3D-mallien suunnittelu 3D-tulostusta varten

Alunperin julkaistu: 13.2.2017

Viimeksi muokattu: perjantai 26.2.2021

3D-suunnittelussa perinteisesti ei ole tarvinnut välittää reaalimaailman rajoitteista, kuten painovoimasta. 3D-mallien suunnittelussa tulostamista varten tämä on kuitenkin otettava huomioon, sillä FDM-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.

X- ja Y-suunnissa kappaleen muotoja rajoittavat käytännössä suuttimen ominaisuudet, esimerkiksi kuinka tehokas jäähdytys pursotetulle muoville on ja kuinka paksua nauhaa suutin pusertaa ulos. Suurimmalla osalla FDM/FFF-tulostimista "de-facto" suutinreikä on 0.4 mm, eli tätä pienempää yksityiskohtaa on turha malliin edes tehdä. Tätä on kyllä mahdollista kiertää viipalointiasetuksia muuttamalla, mutta muutokset vaikuttavat malliin kauttaaltaan eikä ole ensisijainen muokkaustapa.

Seuraavassa on käyty läpi muutamia yleisiä asioita, joita kannattaa miettiä samalla kun suunnittelee jotakin kappaletta niin, että sen voi 3D-tulostaa pursotustekniikan 3D-tulostimella.

Noudattamalla näitä ohjeita ja neuvoja helpotetaan sekä tulostusta, että vähennetään valmisteluihin tai jälkityöstämiseen kuluvaa aikaa sekä mahdollisia hukkatulosteita.

3D-mallin yleisiä ominaisuuksia

3D malli viipaloidaan ennen sen syöttämistä tulostimelle. Viipaloinnissa voi esiintyä ongelmia, kuten tyhjä alue onkin täytetty, jonkin alueen muoto ei ole sama kuin mallissa, joitain osia puuttuu täysin tms. Vaikka näihin asioihin voidaan vaikuttaa ohjelmallisesti, niin kaikkea ei voida korjata viipaloinnilla. 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 jo viipaloinnissa, niin tulostuksessa tulee olemaan ongelmia myös. Seuraavassa käsitellään 3D-mallin perusominaisuuksia, jotka tulisi olla kunnossa.

Ensimmäinen kerros

Ensimmäinen asia, mihin kannattaa kiinnittää huomiota on aloitustaso ja ensimmäinen kerros 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 nostetaan kappaleesta ylös päin seuraavalle kerrokselle mentäessä.

Esimerkiksi kuvassa oleva kappale seisoo ohuen kärjen varassa, jolloin ensimmäinen kerros on olemattoman pieni pinta-alaltaan. Esimerkki itsessään on hieman absurdi, mutta ymmärtänette pointin. Ei siis näin:

3D-mallinnus palvelu
Kappaletta ei ole hyvä tulostaa tässä asennossa.

Vaikka mallia voidaan pyöritellä viipalointiohjelmassa, on se parasta kuitenkin jo suunnittelun alkuvaiheessa mallintaa tulostusasentoon:

3D-mallinnus
3D-malli jo suunnittelussa oikein päin

Malliin tiiveys

Mallin on yleensä hyvä olla myös vesitiivis eli sen pinnat ovat suljettu. 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.

Alla olevissa kuvissa on havainnollistettu 3D-mallin pintojen huono ja hyvä versio.

huono 3D-malli
Mallin pinnat eivät ole ehjiä
hyvä 3D-malli
Mallissa on ehjät ja tiiviit pinnat

Tulostus ilmaan

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. Tukimateriaalin voi tarvittaessa mallintaa itse, mutta se ei ole välttämätöntä. Aikaa ja rahaa kuitenkin säästää, kun mallintaa kappaleelle poistettavaa tukea itse.

3D-tulostuspalvelun malli
Kappaleeseen on suunniteltu tuki
3D-mallinnuspalvelu
Mallissa ei ole otettu huomioon fyysisiä rajotteita

3D-mallin yksityiskohdat

3D-mallissa on usein yksityiskohtia jotka ovat kappaleen pinnassa tai muuten sen muodossa. Esimerkiksi 0.4mm suuttimella ei voi luotettavasti ohuempaa seinämää tulostaa, joten suositus on että sitä pienempää yksityiskohtaa ei ainakaan olisi. Seuraavassa on kerrottu tarkemmin mitä erilaisilla yksityiskohdilla tässä tapauksessa tarkoitetaan.

Reunojen vahvuus

Tulostettavan mallin reunojen on hyvä olla mielellään enemmän kuin 0.4 millimetrin paksuisia. Näin ohut seinämä onnistuu kyllä tulostaa, mutta se ei välttämättä tartu tiukasti alempaan kerrokseen ja on muutenkin heikko. Tulostamme kuitenkin muovia, joten tällaisessa reunavahduudessa ei ole oikein järkeä. Mutta jos tämä on ehdoton vaatimus, niin onnistuu.

3D-mallin seinämä liian ohut
Turhan ohutta seinämää ei ole järkevää suunnitella

3D-mallin koko

Koko tulosteen maksimikoko on yleensä hyvä rajoittaa tulostimen maksimimittoihin. Jos kappale on suurikokoinen, voidaan se tarvittaessa halkaista esimerkiksi Windowsin omalla 3D Builder -ohjelmalla.

3D builderilla mallin jakaminen osiin
Malli voidaan jakaa osiin esim. 3D Builder ohjelmalla

Jos kappaleen liitoskohtaan halutaan lujuutta, kannattaa siihen suunnitella jo mallinnusvaiheessa liitoskohta esimerkiksi ruuveilla ja muttereilla kiinnitettäväksi tai vaikkapa jonkinlainen yhteenlukittuva mekanismi.

Palapeliliitos 3D-malliin
3D-mallien lukitus toisiinsa...

3D-mallin reunat

Esimerkiksi kulmat kannattaa jo mallissa valmiiksi pyöristää jos mahdollista, mutta aina se ei ole välttämätöntä. Reunojen pyöristämisellä saadaan kappaleeseen paremmin lujuutta, koska rasitus esimerkiksi kappaleen kulmassa jakaantuu suuremmalle pinta-alalle.

Kulmien pyöristys
3D-mallin reunojen fillet
Pieni R = heikko kohta

3D-mallin kulmien pyöristys ja viisteet

3D-mallin kulmissa voi olla joskus viereisen kuvan kaltaista pyöreyttä. Kuvassa ilmiötä on toki liioiteltu, mutta mekaanisesti vaativissa malleissa kannattaa toleranssien vuoksi lisätä kulmiin pyöristystä tai

3D-mallin kulmiin voi lisätä pyöreyttä tai viistettä, molemmat ovat ihan kelpo tapoja saada tulosteelle parempi mittatarkkuus. Viisteen tai pyöristyksen (R) suuruus voi olla esimerkiksi 0.5mm.

3D-mallin kulmien viiste ja pyöristys
3D-mallin kulmiin viiste tai pyöristys

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 kevennyksen niin, että pohjaosaa kiertää hieman pienempi alue kuin mikä yläosassa on. Tämä ei kuitenkaan ole pakollista, sillä viipalointiasetuksissa ensimmäistä kerrosta muokataan tulostuspalvelussa Curan asetuksella Initial Layer Horizontal Expansion.

Elefanttijalan estäminen kevennyksellä

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 PLA on tässä suhteessa varsin turvallinen materiaalivalinta. PETG-kutistuu hieman enemmän. Mekaanista tarkkuutta vaativiin kappaleisiin voi kuitenkin joutua tekemään useamman tulostuskierroksen lopullisen mittatarkkuuden saavuttamiseksi.

Tulostusasetukset

Viipalointia tehdessä 3D-tulosteelle annetaan tiettyjä asetuksia. Seuraavassa on pyritty valaisemaan 3D-tulostukseen liittyviä asetuksia jotka usein tulevat eteen.

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 kerrospaksuus on 0.2mm ja nopeissa proto-osissa kannattanee käyttää 0.3 - 0.35mm kerrospaksuutta. Mikäli kerrospaksuutta ei tilauksen yhteydessä erikseen määritellä niin paksuutena käytetään 0.2 - 0.3 mm:n vahvuutta.

Tiiviys ja kappaleen täyttöprosentti

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 ja seinämävahvuudella se saadaan aikaiseksi.

Lisäinfoa

3D-tulostukseen liittyviä kysymyksiä ja vastauksia -sivuille olen myös koonnut lisää tietoa asetuksista yms. jutuista, joita voi olla tarpeellista ainakin vilkaista.

Lisätietoja ja muita designiin liittyviä asioita voi lukea esimerkiksi 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/

https://markforged.com/resources/learn/design-for-additive-manufacturing-plastics-composites/3d-printing-strategies-for-composites/composites-3d-printing-design-tips