3D mallien suunnittelu 3D tulostusta varten

Julkaistu: maanantai 13.2.2017

3D-suunnittelussa perinteisesti ei ole tarvinnut välittää reaalimaailman rajoitteista, kuten painovoimasta. 3D-mallien suunnittelussa tulostamista varten tämä on kuitenkin otettava huomioon, sillä tulostin ei pysty kumoamaan fysiikan lakeja ja leijuttamaan tulosteita ilmassa. Tulostimella on 3 akselia, kuten reaalimaailmassakin eli X Y ja Z, joista Z-akseli on kerrospaksuus. Tulostin pyrkii tuottamaan kopion 3D-mallista joko ylhäältä alaspäin tai alhaalta ylöspäin strategian mukaisesti, riippuen aivan siitä millainen tulostin on kyseessä.

Seuraavassa on käyty läpi muutamia yleisiä asioita, joita kannattaa miettiä samalla kun suunnittelee jotakin kappaletta niin, että sen voi 3D-tulostaa alhaalta ylöspäin tulostavalla tulostimella, mikä hutasulla on käytössä.

Noudattamalla näitä ohjeita ja neuvoja helpotetaan tulostusta sekä vähennetään työstämiseen kuluvaa aikaa.

Huomioitavia yleisiä seikkoja

Ensimmäinen asia, mihin kannattaa kiinnittää huomiota on, aloitustaso mistä tulostaminen aloitetaan. Tulostinhan toimii niin, että materiaalia tulee suuttimesta kerroksittain, aina toinen kerros toistensa päälle. Yksi kerros on tulostimen Z-akselin suuntainen ja kerrospaksuus määrää sen kuinka paljon suutinta on nostettu ylöspäin ennen seuraavaa kerrosta.

3D malli viipaloidaan ennen sen syöttämistä tulostimelle, jotta kerrokset voidaan kertoa tulostimelle. Viipaloinnissa voi esiintyä ongelmia kuten: tyhjä alue onkin täytetty, jonkin alueen muoto ei ole sama kuin mallissa, joitain osia puuttuu täysin. Vaikka näihin asioihin voidaan vaikuttaa ohjelmallisesti, niin kaikkea ei voida ennustaa. Viipaloinnissa usein törmätäänkin ensimmäisiin ongelmiin ja sen perusteella ehdotetaan parannuksia joko malliin tai tulostusasentoon. Viipalointiasetuksia muuttamalla saadaan joitakin ongelmia myös häviämään, mutta jos kappaleessa on ongelmia niin tulostuksessa tulee olemaan ongelmia myös.

Kappale tulee aina suunnitella niin, että se on tiivis ja reiätön. Alla olevassa kuvassa on havainnollistettu 3D-mallin huono ja hyvä versio.

Tulostus "tyhjän päälle" ja koordinaatisto

Mallissa saattaa olla ulkonevia reunoja, jotka tarvitsevat tukimateriaalia tulostukseen, sillä jos mikään ei kannattele tulostetta sen ollessa ilmassa, muovi tippuu alustalle ja malli ei todellakaan näytä siltä miltä piti.

3D-mallin suunnittelussa kannattaa miettiä tulostusasento ja XYZ-koordinaatit. Vaikka 3D-mallia voidaan käännellä tulostusalustalla miten päin tulostettavaksi tahansa, on kuitenkin helpointa, että tulostusmalli on jo valmiiksi oikein päin alustalla viipalointiohjelmaa varten. Tämä ei ole tietenkään vaatimus, mutta hyvin suositeltavaa kuitenkin.

Reunojen vahvuus ja kappaleen koko

Tulostettavan mallin reunojen on hyvä olla vähintään millimetrin paksuisia ja koko tulosteen maksimikoko on yleensä hyvä rajoittaa tulostimen maksimimittoihin. Eli jos tulostin voi tulostaa esimerkiksi 150 mm x 150 mm x 150 mm kokoisen kappaleen niin sitä suurempaa mallia ei kannata suunnitella ainakaan tulostettavaksi, mutta ainahan mallia voi skaalata mikäli se vain tarpeisiin on riittävä. Joissain tulostimissa printtausalue on itse asiassa suurempi kuin on määritelty, mutta valmistaja yleensä määrittää tietyt mitat, joihin on hyvä luottaa.

Hutasu.netin tarjoamat tulostuspalvelut rajoittavat koon toistaiseksi 150x150x150 mm kokoon.

Tukimateriaali

Jos tukimateriaalia tarvitsee, niin sitä voi ihan hyvin lisätä malliin jo suunnitteluvaiheessa. Tukimateriaalia tarvitsee niille alueille, jotka roikkuvat ikäänkuin tyhjän päällä mallin Z-akselin suhteen katsottuna.

Koska tulostin ei voi tulostaa ilmaan tyhjän päälle, niin tulostimen tarvitsee tehdä muotojen alle muovista tuki, joka tuottaa tarvittavan tuen tulosteeseen. Tulosteen ja tuen välillä on automaattisesti generoituna tietyn mittainen väli (esim. 0.5mm), jolloin tyhjää tilaa kappaleen ja tukimateriaalin välissä on em. 0.5mm.

Aina tukimateriaalia ei tarvita ja mallia pyörittelemällä sen tarve voi jopa kokonaan eliminoitua. Usein kuitenkin esimerkiksi tulostettavat vertikaaliset reiät  ovat yläpuolen reunoilta hieman epämuodostuneet, mutta tämä riippuu myös paljon kerrospaksuudesta sekä kappaleen koosta.

Kerrospaksuus

Kerrospaksuus vaikuttaa kaikkein olennaisimmin mallin laatuun, eli siihen miltä malli näyttää ja kuinka vahva malli on. Mitä pienempi kerrospaksuus niin sitä parempi laatu ja vahvuus, mutta toisaalta tulostusaika - ja hinta - on myöskin kalliimpi. Kaikkeen tähän voi tietenkin vaikuttaa jo mallin suunnittelussa, mutta yleisesti ottaen edellä mainitut asiat pätevät.

Yleinen "de facto" kerrospaksuus on 0.2mm ja nopeissa proto-osissa kannattanee käyttää 0.3 - 0.4mm kerrospaksuutta. Mikäli kerrospaksuutta ei tilauksen yhteydessä erikseen määritellä niin paksuutena käytetään 0.2 - 0.3 mm:n vahvuutta.

Tiiviys ja kappaleen täyttöprosentti

Mallin on yleensä hyvä olla myös vesitiivis. Tämä takaa paremmin viipaloinnin ja tulosteen onnistumisen. Vesitiiviyden voi helposti tarkistaa esimerkiksi Netfabb studiolla tai Meshmixer työkalulla. Näihin ohjelmiin ei valitettavasti ole tällä sivustolla käyttöohjeita, mutta internetistä niitä kyllä löytyy.

Kappale voi olla ontto tai ns. täytetty. Täyttöprosentti määrittää kappaleelle sen kuinka tiheä kappaleesta tulee. 0 %:n täyttö tarkoittaa täysin onttoa kappaletta. Vastaavasti 100 % täyttö tarkoittaa täysin umpinaista kappaletta. Täyttöprosentti vaikuttaa kappaleen tulostusaikaan, mutta jos kappaleesta halutaan saada erittäin luja, niin täytöllä se saadaan aikaiseksi. Toisaalta heikkoja kohtia 3D-mallissa voidaan muokata ja muotoilla kestävämmäksi.

Esimerkiksi kulmat kannattaa jo mallissa valmiiksi pyöristää jos mahdollista, mutta aina se ei ole välttämätöntä.

Tulostin tavallaan luonnollisesti pyöristää kulmia noin 0,4mm verran, koska materiaalisuutin on pyöreän muotoinen.

Elefanttijalka ja muovin kutistuminen

Tulostettaessa mitä tahansa kappaletta on 3D -tulosteilla taipumus olla paksumpi pohjalta kuin päältä. Tätä ilmiötä kutsutaan nimeltä elefanttijalka (engl. elephant foot) ja ilmiö on aivan normaali muovitulosteille. Käytännossä tämä tarkoittaa sitä, että tulostettavan kappaleen pohja on jonkin verran paksumpi kuin mallin yläosa. Tätä kompensoimaan voi malliin tehdä pohjalle pienennyksen niin, että pohjaosaa kiertää hieman pienempi alue kuin mikä yläosassa on.

Muovin kutistuminen on myös hyvä ottaa huomioon, sillä se vaikuttaa kappaleen lopullisiin mittoihin. Sulanut muovi on sulaneena enemmän tilaa vievä kuin jäähtyneenä, joten kun muovi on jäähtynyt huoneenlämpötilaan voivat erot olla suuriakin. Tähän vaikuttaa tulostusasetukset sekä muovin laatu, mutta nyrkkisääntönä voitaneen ainakin PLA muoville pitää, että tuloste kutistuu jonkin verran jäähdyttyään. Tästä syystä erityisesti mekaanista tarkkuutta vaativiin kappaleisiin voidaan joutua tekemään useampi tulostuskierros lopullisen mittatarkkuuden saavuttamiseksi.

Suuren mallin tulostaminen

Mikäli tarpeena on tulostaa suuri kappale, joka ylittää tulostusalueen koon, niin mallin voi aina jakaa pienempiin osiin ja liittää tulostuksen jälkeen yhteen.

Suuren mallin jakaminen osiin onnistuu esimerkiksi slic3rilla, mutta sen voi tehdä itsekin 3D suunnitteluohjelmalla. Useammista palasista koostuva malli voidaan jälkikäteen koota esimerkiksi liiman tai ruuvien avulla. Mikäli liimaa ei halua käyttää, niin kannattaa suunnitella malliin esim. ruuvien kiinnityskohdat paikoilleen.

Lisäinfoa

Lisätietoja ja muita juttuja designiin liittyen voi lukea alta löytyvistä linkeistä. Suosittelen näitä kaikille jotka haluavat suunnitella 3D-tulostettavan kappaleen:

https://i.materialise.com/blog/5-mistakes-to-avoid-when-designing-a-3d-model-for-3d-printing/ 

https://i.materialise.com/3d-printing-materials/abs/design-guide 

http://makezine.com/2013/12/11/top-ten-tips-designing-models-for-3d-printing/