DFM-Analyse für die Stereolithographie

Im Entwurf für die additive Fertigung (DFAM) gibt es sowohl breite Themen (die für viele additive Fertigungsprozesse gelten) als auch Optimierungen, die für einen bestimmten AM-Prozess spezifisch sind. Hier wird eine DFM-Analyse für die Stereolithographie beschrieben, bei der Design for Manufacturability (DFM) Überlegungen beim Entwurf eines Teils (oder einer Baugruppe), die durch den Stereolithographie (SLA) -Prozess hergestellt werden sollen, angewendet werden. In SLA werden Teile aus einem photohärtbaren flüssigen Harz hergestellt, das aushärtet, wenn es einem Laserstrahl ausgesetzt wird, der über die Oberfläche des Harzes scannt (Photopolymerisation). Harze, die Acrylat, Epoxy und Urethan enthalten, werden typischerweise verwendet. Komplexe Teile und Baugruppen können direkt in einem Stück hergestellt werden, in einem größeren Ausmaß als in früheren Fertigungsformen wie Gießen, Umformen, Metallherstellung und Bearbeitung. Die Realisierung eines solchen nahtlosen Prozesses erfordert, dass der Designer Überlegungen zur Herstellbarkeit des Teils (oder der Baugruppe) durch den Prozess anstellt. In jedem Produktdesignprozess sind DFM-Überlegungen wichtig, um Iterationen, Zeit- und Materialverluste zu reduzieren.

Herausforderungen in der Stereolithographie

Material
Übermäßige materialspezifische Setup-Kosten und fehlende Unterstützung für 3rd-Party-Harze ist eine große Herausforderung mit SLA-Prozess :. Die Wahl des Materials (ein Designprozess) ist durch das unterstützte Harz eingeschränkt. Daher sind die mechanischen Eigenschaften ebenfalls festgelegt. Bei der selektiven Skalierung von Dimensionen für erwartete Spannungen wird die Nachhärtung durch weitere Behandlung mit UV-Licht und Wärme durchgeführt. Obwohl dies für die mechanischen Eigenschaften vorteilhaft ist, kann die zusätzliche Polymerisation und Vernetzung zu Schrumpfung, Verzug und thermischen Restspannungen führen. Daher muss das Teil in seiner „grünen“ Phase, dh der Vorbehandlungsphase, entworfen werden.

Einrichten und verarbeiten
SLA-Prozess ist ein additives Herstellungsverfahren. Design-Überlegungen wie Orientierung, Prozessbreite, Unterstützungsstrukturen etc. müssen daher berücksichtigt werden. Die Ausrichtung beeinflusst die Tragstrukturen, die Fertigungszeit, die Teilequalität und die Teilekosten. Komplexe Strukturen können aufgrund einer Orientierung, die nicht möglich ist, zu unerwünschten Spannungen führen, nicht richtig hergestellt werden. Zu diesem Zeitpunkt können die DFM-Richtlinien angewendet werden. Design Machbarkeit für die Stereolithographie kann sowohl analytisch als auch anhand von Simulationen und / oder Richtlinien validiert werden

Regelbasierte DFM-Überlegungen
Regelbasierte Überlegungen in DFM beziehen sich auf bestimmte Kriterien, die das Teil erfüllen muss, um Fehler während der Fertigung zu vermeiden. Bei der schichtweisen Herstellungstechnik folgt der Prozess, es gibt keine Einschränkung für die Gesamtkomplexität des Teils. Es wurden jedoch einige Regeln durch die Druckerentwickler / Akademiker entwickelt, die befolgt werden müssen, um sicherzustellen, dass die einzelnen Merkmale, aus denen das Teil besteht, innerhalb gewisser Grenzen der Machbarkeit liegen.

Druckereinschränkungen
Einschränkungen / Begrenzungen bei der SLA-Herstellung ergeben sich aus der Genauigkeit des Druckers, der Schichtdicke, der Aushärtegeschwindigkeit, der Druckgeschwindigkeit usw. Verschiedene Druckereinschränkungen müssen während des Entwurfs berücksichtigt werden, wie zum Beispiel:

Minimale Wandstärke (unterstützt und nicht unterstützt): Die Wanddicke in Geometrien ist durch die Harzauflösung begrenzt. Unterstützte Wände haben Enden, die mit anderen Wänden verbunden sind. Unterhalb einer Dickengrenze können sich derartige Wandwände während des Abschälens verziehen. Nicht unterstützte Wände sind sogar noch lösungsempfindlicher, daher ist eine höhere Grenze für diesen Fall gegeben.
Überhang (Maximale nicht unterstützte Länge und minimaler nicht unterstützter Winkel): Überhänge sind geometrische Merkmale, die inhärent vom Teil nicht unterstützt werden. Diese müssen von Support-Strukturen unterstützt werden. Es gibt eine maximale Grenze, wenn keine Strukturen bereitgestellt werden. Dies dient dazu, die Biegung unter Eigengewicht zu reduzieren. Zu flache Winkel führen zu einer längeren, nicht unterstützten (projizierten) Länge. Daher eine Mindestgrenze dafür.
Maximale Brückenspanne: Um ein Durchhängen von balkenartigen Strukturen zu vermeiden, die nur an den Enden abgestützt sind, muss die maximale Spannweite solcher Strukturen begrenzt sein. Wenn dies nicht möglich ist, sollte die Breite zur Kompensation erhöht werden.
Minimaler vertikaler Säulendurchmesser: Dies stellt sicher, dass die Schlankheit oberhalb einer Grenze liegt, bei der das Merkmal wellig wird.
Mindestabmessungen der Nuten und Prägedetails: Die Nuten sind bedruckt und die Prägung ist eine flache Erhebung auf der Oberfläche des Werkstücks. Features, die mit kleineren Abmessungen gedruckt werden, sind nicht erkennbar.
Mindestabstand zwischen den Geometrien: Dies stellt sicher, dass die Teile nicht verschmelzen.
Minimaler Lochdurchmesser und Krümmungsradius: Kleine Krümmungen, die durch Druckabmessungen nicht realisierbar sind, können schließen oder glätten / verschmelzen.
Mindest-Innenvolumen Nennweiten: Zu kleine Volumen können sich füllen.

Unterstützungsstrukturen

Ein Punkt benötigt Unterstützung, wenn:

Es ist Endpunkt der Unterstützung weniger Kanten
Wenn die Länge des Überhangs mehr als ein kritischer Wert ist
Es ist im geometrischen Zentrum der Unterstützung weniger Flugzeug

Während des Druckens wirken die Stützstrukturen als Teil des Designs, daher werden ihre Grenzen und Vorteile beim Entwurf berücksichtigt. Wichtige Überlegungen umfassen:

Unterstützung von flachen Winkelgeometrien: Flache Winkel können zu einer unzureichenden Aushärtung des Harzes führen, sofern die Träger nicht gleichmäßig verteilt sind. Im Allgemeinen benötigt die Oberfläche ab einem bestimmten Winkel (normalerweise um 45 Grad) keine Unterstützung.
Überhangbasis: Erhöhen Sie die Schnittdicke an der Basis, um ein Reißen zu vermeiden. Vermeiden Sie scharfe Übergänge an der Überhangbasis.
Lufttaschenfreigabe: Ohne Träger können beim Drucken von Teilen mit einer flachen Oberfläche und Löchern in der Geometrie Luftblasen entstehen. Wenn das Teil druckt, können diese Luftblasen im Modell zu Hohlräumen führen. Die Stützstrukturen schaffen in diesem Fall Wege, durch die die Luftblasen entweichen können.
Strukturkompatibilität: Berücksichtigen Sie die Supports-Kompatibilität für die interne Datenträgeroberfläche.
Feature-Orientierung: Orientieren Sie sich, um sicherzustellen, dass Überhänge gut unterstützt werden.

Teilabscheidungsorientierung
Die Teileausrichtung ist eine sehr wichtige Entscheidung in der DFM-Analyse für den SLA-Prozess. Die Bauzeit, die Oberflächenqualität, das Volumen / die Anzahl der Stützstrukturen usw. hängen davon ab. In vielen Fällen ist es auch möglich, die Probleme der Herstellbarkeit zu lösen, indem nur das Teil neu ausgerichtet wird. Zum Beispiel kann eine überhängende Geometrie mit flachem Winkel so ausgerichtet werden, dass steile Winkel gewährleistet sind. Zu den wichtigsten Überlegungen gehören daher:

Verbesserung der Oberflächenqualität: Richten Sie das Teil so aus, dass ein Merkmal auf der kritischen Oberfläche beseitigt wird. Algorithmischer Gesichtspunkt, eine Freiformfläche wird zu einer Kombination von verschiedenen ebenen Flächen zerlegt und das Gewicht wird jedem berechnet / zugewiesen. Die Gesamtgewichte sind minimiert für die beste Gesamtoberfläche.
Reduzierung der Build-Zeit: Die grobe Schätzung der Build-Zeit erfolgt mithilfe von Slicing. Die Herstellungszeit ist proportional zu der Summe der Oberflächenbereiche jeder Scheibe. (Kann als Höhe des Teils angenähert werden)
Support-Struktur-Optimierung: Unterstützte Fläche variiert je nach Ausrichtung. In einigen Orientierungen ist es möglich, die Unterstützungsfläche zu reduzieren.
Einfaches Abziehen: Das Neuausrichten, so dass die projizierte Fläche der Schichten allmählich variiert, erleichtert das Abziehen der gehärteten Schicht während des Druckens. Die Orientierung hilft auch bei der Entfernung der Stützstrukturen in späteren Stadien.

Planbasierte DFM-Überlegungen
Planbasierte Überlegungen in DFM beziehen sich auf Kriterien, die sich aufgrund des Prozessplans ergeben. Diese sind zu erfüllen, um Fehler während der Herstellung eines Teils zu vermeiden, das die regelbasierten Kriterien erfüllen kann, aber aufgrund der Reihenfolge, in der Merkmale erzeugt werden, einige Herstellungsschwierigkeiten aufweisen kann.

Geometrische Schneiderei
Die Modifikation einiger nicht-kritischer geometrischer Merkmale eines Teils, um Herstellungskosten und -zeit zu senken und funktionelle Prototypen zu erzeugen, die das Verhalten der Produktionsteile nachahmen.

Geometric Tailoring überbrückt das oben beschriebene Missverhältnis von Materialeigenschaften und Prozessunterschieden. Sowohl die Funktionalität als auch die Herstellbarkeit werden angesprochen. Funktionalitätsprobleme werden durch „maßschneidern“ der Abmessungen des Teils angegangen, um die Anomalien des Spannungs – und Auslenkungsverhaltens zu kompensieren. Probleme der Herstellbarkeit werden durch die Identifizierung schwierig zu fertigender geometrischer Attribute (ein Ansatz, der in den meisten DFM-Handbüchern verwendet wird) oder durch Simulationen von Herstellungsprozessen angegangen. Bei RP-produzierten Teilen (wie in SLA) werden die Problemformulierungen als Material-Prozess-Geometrie-Anpassung (MPGT) / RP bezeichnet. Zunächst legt der Designer Informationen fest wie: Parametric CAD-Modell des Teils; Einschränkungen und Ziele bezüglich Funktions-, Geometrie-, Kosten- und Zeiteigenschaften; Analysemodelle für diese Einschränkungen und Ziele; Zielwerte von Zielen; und Präferenzen für die Ziele. Das DFM-Problem wird dann formuliert, wenn der Designer die MPGT-Vorlage mit dieser Information ausfüllt und an den Hersteller sendet, der die verbleibenden „herstellungsrelevanten“ Informationen ausfüllt. Mit der fertiggestellten Formulierung ist der Hersteller nun in der Lage, das DFM-Problem zu lösen, indem er GT des Teiledesigns ausführt. Der MPGT dient somit als digitale Schnittstelle zwischen Designer und Hersteller. Für das geometrische Tailoring im SLA-Prozess wurden verschiedene Prozessplanungsstrategien (PP) entwickelt.

DFM-Frameworks
Die durch den Herstellungsprozess auferlegten Beschränkungen werden auf das Design abgebildet. Dies hilft bei der Identifizierung von DFM-Problemen während der Untersuchung von Prozessplänen, indem es als Abrufmethode fungiert. Verschiedene DFM-Frameworks werden in der Literatur entwickelt. Diese Frameworks helfen bei verschiedenen Entscheidungsschritten wie:

Produkt-Prozess-Anpassung: Die Berücksichtigung von Fertigungsproblemen während der Entwurfsphase gibt Aufschluss darüber, ob der SLA-Prozess die richtige Wahl ist. Rapid Prototyping kann auf verschiedene Arten erfolgen. Die üblichen Bedenken sind Prozesskosten und Verfügbarkeit. Über dieses DFM-Framework kann der Designer die erforderlichen Konstruktionsänderungen vornehmen, um die Herstellbarkeit der Komponenten im SLA-Prozess zu erleichtern. Dieser Rahmen stellt somit sicher, dass das Produkt für den Herstellungsplan geeignet ist.

Merkmalserkennung: Dies geschieht durch integrierte Prozessplanungsaufgaben in kommerzieller CAD / CAM-Software. Dies kann Simulationen des Herstellungsprozesses beinhalten, um eine Vorstellung von den möglichen Schwierigkeiten in einer virtuellen Fertigungsumgebung zu erhalten. Solche integrierten Tools sind in der Entwicklungsphase.

Überlegungen zur Funktionalität: In einigen Fällen werden Baugruppen direkt gedruckt, anstatt Teile separat zu drucken und zu montieren. In solchen Fällen kann ein Phänomen wie der Fluss des Harzes die Funktionalität drastisch beeinflussen, was nicht durch eine regelbasierte Analyse angegangen werden kann. Tatsächlich dient die regelbasierte Analyse nur dazu, die Grenzen des Designs zu gewährleisten, aber die Abmessungen des fertigen Teils müssen durch Plan-basierte Überlegungen auf Herstellbarkeit geprüft werden. Seit dem letzten Jahrzehnt wird hier eine beträchtliche Forschung betrieben. DFM-Frameworks werden entwickelt und in Pakete verpackt.