Kappaleiden 3D-tulostaminen ilman tukirakenteita
Seppälä, Heikki (2023)
Seppälä, Heikki
2023
Teknisten tieteiden kandidaattiohjelma - Bachelor's Programme in Engineering Sciences
Tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunta - Faculty of Engineering and Natural Sciences
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2023-05-29
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305256158
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tuni-202305256158
Tiivistelmä
Muovia sulattavilla Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-tulostimilla voidaan valmistaa objekteja, joilla on erittäin monimutkaisia geometrioita. Tiettyjä rajoituksia 3D-tulostettaviin geometrioihin liittyy, koska 3D-tulostimet eivät voi tulostaa materiaalia tyhjän päälle. Yleisesti ottaen 3D-tulostimilla pystyy tulostamaan 45 asteen kulmassa olevia ulkonevia rakenteita, mutta tätä suuremmilla kulmilla tulostusmateriaali alkaa valumaan ja tulostus epäonnistuu. Tallaisiin objekteihin täytyy yleensä tulostaa alle tukirakenne, jotta objekti saadaan tulostettua. Tukirakenteiden tulostaminen lisää tulostusaikaa, ja niitä saattaa olla hankala poistaa kappaleesta, kun tulostus on valmis. Tässä kandidaatintyössä tutustutaan ratkaisuihin, joilla FDM-tulostimilla pystytään tulostamaan ilman tukirakenteita kappaleita, joissa on jopa vaakatasossa olevia ulkonevia rakenteita.
Mekaanisissa ratkaisuissa 3D-tulostimessa on enemmän kuin kolme liikeakselia. Tallaisia ratkaisuja ovat esimerkiksi robottikäteen asennettu tulostuspää tai neliakselinen RotBot-tulostin. Mekaanisilla ratkaisuilla voidaan tulostaa erittäin monimutkaisia rakenteita täysin ilman tukirakenteita epätasomaisen tulostuksen avulla, joka tekee tulostuskappaleista myös vahvempia. Ongelma moniakselisissa tulostimissa on se, että niiden ohjelmointi on paljon haastavampaa kuin tavallisten kolmiakselisten tulostimien ohjelmointi.
G-koodipohjaiset ratkaisut toimivat normaaleilla kolmiakselisilla tulostimilla. Nämä ratkaisut perustuvat siihen, että tulostimen toimintaohje, niin kutsuttu G-koodi, muokataan sellaiseksi, että tulostuskerrokset saavat tukea edellisiltä kerroksilta eivätkä ala valumaan. Näitä ratkaisuja testataan tässä kandidaatintyössä myös käytännössä tulostamalla erilaisia testikappaleita. Ensimmäinen G-koodipohjainen ratkaisu on kartionmalliset tulostustasot. Tässä ratkaisussa kappaleet tulostetaan käyttäen kartionmallisia tulostuskerroksia tasokerrosten sijaan. Näin voidaan tulostaa jopa vaakatasossa olevia ulkonevia rakenteita täysin ilman tukirakenteita. Toinen ratkaisu on kaaritulostus, jossa ulkonevaan suuntaan tulostetaan kasvavia kaaria vierekkäin, jolloin kaaret tukevat toisiaan. Tätä ratkaisua ollaan implementoimassa käytössä oleviin slicer-ohjelmiin.
Yhteenvetona voidaan sanoa, että niin mekaanisissa kuin G-koodipohjaisissa ratkaisuissa ulkonevien rakenteiden tulostamiseksi tulostimen ohjelmointi on tärkeää. Ulkonevia muotoja voidaan tulostaa tavallisella kolmiakselisella tulostimella, kunhan G-koodi on siihen sopiva. Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-printing can be used to manufacture objects with very complex geometry. But certain limitations have to be taken into consideration when designing and printing objects. 3D-printers can’t extrude material on a thin air. Commonly 3D-printers can print overhangs in 45-degrees, but anything closer to horizontal the extruded material will start drooping down. Usually overhangs require support structure printed underneath them, but printing supports structures takes time and material. This thesis will investigate solutions to print overhanging structures without supports on an FDM-printers.
On mechanical solutions there are more than three movement axels on the printer. For example, FDM-printhead attached to a robot arm or four axes RotBot-printer. With mechanical solutions it is possible to print very complex structures without supports, because with more axels, printer can print objects in any rotation. Objects can also be printed with non-planar shells, instead of stacking X-Y-planes in Z-direction. Objects printed in non-planar way would also be much stronger compared to normally printed parts. The problem with mechanical solutions is that they are much harder to program. Crating G-code for a robot arm or multi axel printer is harder and usually requires special software.
G-code based solutions for printing overhangs work well on a normal three axel printers. In these solutions print instructions for the machines, so called G-code, is altered such a way that printers can print even horizontal overhangs without any support structures. In this thesis these solutions are tested by printing various test objects. First solution is to print cone shaped shells, instead of X-Y-layers. This solution is originally for RotBot-printer, but it works with ordinary printers as well, but printhead geometry has to be taken into consideration when printing non-planar shells. The other solution is to print arcs that grow from the center. In this solution only the overhanging plane has to be special, rest of the object can be printed using normally sliced G-code. This solution is relatively easy to code, and 3D-printing community has already started to implement it to slicer-softwares.
Conclusion: Printing overhangs without support structures is not mechanically very challenging. It can be done with robot arms and multi axel printers, but also with normal three axel printers. The difficult part of printing overhangs without support structures is creating G-code for that purpose.
Mekaanisissa ratkaisuissa 3D-tulostimessa on enemmän kuin kolme liikeakselia. Tallaisia ratkaisuja ovat esimerkiksi robottikäteen asennettu tulostuspää tai neliakselinen RotBot-tulostin. Mekaanisilla ratkaisuilla voidaan tulostaa erittäin monimutkaisia rakenteita täysin ilman tukirakenteita epätasomaisen tulostuksen avulla, joka tekee tulostuskappaleista myös vahvempia. Ongelma moniakselisissa tulostimissa on se, että niiden ohjelmointi on paljon haastavampaa kuin tavallisten kolmiakselisten tulostimien ohjelmointi.
G-koodipohjaiset ratkaisut toimivat normaaleilla kolmiakselisilla tulostimilla. Nämä ratkaisut perustuvat siihen, että tulostimen toimintaohje, niin kutsuttu G-koodi, muokataan sellaiseksi, että tulostuskerrokset saavat tukea edellisiltä kerroksilta eivätkä ala valumaan. Näitä ratkaisuja testataan tässä kandidaatintyössä myös käytännössä tulostamalla erilaisia testikappaleita. Ensimmäinen G-koodipohjainen ratkaisu on kartionmalliset tulostustasot. Tässä ratkaisussa kappaleet tulostetaan käyttäen kartionmallisia tulostuskerroksia tasokerrosten sijaan. Näin voidaan tulostaa jopa vaakatasossa olevia ulkonevia rakenteita täysin ilman tukirakenteita. Toinen ratkaisu on kaaritulostus, jossa ulkonevaan suuntaan tulostetaan kasvavia kaaria vierekkäin, jolloin kaaret tukevat toisiaan. Tätä ratkaisua ollaan implementoimassa käytössä oleviin slicer-ohjelmiin.
Yhteenvetona voidaan sanoa, että niin mekaanisissa kuin G-koodipohjaisissa ratkaisuissa ulkonevien rakenteiden tulostamiseksi tulostimen ohjelmointi on tärkeää. Ulkonevia muotoja voidaan tulostaa tavallisella kolmiakselisella tulostimella, kunhan G-koodi on siihen sopiva.
On mechanical solutions there are more than three movement axels on the printer. For example, FDM-printhead attached to a robot arm or four axes RotBot-printer. With mechanical solutions it is possible to print very complex structures without supports, because with more axels, printer can print objects in any rotation. Objects can also be printed with non-planar shells, instead of stacking X-Y-planes in Z-direction. Objects printed in non-planar way would also be much stronger compared to normally printed parts. The problem with mechanical solutions is that they are much harder to program. Crating G-code for a robot arm or multi axel printer is harder and usually requires special software.
G-code based solutions for printing overhangs work well on a normal three axel printers. In these solutions print instructions for the machines, so called G-code, is altered such a way that printers can print even horizontal overhangs without any support structures. In this thesis these solutions are tested by printing various test objects. First solution is to print cone shaped shells, instead of X-Y-layers. This solution is originally for RotBot-printer, but it works with ordinary printers as well, but printhead geometry has to be taken into consideration when printing non-planar shells. The other solution is to print arcs that grow from the center. In this solution only the overhanging plane has to be special, rest of the object can be printed using normally sliced G-code. This solution is relatively easy to code, and 3D-printing community has already started to implement it to slicer-softwares.
Conclusion: Printing overhangs without support structures is not mechanically very challenging. It can be done with robot arms and multi axel printers, but also with normal three axel printers. The difficult part of printing overhangs without support structures is creating G-code for that purpose.
Kokoelmat
- Kandidaatintutkielmat [8709]