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Design guidelines for 3D printing – part II: Design tips to excel print quality

Design guidelines for 3D printing – part II: Design tips to excel print quality
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Design guidelines for 3D printing – part II: Design tips to excel print quality
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{:en}In the current rapidly advancing era of home-based manufacturing, it is a requisite for every one of us to understand the intricacies of 3D printing and adapt our designs in order to get sound prints. Previously in the article Design guidelines for 3D printing – design tips to improve quality of print, we saw some basic guidelines to be followed to obtain good quality prints. Now we explore further in order to better control and customise our prints.

Directional strengthening
The parts produced by 3D printing are generally anisotropic, i.e. they exhibit directional properties. It is a layer by layer process, with each layer in the x-y plane (horizontal plane) joined together along the z axis (vertical direction). Due to this process, there is very good adherence within a layer than between the layers. The end effect is that the part exhibits very good tensile and compressive strengths along x-y direction, and poor strength along z direction. So if you design a part which has to carry some load or withstand some stress, ensure that the orientation of the part is designed in such a way that the load acting direction lies along x or y directions.

Design orientation for directional strength
Design orientation for directional strength

Threads
Threads are extremely useful to create assemblies. But good care has to be taken in order not to spoil the threading features. Sharp edges and perpendicular surfaces (90 degree angles) act as high stress concentrators, hence they need to be avoided. Minimum threading size of at least 0.8 or 1 mm is recommendable. Also standardised ACME threads are known to work quite well with 3D printing; hence they can be used with adequate tolerance for the mating parts.

Acme thread
Acme thread

Another technique is to use external threaded inserts. Normally you can add a nut, washer or any insert after the part is printed. But in case you need a nut embedded inside the body of the part, just create a cavity or hole that will contain the nut. Ensure that the dimensions of the cavity are not smaller than that of the nut. Then as the part is getting printed, pause the print, place the nut in its cavity and continue the print. In this way the nut is now integrated with your part.



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Labelling
Minimum font size that can be printed using 3D printing is generally 14pt, but it really differs with respect to the accuracy of individual machine. Try to avoid fonts with serifs and keep it simple. Small decorative flourish at the end of the strokes of letters and numbers of such serifs might make the font illegible.

Example of printable font sizes (Source: Pinshape)
Example of printable font sizes (Source: Pinshape)

Avoid long solids
High residual stresses get built up in parts shaped like big cuboids. Provide enough spacing and air gaps, to enable easy dissipation of heat. Generally in big closed solid structures, the edges cool down faster than the centre, and this imbalance in heat distribution leads to accumulation of thermal stresses, which might lead to warpage even before the print gets finished.

Avoidance of thermal stresses
Avoidance of thermal stresses

Ribs and bosses
It is always better to add ribs and bosses to parts at sharp corners. This rule is applicable also in conventional manufacturing, as any sharp corner in a component acts as a stress concentrator. By avoiding sharp edges with chamfers and bosses, the part gets more durable, besides being safe to handle.

Fillet1

Space between structures
Sometimes when you want to print something like a chain link or a ball and socket joint, the spacing between the members have to be carefully assigned. Too small a gap might make the parts stick with each other. Generally 0.4mm spacing is recommendable for ABS, the larger the gap, the better the relative motion.

Integrated ball & socket joint (Source: Thingiverse)
Integrated ball & socket joint (Source: Thingiverse)



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Pythagoras theorem helps
Finally just a basic fact. If a rectangular object of length larger than the machine’s allowable building dimensions needs to be printed, build it in two parts and assemble them, or build it diagonally across the building platform. The diagonal of a square is always greater than its sides!

pythagoras

Such guidelines and tips are never limited, and keep evolving as and when the underlying technical intricacies present themselves in the form of new problems and challenges. All it needs is few trial and error experiments and an approach from a different perspective. These iterations would eventually lead to the formation of a virtual algorithm, with which any design can be printed without flaws at the first shot. Watch out for more ideas blendable with 3D printing!{:}{:es}

En la actual era del rápido avance de la industria manufacturera en el hogar, es un requisito para cada uno de nosotros el entender las complejidades de la impresión 3D y adaptar nuestros diseños con el fin de obtener impresiones eficientes. Anteriormente, en el artículo Directrices de diseño de artículos para la impresión en 3D - consejos de diseño para mejorar la calidad de impresión, vimos algunas pautas básicas que deben seguirse para obtener impresiones de buena calidad. Ahora exploramos más con el fin de mejorar el control y personalizar nuestras impresiones.

Fortalecimiento direccional

Las piezas producidas mediante impresión 3D son generalmente anisotrópicas, es decir, que presentan propiedades direccionales. Este es un proceso de capa por capa, con cada capa en el plano x-y (plano horizontal) unidas a lo largo del eje z (dirección vertical). Debido a este proceso, hay una mejor adherencia dentro de una capa que entre las capas en sí. El efecto final es que las partes exhiben muy buena resistencia a la tracción y compresión a lo largo de la dirección x-y, y una resistencia muy pobre a lo largo de la dirección z. Así que si quieres diseñar una parte que tiene que llevar alguna carga o soportar algo de estrés, asegúrate de que la orientación de la pieza sea diseñada de tal manera que la dirección de la carga que actúa se encuentre a lo largo de X o Y.

 

Orientación de diseño para una resistencia direccional: carga actuando en dirección vertical – poca resistencia; Carga actuando en dirección horizontal – buena resistencia
Orientación de diseño para una resistencia direccional: carga actuando en dirección vertical – poca resistencia; Carga actuando en dirección horizontal – buena resistencia

Cuerdas

Las cuerdas son extremadamente útiles para crear montajes. Pero tiene que tomarse mucho cuidado con el fin de no estropear las características de roscado. Los bordes afilados y las superficies perpendiculares (ángulos de 90 grados) actúan como concentradores de alta tensión, por lo tanto, tienen que ser evitados. Es recomendable un roscado mínimo de al menos 0,8 o 1 mm. Las roscas ACME también son conocidas para trabajar bastante bien con la impresión en 3D; por lo tanto pueden ser utilizadas con la tolerancia adecuada para las partes en contacto

Acme thread

 

Rosca ACM

Otra técnica es el uso externo de insertos de rosca. Normalmente se puede añadir una tuerca, la arandela o cualquier inserto una vez impresa la parte. Pero en caso de que necesite una tuerca incrustada dentro del cuerpo de  la pieza, basta con crear una cavidad o agujero que va a contener la tuerca. Asegúrate de que las dimensiones de la cavidad no sean menores que las de la tuerca. Entonces, mientras la pieza está siendo impresa, se pausa la impresión, para colocar la tuerca en su cavidad y continuar con la impresión. De esta manera, la tuerca se integra ahora con tu pieza

 

Etiquetado

El tamaño de fuente mínimo que se puede imprimir utilizando la impresión 3D es generalmente de 14 pt, pero en realidad se diferencia con respecto a la exactitud de la máquina individual. Trate de evitar las fuentes con remates y mantenla sencilla. Los detalles artísticos al final de los trazos de las letras y los números de tales remates podrían hacer que la fuente sea ilegible.

 Ejemplo de tamaños de fuente imprimibles (Fuente: Pinshape)
Ejemplo de tamaños de fuente imprimibles (Fuente: Pinshape)

Evitar sólidos largos

Las altas tensiones residuales se construyen en las partes en forma de grandes cuboides. Provee suficiente espaciado y huecos de aire, para permitir una fácil disipación de calor. En general, en grandes estructuras sólidas cerradas, los bordes se enfrían más rápido que el centro, y este desequilibrio en la distribución de calor conduce a la acumulación de tensiones térmicas, lo que podría conducir a la deformación incluso antes de que la impresión se haya terminado.

 La evitación de tensiones térmicas: cuerpo sólido largo – acumulación de tensiones; disipación de calor uniforme.
La evitación de tensiones térmicas: cuerpo sólido largo – acumulación de tensiones; disipación de calor uniforme.

 

 

Ribs and bosses

Es siempre mejor es añadir fillets a las piezas en esquinas afiladas. Esta regla es aplicable también en la fabricación convencional, ya que cualquier esquina aguda actúa como un concentrador de tensiones en un componente. Al evitar los bordes afilados como los chaflanes y bordes afilados la parte se vuelve más duradera, además de ser segura de manejar.

Bordes afilados: acumulación de tensión; Bordes curveados
Bordes afilados: acumulación de tensión; Bordes curveados

Espaciado entre estructuras
A veces cuando se quiere imprimir algo así como un eslabón de cadena o una articulación de rótula, la separación entre los miembros tiene que ser cuidadosamente asignada. Una brecha muy pequeña podría hacer que las partes se adhieren entre sí. Generalmente 0,4 mm de espaciado es recomendable para ABS, cuanto mayor sea la diferencia, mejor es el movimiento relativo.

Bola integrada y zócalo conjunto(Fuente: Thingiverse)
Bola integrada y zócalo conjunto(Fuente: Thingiverse)

 

El teorema de Pitágoras ayuda
Finalmente sólo un hecho básico. Si un objeto rectangular de longitud mayor que las dimensiones de construcción admitidas por la máquina necesita ser impreso, construirla en dos partes y ensamblarlas, o construir diagonalmente a través de la bandeja de construcción. ¡La diagonal de un cuadrado es siempre mayor que sus lados

Bandeja de construcción; Parte
Bandeja de construcción; Parte

Tales directrices y consejos nunca están limitados, y siguen evolucionando a medida que las complejidades técnicas subyacentes se presentan en forma de nuevos problemas y retos. Todo lo que necesita es unos poco de ensayo y error, y una aproximación desde una perspectiva diferente. Estas iteraciones eventualmente llevarían a la formación de un algoritmo virtual, con el que cualquier diseño se puede imprimir sin defectos al primer disparo. Busca más ideas con la impresión en 3D!

Traducido por: Diana Lizbeth Segura Parra

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Written by 

Engineer and 3D printing enthusiast, experimenting with technologies and materials associated with additive manufacturing

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