3D列印ULTEM-9085的支架設計和拆卸(案例研究:進氣歧管)

2023-02-01

ULTEM-9085是我最喜歡的3D列印材料之一:原因之一是它是一種高性能的聚合物，可以並且已經被用於最終部件製造(見我的博客帖子)功能性航空航太零件中的ULTEM)，但另一個原因是因為它是一種要求很高的列印材料，而ABS、聚碳酸酯甚至尼龍都不是。要求高的主要原因是ULTEM支架不可溶解，需要機械移除。另一個挑戰來自於這樣一個事實，即當部件處於高溫(175-195℃)時，最好移除支撐件，這需要使用手套並降低用戶的靈活性。對於具有內部通道的複雜幾何形狀，這尤其具有挑戰性，有時會導致無法在ULTEM-9085中列印某個零件，這與該技術原本能夠實現的設計自由度背道而馳。

在這篇文章中，我積累了我在許多ULTEM-9085工作中(和失敗中)以及通過與其他用戶的討論所學到的東西，並在這裏以設計和過程指南的形式與大家分享。為了演示這些指導方針，我使用了我們為亞利桑那州立大學的SAE團隊用於發動機進氣歧管。這些指南適用於使用這些工具隨附的Insight軟體的Stratasys Fortus平臺(用於熔融沉積建模或FDM)。螢幕截圖來自Insight 10.6，使用Fortus 400列印所示零件。

指南摘要:

調整零件方向以消除無法移除的區域中的支撐
使用箱形支撐樣式
優化參數設置(支撐角度、輪廓寬度、層厚度)
一旦零件從製造室出來，就移除支架
其他觀察:分離的介面

1.零件方向

簡化支架拆除的一個最重要的因素是零件定位。FDM流程的大多數用戶都知道，零件方向決定了消耗的支持材料量，同時也影響了製造零件的時間。使用ULTEM-9085時，額外的挑戰是，可能會設計無法移除的支架，這將要求您放棄作業。內部特徵尤其如此。雖然Insight中的自動定向功能允許您最小化支撐，但它沒有考慮移除支撐的難度。因此，當您處理內部特徵時，您可能需要手動確定零件的方向，使內部特徵盡可能與垂直方向對齊，並位於支撐角度上方(稍後介紹)。

如圖1所示，對於進氣歧管，我將內部管道結構定向為接近垂直，並且必須迭代幾次，以驗證我在難以到達的區域沒有支撐。雖然我在內部得到了支持，但這些支持僅限於容易接近的領域。

圖一。發動機進氣歧管，列印在ULTEM-9085上

圖二。零件定位，以避免在不可接近的區域出現任何內部支撐

2.箱形支架

在最近的軟體升級中，Insight增加了創建框支持的能力。支撐結構由相鄰的長方體組成，而不是由連續的柵格組成，這有助於更容易地分離支撐，但會降低構建時間。根據我的經驗，這種支持策略確實有助於移除——這裏要考慮的一個參數是“穿孔”設置，儘管該部分使用了默認值。穿孔是一層模型材料，其被插入到支撐物中以使支撐物材料更容易斷裂。圖3中的所有解理面都在穿孔邊緣，你可以看到類似建築的結構，每個樓層都有一層模型材料。當在難以接近的區域中有支撐時，考慮增加間隔高度，以確保在穿孔層上的支撐內發生分離之前，在零件上的模型-支撐介面處獲得分離。

圖3。從ULTEM-9085零件上拆除後的箱支架

3.優化工藝參數

雖然方向對你所需要的支撐有最重要的影響，但另一個需要注意的變數是“自我支撐角度”參數。該角度是從水準方向測量的，表示將在沒有支撐的情況下構建的零件壁的最小角度。因此，為了降低支撐要求，您希望該數值盡可能低，以便更大體積的零件可以自支撐。Stratasys建議使用默認值，但這些值是輪廓寬度和層厚度的函數，如圖4所示。對於0.013”的層厚度，這些值在40度處降至最低，對於0.010”的層厚度，這些值在43度處降至最低。因此，在其他條件相同的情況下，通過選擇0.013”的層厚和0.026”或更大的輪廓寬度，可以減少所需的支撐。請注意，這兩者都會影響您解析薄壁和精細特徵的能力，因此請確保您掃描所有刀具路徑，以驗證幾何圖形是否已準確填充。

圖4。該圖顯示了自支撐角度的默認值如何作為ULTEM可用的兩個層厚度選項的輪廓寬度的函數而變化。角度越小，需要的支撐越少。

4.立即拆除支架

當模型-支撐介面很熱時，最好移除支撐。最佳時間是從印刷室中取出零件後，ULTEM-9085的印刷室溫度保持在195°C。確保戴上安全眼鏡，戴上隔熱手套，並準備好鉗子拔出支架。理論上，零件可以再次重新加熱(175°C是烤箱的合理溫度)，但Stratasys認為，每次重新加熱迴圈實際上都加強了介面，使其更難去除。因此，移除支架的最佳時間是立即離開印表機。圖5顯示了進氣歧管零件支架拆除的結果，包括構件表。

圖5。當你和冷卻部件爭分奪秒的時候，支撐物的移除可能是一件混亂的事情。確保你戴上手套、鉗子和安全眼鏡。

5.其他觀察:分離的介面

這有助於形象化我們在移除支撐時想要做的事情。這裏有兩個介面，如圖6所示。一個是模型-支撐介面，另一個是支撐-盒結構介面。我們需要在模型支撐介面處進行分離，因為如果箱形支撐已經斷裂(如下圖所示)，移除薄的介面材料會很困難。這意味著當你移除支撐時，你不僅需要拉動支撐，還需要增加一些剝離力來產生分離。一旦你在正確的介面上創造了分離，你就可以拉動支撐物，並且應該有適當的解理。

圖6。(頂部)支架-模型介面，和(底部)支架結構介面——在前一個介面分離是很重要的

需要記住的最後一點是，在某些情況下，取消內部支撐可能是不可能的，如下圖7中不同部分所示。重點是消除鉗子夠不到的地方的支撐，並獲得足夠的剝離力。在下面的例子中，我選擇在大開口處有支撐，因為我有足夠的空間接近它們。通過練習，您將更好地瞭解哪些支撐可以移除，哪些不可以移除，並在列印前使用這種直覺來更好地設計和處理佈局決策。