Optimisasi Cetak 3D: Peran Penting Struktur Dukungan dan Strategi Desain

Manufaktur aditif telah membuka era baru dalam kemungkinan produksi. Teknologi cetak 3D memungkinkan kita menciptakan bagian yang sebelumnya ‘tidak dapat dibuat’, dengan dimensi dan sudut kompleks, dengan kecepatan dan presisi yang tak tertandingi. Namun, sifat proses manufaktur aditif, di mana bahan ditambahkan lapis demi lapis, sering berarti bagian membutuhkan dukungan untuk mengelola tekanan internal—esensialnya, gaya gravitasi—selama pencetakan. Tanpa dukungan tersebut, lapisan aditif tidak dapat dipertahankan oleh bahan di sekelilingnya dan runtuh, menyebabkan gagalnya pencetakan. Untuk mengatasi tantangan ini, terkadang kita harus merancang struktur dukungan ke dalam bagian cetak 3D kita.

Untuk memastikan Anda memaksimalkan potensi bagian cetak 3D Anda dalam hal kecepatan, kualitas, dan biaya, penting untuk memahami struktur dukungan dan bagaimana cara mengintegrasikannya ke dalam proyek manufaktur aditif Anda.

Apa itu struktur dukungan dalam cetak 3D?

Struktur dukungan memegang elemen-elemen bagian cetak 3D yang tidak memiliki bahan pendukung selama manufaktur. Tidak semua proses cetak 3D memerlukan struktur dukungan: sementara proses Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), Carbon Digital Light Synthesis™ (DLS), dan Stereolithography (SLA) sering memerlukan dukungan, HP Multi Jet Fusion, yang merupakan proses pencetakan berbasis serbuk, tidak memerlukannya.

Contohnya, dalam proses manufaktur aditif Stratasys Fused Deposition Modeling (FDM), lapisan bahan panas yang diekstrusi dibangun dari tempat cetak dengan menempel pada lapisan bahan di bawahnya dan mungkin melampaui lapisan-lapisan bawah untuk menciptakan permukaan berkemiringan. Ketika sudutnya melebihi 45°, elemen yang melampaui umumnya memerlukan dukungan atau bobot bahan yang tidak didukung akan menyebabkan elemen tersebut runtuh dan pencetakan gagal.

Di mana dukungan diperlukan, mereka harus diintegrasikan ke dalam desain bagian dan dicetak ke dalam bagian saat diproduksi. Tentu saja, ini berarti menghitung waktu dan bahan tambahan yang akan diperlukan selama proses cetak 3D dan penghapusan struktur dukungan pada tahap pasca-proses selanjutnya.

Pengecualian: Tidak semua metode manufaktur aditif memerlukan struktur dukungan. Sementara teknologi cetak 3D seperti fused deposition modeling (FDM) mencetak bagian dengan menambahkan lapisan bahan ke tempat cetak, yang lain, seperti HP Multi Jet Fusion (MJF), mencetak bagian dari tempat serbuk. Karena lapisan serbuk sendiri mendukung, desain bagian HP MJF tidak perlu menyertakan struktur dukungan.

Apa jenis-jenis struktur dukungan yang tersedia?

Struktur dukungan untuk bagian cetak 3D bervariasi dalam desain dan jenis, tetapi dapat diorganisir secara kasar ke dalam dua kategori: ‘pohon’ dan ‘pagar’.

• Struktur dukungan pohon: Mirip dengan cabang atau batang, struktur dukungan pohon dapat melingkupi bagian dan pas rapi pada permukaan berkemiringan untuk kemudahan pemasangan. Struktur dukungan pohon dapat dirancang, diterapkan, dan diuji dengan cepat sebagai bagian dari proyek cetak 3D, memungkinkan iterasi cepat. Struktur berongga cabangnya berarti mereka dapat menjangkau jarak untuk mendukung area tertentu.

• Struktur dukungan pagar: Mirip dengan dinding, dan dengan berbagai titik pemasangan, struktur dukungan pagar dicetak tegak lurus terhadap permukaan bagian sering dengan struktur kawat. Struktur dukungan pagar lebih tahan lama dan lebih mudah dilepaskan daripada struktur dukungan pohon, dan biasanya merupakan pilihan yang lebih baik untuk elemen kosmetik atau produksi volume tinggi.

Kapan saya harus menggunakan struktur dukungan manufaktur aditif?

Aturan ‘45°’ menyatakan bahwa overhang cetak 3D sebesar 45° dan lebih akan memerlukan dukungan, sementara di bawah 45° tidak akan.

Namun, aturan 45° harus dianggap sebagai pedoman umum dan kebutuhan akan struktur dukungan akan bervariasi tergantung pada kompleksitas desain bagian dan bahan yang digunakan. Dalam beberapa kasus, bridging dapat menawarkan alternatif bagi struktur dukungan: bridging adalah teknik di mana bahan aditif panas ditulangkan di atas jarak pendek (biasanya kurang dari 5mm) tanpa mengkompromikan integritas bagian.

Prinsip ‘YHT’: Sebagai model cetak 3D, berdiri tegak, huruf Y, H, dan T berguna untuk mengilustrasikan kebutuhan akan struktur dukungan manufaktur aditif.

• Huruf Y: Dua lengan meluas dari huruf Y pada 45°—sudut overhangnya tidak memerlukan struktur dukungan. Semakin jauh sudut overhang melebihi 45°, semakin besar kemungkinan struktur dukungan akan diperlukan.

• Huruf H: Jika dua elemen vertikal huruf H berada dalam jarak 5 mm satu sama lain, mungkin mungkin untuk mencetak 3D elemen horizontal H dengan jembatan. Jika elemen vertikal lebih jauh dari 5mm, elemen horizontal mungkin memerlukan struktur dukungan.

• Huruf T: Dua lengan huruf T meluas dari elemen vertikal pada 90° dan akan memerlukan struktur dukungan.

Selain sudut overhang, faktor lain dapat mempengaruhi kebutuhan akan struktur dukungan. Ini termasuk kualitas printer 3D dan kecepatan pencetakannya: misalnya, printer yang lebih lambat dapat meningkatkan kebutuhan akan struktur dukungan.

Struktur Dukungan: Tantangan Manufaktur

Struktur dukungan adalah keharusan dalam banyak build aditif tetapi penting untuk diingat bahwa mereka dapat secara signifikan mempengaruhi biaya bagian dalam produksi volume—bukan disebutkan jumlah bahan limbah yang dihasilkan proyek tersebut. Hati-hati juga harus diambil saat menghapus struktur dukungan karena mereka dapat merusak atau memberi tanda pada bagian yang selesai saat dilepas.

Dengan mempertimbangkan faktor-faktor tersebut, bagian cetak 3D sebaiknya dirancang untuk meminimalkan atau menghilangkan kebutuhan akan struktur dukungan dan, jika memungkinkan, prinsip desain untuk manufaktur aditif (DFAM) harus diterapkan untuk mengoptimalkan bagian untuk kualitas, biaya, dan waktu produksi. Strategi berikut dapat membantu mengurangi kebutuhan akan struktur dukungan:

Orientasi: Orientasi bagian pada tempat cetak dapat mempengaruhi kebutuhan akan struktur dukungan. Overhang, misalnya, dapat dihilangkan dengan memutar bagian ke punggung atau sisi. Dalam contoh di atas, meletakkan setiap huruf model 3D Y, H, dan T di punggungnya akan sepenuhnya menghilangkan elemen yang melampaui beserta kebutuhan akan struktur dukungan atau jembatan.

Geometri bagian: Jika memungkinkan, hapus overhang dari desain Anda—atau kurangi sudutnya menjadi kurang dari 45°. Tentu saja, persyaratan fungsional mungkin membuat pengeliminasi total overhang tidak mungkin tetapi Anda mungkin dapat memperkenalkan elemen desain alternatif seperti chamfer, gusset, dan radius untuk membuat geometri bagian lebih mandiri.

Pemisahan bagian: Teknologi cetak 3D memungkinkan produksi bagian tunggal yang kompleks, tetapi jika jumlah dukungan yang dibutuhkan bagian tersebut mengurangi kualitas atau efisiensi biaya, mungkin layak memecah bagian menjadi komponen-komponen yang lebih kecil yang dapat dirangka nanti. Contohnya, bagian bola membutuhkan dukungan yang besar tetapi dengan memecahnya menjadi dua, dan menciptakan permukaan datar yang luas, mungkin untuk menghilangkan kebutuhan akan dukungan sepenuhnya.

Kepadatan dukungan: Tekanan yang ditimbulkan pada struktur dukungan akan menentukan seberapa kuat mereka perlu berupa dan seberapa banyak bahan yang diperlukan untuk mencetaknya. Untuk memastikan pencetakan yang berhasil dan hemat biaya, pastikan struktur dukungan Anda cukup padat untuk mendukung ukuran elemen yang melampaui. Ingatlah bahwa semakin padat struktur dukungan, semakin sulit mungkin untuk dilepas setelah pencetakan.

Dukungan larut: Beberapa teknologi cetak 3D mungkin dapat mencetak struktur dukungan dalam bahan terpisah yang dapat larut, melalui nozzle cetak sekunder. Struktur dukungan ini dapat direndam dalam air atau kimia, pasca-cetak, dan dicairkan untuk menyisakan bagian yang utuh. Dukungan larut mengurangi potensi kerusakan pada bagian yang selesai selama proses penghapusan struktur dukungan. Sebagian besar bahan aditif FDM memiliki dukungan larut, bahan DLS dan SLA tidak. Proses HP MJF tidak memerlukan dukungan sama sekali.

Memulai

Struktur dukungan akan terus memainkan peran integral dalam sebagian besar proyek manufaktur aditif.

Sementara tujuan selalu untuk mengurangi atau menghilangkan kebutuhan akan struktur dukungan, para insinyur kami bertujuan untuk mengoptimalkan bagian Anda untuk fungsionalitas dan biaya. Jika Anda ingin mengetahui lebih lanjut tentang bagaimana kami dapat menjadikan proyek manufaktur aditif Anda mungkin, hubungi tim Fast Radius hari ini.

Siap membuat bagian Anda dengan Fast Radius?