Jak ušetřit na 3D tisku na zakázku? 5 chyb v CAD designu, které vám zbytečně prodražují výrobu

Jednou z největších výhod aditivní výroby je její nákladová efektivita při prototypování a malosériové výrobě. Přesto se často stává, že nám klienti pošlou 3D model, jehož nacenění je nemile překvapí. Důvodem není drahá technologie, ale fakt, že model byl navržen pro tradiční CNC obrábění nebo vstřikování plastů, a nikoliv pro 3D tisk na zakázku. Tomuto fenoménu se říká ignorování pravidel DfAM (Design for Additive Manufacturing).

Na rozdíl od obrábění, kde platíte za velikost původního bloku materiálu a čas strávený jeho odfrézováním, se cena u profesionálního 3D tisku odvíjí primárně od dvou jiných faktorů: spotřebovaného materiálu (včetně odpadu na podpůrné struktury) a strojového času (jak dlouho tiskárna pracuje). Pokud dokážete snížit tyto dvě metriky už ve fázi návrhu v CADu (SolidWorks, Inventor, Fusion 360), můžete snížit cenu finálního dílu i o více než 50 %.

Pojďme se podívat na 5 nejčastějších konstrukčních chyb, které denně vidíme u poptávek na průmyslovou aditivní výrobu, a ukážeme si, jak je snadno vyřešit.

Chyba č. 1: Zbytečně masivní stěny a 100% výplň (Over-engineering)

Když konstruktér navrhuje upínač z duralu, obvykle neřeší, zda je uvnitř plný. Prostě nakreslí kostku a z ní odebere to, co překáží. Pokud tento stejný "plný" model pošlete na 3D tiskárnu, tiskne se jako 100% plastový blok. To trvá desítky hodin a spotřebuje se obrovské množství drahého inženýrského filamentu.

Řešení: Využijte sílu perimetrů a inteligentní výplně (Infill)

V 3D tisku platí zlaté pravidlo: Pevnost dílu netvoří plný vnitřek, ale vnější obálka (stěny/perimetry).

• Místo 100% výplně používáme u profesionálního 3D tisku inteligentní 3D struktury (například Gyroid nebo Kubickou výplň), které díl zpevní ve všech třech osách, i když je vnitřek tvořen z 80 % vzduchem.
• Pokud potřebujete masivní pevnost, nezvyšujte hustotu výplně ze 20 % na 100 %. Mnohem efektivnější, rychlejší a levnější je přidat tloušťku vnější stěny (tzv. Perimeters/Shells). Zvýšení tloušťky stěny z 1.2 mm na 2.4 mm zvýší pevnost dílu násobně více než plný vnitřek.

Trik z praxe pro konstruktéry: Skořepiny a žebrování

Pokud potřebujete extrémně pevný díl, navrhněte jej už v CADu jako tenkostěnnou skořepinu (Shell) o tloušťce například 3 až 4 mm a vnitřek vyztužte topologicky optimalizovaným žebrováním, podobně jako u dílů pro vstřikolis. Tím snížíte spotřebu materiálu na minimum, tiskárna díl vyrobí za zlomek času a vy výrazně ušetříte na ceně výroby.

Chyba č. 2: Ignorování orientace a pravidlo 45 stupňů (Zbytečné podpěry)

Tiskárna nedokáže tisknout do prázdného vzduchu. Pokud váš model obsahuje převisy nebo struktury, které "visí v prostoru", musí pro ně náš software vygenerovat podpůrné struktury (Supports). Tyto podpěry mají hned tři negativní dopady na vaši peněženku:

1. Zvyšují spotřebu materiálu (podpěry se po tisku vyhodí).
2. Razantně prodlužují strojový čas.
3. Vyžadují manuální práci technika, který musí podpěry po tisku mechanicky nebo chemicky odstranit, což se promítá do ceny lidské práce.

Řešení: Pravidlo 45° a zkosení hran (Chamfers)

Klíčem k levnému 3D tisku na zakázku je navrhnout díl tak, aby se dokázal vytisknout ideálně bez jediné podpěry.

• Pravidlo Y-H-T: Písmeno "Y" se vytiskne bez problémů (úhel ramen je menší než 45 stupňů vůči vertikále). Písmeno "H" vyžaduje podpěru pod středovou příčkou (pokud je příliš dlouhá), ale tzv. bridging (přemostění) to mnohdy zvládne. Písmeno "T" je noční můra – obě ramena visí ve vzduchu a bez masivní podpory se zhroutí.
• Rádiusy vs. Zkosení: Konstruktéři milují zaoblené hrany (Fillets) na spodní straně dílů. Pro 3D tisk je to ale problém, protože spodek rádiusu tvoří extrémní převis. Nahraďte spodní rádiusy jednoduchým sražením (Chamfer) pod úhlem 45°. Tiskárna to zvládne čistě, bez podpor a za zlomek ceny.

Chyba č. 3: Tisk obrovských dutých objemů v jednom kuse

Dostali jsme poptávku na výrobu krytu pro průmyslový stroj. Rozměry byly 350 x 350 x 300 mm. Tvarově to byla v podstatě prázdná krabice s tenkými stěnami. Zákazník požadoval tisk v jednom kuse.

Tisk tohoto dílu vcelku znamená, že tisková hlava musí neustále přejíždět obrovské prázdné vzdálenosti. Strojový čas se počítal na 3 dny. Navíc u takto velkých dílů z technických plastů roste riziko teplotní deformace.

Řešení: Modulární design (Rozříznutí a montáž)

Rozdělili jsme tento velký kryt v CADu na 4 ploché desky, které se do sebe zasouvaly pomocí chytrých rybinových spojů (Dovetail joints) a fixovaly šrouby.

Výsledek? Všechny 4 díly jsme poskládali naplocho vedle sebe do jedné naší velkoformátové tiskárny. Tisk byl hotový za 14 hodin namísto 72 hodin. Zákazník ušetřil 65 % původně odhadované ceny a získal díl, který byl díky naplocho orientovaným stěnám mechanicky mnohem odolnější.

Chyba č. 4: Tisk malých závitů a přesných děr (Tolerance)

Další častou chybou je snaha nechat tiskárnu udělat úplně všechno. Konstruktér do CADu namodeluje přesné díry pro ložiska (tolerance H7) a vnitřní závity M3 pro šroubky. Aby tiskárna dokázala vykreslit jemný závit M3, musíme použít extrémně tenkou vrstvu (např. 0.08 mm). Tisk celého, i jinak velkého a jednoduchého dílu, se tím zpomalí klidně o 300 %.

Řešení: Post-processing a zálitsky (Heat-Set Inserts)

Při profesionální výrobě kombinujeme aditivní technologie s tradičními strojařskými postupy:

• Nekreslete závity: Do modelu udělejte jen rovnou díru. Závit buď po tisku ručně vyřízneme závitníkem, nebo (což doporučujeme a děláme nejčastěji) do plastu za tepla zalisujeme mosaznou závitovou vložku. Spoj je násobně pevnější a tiskárna se nemusí zdržovat s mikro-pohyby.
• Přesné díry podměřte: Pokud potřebujete usadit hřídel bez vůle, namodelujte díru o 0.5 mm menší a my ji po vytištění přesně zkalibrujeme výstružníkem. Získáte strojírenskou přesnost za minimální náklady.

Chyba č. 5: Požadavek na nesmyslně vysoké rozlišení (Výška vrstvy)

Často se v poptávce setkáváme s požadavkem: "Prosím maximální kvalitu, vrstva 0.1 mm." Pokud jde o designový kryt na výstavu nebo formu pro lití, je to v pořádku. Pokud ale poptáváte sériovou výrobu montážních přípravků na linku, je to doslova pálení peněz.

Výška vrstvy a čas tisku mají přímou úměru. Pokud tiskneme díl s vrstvou 0.2 mm a vy požádáte o vrstvu 0.1 mm, strojový čas se zdvojnásobí. A s ním adekvátně i cena. U dílenského přípravku, u kterého jde primárně o funkci a pevnost, přitom estetický rozdíl mezi těmito vrstvami sotva poznáte.

Nechte to na nás. Při zadávání poptávky nám pouze sdělte, jaký je účel dílu. Naši technologové zvolí ideální poměr mezi rychlostí (cenou) a kvalitou povrchu. Pro průmyslové aplikace běžně tiskneme technickými tryskami (0.6 mm) s výškou vrstvy 0.24 mm až 0.28 mm. Díly jsou masivnější, pevnější, vrstvy se lépe provaří a cena klesne na minimum.

Případová studie z praxe: Robotické chapadlo

Pojďme si teorii ukázat na číslech. Klient nám poslal CAD data koncového nástroje (EOAT) pro robotické rameno s žádostí o nacenění. Původní model byl navržen pro CNC frézování z hliníku. My jsme model optimalizovali pro 3D tisk.

Chcete znát přesnou cenu vašeho projektu?

Nejste si jistí, zda je váš model správně navržený? Nevadí. Tým našich expertů kontroluje každou přijatou poptávku. Pokud uvidíme, že drobnou úpravou modelu můžete ušetřit významnou částku, upozorníme vás na to a navrhneme řešení. Nahrajte svůj STEP nebo STL soubor do našeho systému a nechte si nezávazně zpracovat nabídku na profesionální výrobu.Poptat 3D tisk a získat kalkulaci