인쇄용 설계 파트 2:3D 인쇄된 부품이 휘는 이유와 이를 방지하는 방법

Designing for 3D Printing(DF3DP)은 3D 프린터를 사용할 때 따라야 할 3D 인쇄 팁과 요령에 관한 블로그 시리즈로 비용, 인쇄 시간 및 재료를 줄이는 동시에 부품을 얻는 방법을 보여줍니다. 원하는 방식으로 먼저 시도하십시오.

FFF 3D 프린터를 사용한 적이 있다면 크거나 길거나 이상한 모양의 부품에 대해 부품이 뒤틀리는 것을 경험했을 것입니다. 일반적으로 이는 다시 평평하게 만들기 위해 일부 후처리를 수행해야 하거나 평평하게 인쇄될 것이라고 가정한 고르지 않은 바닥 표면 처리를 수락해야 함을 의미합니다.

3D 인쇄된 부품 뒤틀림은 해결하기 까다로운 문제입니다. 3D 프린터가 안정적이라고 해서 이 문제가 없는 것은 아닙니다. 3D 프린팅된 부품은 열 변형으로 인해 뒤틀립니다. 플라스틱은 가열되면 팽창합니다. 식으면 수축합니다. FFF 3D 인쇄에는 거의 항상 열가소성 수지가 포함되기 때문에 거의 모든 FFF 3D 프린터에서 이러한 현상이 발생합니다. 프린터 측에서 뒤틀림을 수정하는 두 가지가 있습니다. 가열된 빌드 플레이트 또는 가열된 인클로저입니다. 이 두 솔루션은 부품의 온도를 유지하므로 냉각되지 않으므로 뒤틀림이 없습니다. 단순한! 다른 3D 프린터에는 열을 유지하는 인클로저 및/또는 일반적으로 뒤틀림을 줄이는 데 도움이 되는 빌드 플레이트(우리와 같은)에 적용할 접착제가 있습니다. 또한 부품을 제거하기 전에 실온으로 냉각시키면 부품이 냉각되면서 빌드 플레이트에 부착되기 때문에 뒤틀림을 줄일 수 있습니다.

그러나 실제로는 시스템에 관한 것이 아니라 부품 설계에 관한 것입니다. "3D 프린터는 무엇이든 인쇄할 수 있다"는 개념은 사실이 아닙니다(이에 대한 자세한 내용은 향후 블로그 게시물에서!). 3D 프린터에는 종종 다른 제조 방법만큼 많은 제한 사항과 설계 지침이 있기 때문입니다. 예를 들어, FFF 3D 프린터가 생성할 수 있는 가장 작은 기능 크기는 노즐 직경과 갠트리 정확도에 따라 다릅니다. 어쨌든 FFF 3D 프린터의 재료 제한과 3D 인쇄에 최적화되지 않은 부품 설계로 인해 많은 부품이 휘게 됩니다.

저는 한쪽 모서리가 잘린 단순한 삼각형 프리즘을 설계했는데, 이는 뒤틀림이 발생하기 쉽습니다(이유는 곧 알게 될 것입니다). 다음은 Eiger의 3D 모델입니다.

다음은 제작판에서 떨어져 나온 부품 뒤틀림의 샷입니다. 뒤틀림을 보여주기 위해 테이블 ​​한쪽의 조각을 고정하고 다른 쪽의 처짐을 관찰했습니다.

이 5가지 팁은 3D 프린팅 설계 지침 역할을 하므로 설계 과정에서 3D 프린팅된 부품의 뒤틀림을 줄일 수 있습니다. 도움이 되기를 바랍니다!

1. 둥글고 자연스러운 모양을 염두에 두고 모서리를 필렛하고 디자인합니다.

3D 프린팅된 부품이 휘는 것은 부품 가장자리 주위에 형성된 열 모멘트 때문입니다. 이 열적 모멘트는 FFF 프린터가 필라멘트를 놓을 때 플라스틱이 반유동이 될 때까지 가열하고 압출된 후 냉각하기 때문에 발생합니다. 대부분의 재료는 냉각되면 수축하려고 합니다. FFF 3D 프린터의 경우 이는 재료의 각 "라인"이 길이 방향으로 수축되기를 원할 것임을 의미합니다. 일반적으로 이것은 빌드 플레이트와의 접착력을 깨기에 충분하지 않지만 이 힘은 더 많은 레이어가 추가되면서 부품이 휘게 만듭니다. 이것은 길이 방향 수축 때문에 이 포스트에서 사용하는 시험편과 같이 길고 얇은 부품에서 특히 일반적입니다.

축소하려는 선분에 더 많은 모서리가 추가되면 아래 다이어그램과 같이 해당 위치에 응력이 누적되어 모서리가 벗겨집니다.

날카로운 모서리는 응력 집중을 생성하므로 모서리는 뒤틀림을 유발하는 가장 일반적인 형상입니다. 이러한 모서리에 필렛을 추가하면 날카로운 모서리가 반올림되고 응력이 분산되기 때문에 응력 집중이 감소합니다. 일반적으로 제작판에 접촉할 때 모양이 더 둥근 단면을 만들면 뒤틀림이 줄어듭니다. 엔지니어가 부품을 설계할 때 일반적으로 모양이 직사각형이 됩니다. 그것은 일반적으로 가공하기 가장 쉬운 것입니다. 그러나 처음부터 더 둥글고 자연스러운 모양과 표면으로 디자인하면 응력 축적을 분산시키기 때문에 뒤틀림이 줄어듭니다. 아래에서 모서리에 필렛을 추가하여 테스트 조각을 편집했습니다.

이 간단한 변경으로도 가장자리의 필렛이 뒤틀림을 크게 줄였습니다.

필렛에 대한 또 다른 간단한 팁 - 부품의 하단 가장자리에 필렛을 추가하면 빌드 플레이트에서 더 쉽게 제거할 수 있습니다. 이렇게 하면 스크레이퍼가 잘 들어갈 수 있습니다!

2. 가장 큰 면이 아래쪽에 있는 부분을 인쇄합니다.

레이어가 서로 겹쳐지면서 이러한 힘이 증가합니다. 방금 내려놓은 레이어 위의 레이어가 약간 크면 수축하려는 소재가 더 많이 추가되어 힘이 더욱 증가합니다. 즉, 3D 인쇄에 가장 나쁜 모양은 위로 올라갈수록 더 큰 단면을 갖는 모양이고, 우리의 경사 테스트와 마찬가지로 길고 직선 세그먼트 후에 날카로운 모서리가 있는 모양입니다!

부품은 항상 맨 아래 레이어에서만 휘어지는 것은 아닙니다. 이러한 지오메트리 조건이 존재하는 모든 곳에서 휘어짐이 발생할 수 있습니다. 아래의 얇은 각진 오버행에서 볼 수 있듯이 종종 길고 돌출된 오버행은 지지를 받더라도 같은 이유로 말려 올라갑니다.

따라서 부품을 3D 프린팅할 때는 적층된 레이어 위에서 단면이 커질수록 부품이 휘어지는 경향이 있기 때문에 가장 큰 면을 바닥에 가져오는 것이 중요합니다. 또한 빌드 플레이트와 접촉하는 표면적이 많을수록 더 좋은데, 더 큰 표면적이 더 잘 유지되기 때문입니다. 아래 표시된 방향으로 잘린 프리즘을 거꾸로 인쇄했습니다.

예상대로 뒤틀림이 없습니다.

이것은 간단한 예이고 이와 같은 부품을 사용하면 가장 큰 면을 아래로 하여 인쇄해야 하는 것이 분명할 수 있지만 일부 시나리오에서는 명확하지 않으므로 부품을 설계할 때 빌드 방향을 고려하는 것을 잊지 마십시오.

3. 테두리 추가

"브림" 도구를 사용하여 부품에 테두리를 추가할 수 있습니다. 이 도구는 기본적으로 부품을 둘러싼 제작판에 추가 접촉 영역을 추가합니다.

이렇게 하면 두 가지 이유로 뒤틀림이나 말림이 줄어듭니다. 첫째, 부품에 "확장된" 바닥 표면이 있어 제작판과의 접촉이 평소보다 더 큽니다. 둘째, 발생하는 모든 뒤틀림은 가장자리로 옮겨지며 최악의 상황이 발생합니다. 테두리는 추가로 지지 구조가 부착될 수 있는 더 나은 표면을 제공합니다. 우리의 지지 구조는 길고 가는 선으로 위에서 설명했듯이 정말 수축하고 싶어합니다. 부품 아래에 많은 지지 재료가 있는 경우 테두리가 지지 구조가 잘 붙을 수 있는 표면을 제공합니다. 지지대는 가장자리(빌드 플레이트에 달라붙는 평평하고 넓은 면적의 표면)에 달라붙기 때문에 많이 말리지 않습니다. 아래는 챙이 있는 부품의 테스트입니다.

4. 나만의 테두리 만들기

때때로 이상한 빌드 플레이트 접촉점 형상으로 인해 테두리가 충분히 크지 않거나 충분히 구부러지지 않았기 때문에 부품이 여전히 휘게 됩니다. 이러한 독특한 경우에는 자신의 테두리를 CAD해야 할 수도 있습니다. 이러한 시나리오에서 제안하는 것은 부품의 모든 모서리에 얇고 둥근 "점"을 추가하는 것입니다. 이렇게 하면 뒤틀림이 발생하는 주요 지점에서 제작판과 더 많은 표면적 접촉을 제공할 수 있습니다.

내가 직접 디자인한 테두리는 조립식 테두리와 마찬가지로 뒤틀림을 제거하고 더 복잡한 부품에 유용할 수 있습니다.

5. 부품에 복합 섬유 추가

Mark Two의 고유한 기능 중 하나는 구성 요소 내부에 섬유를 배치하여 더 단단하고 강력한 3D 인쇄 부품을 만드는 기능입니다. Markforged 3D 프린터의 복합 재료 기능으로 인해 부품의 뒤틀림을 줄이기 위해 맨 아래 몇 층에 섬유를 추가하여 강성을 높일 수 있습니다.

이것은 본질적으로 바닥 레이어를 평평하게 만들어 휘어지는 것을 거의 불가능하게 만듭니다. 그러나 이 작업을 수행하는 경우 이 블로그 게시물에 설명된 대로 비틀림 강도를 최적화하기 위해 부품의 상단과 하단 표면에 섬유 샌드위치를 ​​만들어 복합 재료의 균형을 유지해야 합니다. 보시다시피, 원래 부품에 대한 디자인 변경 없이 테스트 날실 조각은 평평하게 유지됩니다.

추가 팁:Onyx로 인쇄하세요!

팁 #5에서 설명한 것처럼 뒤틀림을 최소화하는 것은 CFF(Continuous Fiber Fabrication) 방법을 사용하여 재료 관점에서 해결할 수 있습니다. 그러나 우리의 다른 자료 중 일부는 이 문제를 해결할 때도 유용합니다. 마이크로 카본 강화 필라멘트인 오닉스는 열에 거의 변형되지 않습니다. 이것은 표준 나일론보다 훨씬 덜 휘고 치수적으로 훨씬 더 안정적인 부품을 생성한다는 것을 의미합니다. 여기에서 오닉스의 치수 안정성에 대해 자세히 알아볼 수 있습니다. 강화 섬유가 없어도 오닉스 필라멘트는 안정적으로 유지됩니다.

이 게시물이 3D 프린팅된 부품이 휘는 이유와 디자인을 개선하여 휘어짐을 제거하는 방법을 이해하는 데 도움이 되었기를 바랍니다! 3D 인쇄 부품의 뒤틀림을 줄이기 위한 자체 실험을 시도하고 싶다면 stl 파일과 mfp 파일로 직접 시도해 보십시오! 향후 블로그 게시물에 대한 질문, 제안 또는 아이디어가 있으면 [email protected]으로 알려주십시오.