentnedvességet |
| 100% infill mellett is törik | Ne az infillt növeld tovább – vizsgáld meg az orientációt és a geometriát |
| CF alkatrész ridegen törik | Ellenőrizd, valóban merevségre vagy inkább szívósságra van-e szükséged |
| Nincs jó orientáció egy darabban | Oszd több részre, és külön-külön optimálisan nyomtasd |
Mi számít jobban: filament vagy rétegirány?
Mindkettő.
De sokkal könnyebb rossz anyagválasztással elfedni a rossz geometriát, mint megoldani.
Vegyünk egy egyszerű konzolt.
Az első verzió:
- PLA;
- jó orientáció;
- 5 fal;
- lekerekített belső sarok.
A második:
- PA-CF;
- rossz orientáció;
- 2 fal;
- éles sarok.
Melyik lesz jobb?
Nem merek csak az anyagnév alapján fogadni.
És ez a lényeg.
A filament csak egy eleme a szerkezetnek.
Nem a Benchyt kell terhelésre optimalizálni
A 3D nyomtatásban könnyű beleszeretni a látványos tesztmodellekbe.
Szép overhang.
Tökéletes híd.
Gyönyörű felirat.
Csak ezek nem feltétlenül mondják meg, hogy a falra csavarozott konzol három hónap múlva is megtartja-e a terhelést.
Funkcionális alkatrésznél inkább teszteld:
- a valódi csavarozást;
- a tényleges hajlítást;
- az ismételt terhelést;
- a hőmérsékletet;
- a hosszú idejű terhelést;
- és a kritikus rétegirányt.
A szép kalibrációs modell esztétikai bizonyíték. Nem szerkezeti tanúsítvány.
Rétegirány és szilárdság – hogyan döntenék?
Nyomtatás előtt végigmennék ezen az öt kérdésen:
- Hol kapja a legnagyobb terhelést az alkatrész?
- Merre akar majd eltörni vagy szétnyílni?
- Ehhez képest merre futnak a rétegek?
- El tudom forgatni úgy, hogy a peremek vigyék a terhelést?
- Ha nem, módosítanom kell a geometriát vagy több darabra bontanom?
És csak ezek után állítanám:
- az infillt;
- a falak számát;
- a filamentet;
- vagy a nozzle-t.
Összefoglalás
Az FDM-nyomat nem minden irányban ugyanolyan erős.
Ez nem hiba.
Ez a gyártási technológia következménye.
Az X–Y síkban futó extrudált vonalak és a Z irányú rétegek közötti kötés eltérően viselkedhet, ezért ugyanaz az alkatrész más orientációban teljesen más terhelést bírhat el.
Ha erősebb alkatrészt szeretnél:
- először a terhelés irányát keresd meg;
- utána válassz orientációt;
- használj megfelelő falvastagságot;
- kerüld az éles feszültséggyűjtő sarkokat;
- figyelj a rétegtapadásra;
- és csak utána kezdj drágább filamentet keresni.
Mert egy rosszul tájolt PA-CF alkatrész nem lesz jó csak attól, hogy karbon van benne.
És egy jól megtervezett PETG vagy akár PLA alkatrész sokszor többet bír, mint elsőre gondolnád.
A tanulság egy mondatban: funkcionális 3D nyomtatásnál ne csak azt tervezd meg, milyen alakú legyen az alkatrész – azt is tervezd meg, milyen irányban épüljön fel, mert a nyomtatási orientáció maga is a szerkezet része.