Thiết kế cho cái đầu phun, không phải cho màn hình

Phần lớn bài in thất bại mà chúng tôi được nhờ xem lại đều không phải lỗi thông số. Chi tiết được vẽ như thể nó sẽ được phay ra từ một khối nhựa: lỗ đúng số nguyên, góc vuông sắc, thành 1,5 mm cho gọn, một mặt vươn 60° vì trong CAD nó nhìn không có gì đáng lo. Đầu phun thì không đọc bản vẽ — nó chỉ đắp được nhựa lên chỗ đã có nhựa. Bài này nói về những chỗ hai cách nhìn đó lệch nhau, và về cách sửa chúng ở bản vẽ, nơi việc sửa gần như miễn phí.

Năm ngưỡng nên có trong đầu khi đang vẽ

Vươn: vì sao mốc lại là 45°

Con số 45° được nhắc nhiều đến mức nghe như một định luật. Nó không phải. Hướng dẫn của Protolabs Network giải thích cơ chế: ở góc 45°, phần đường nhựa mới đắp được đỡ bởi đúng 50 % bề rộng của đường bên dưới — đủ để bám và đủ để không xệ. Vượt qua đó, phần chìa ra ngoài lớn hơn phần được đỡ, và đường nhựa bắt đầu phình xuống, tách khỏi đầu phun.

Có một kiểu hỏng thứ hai ở mặt vươn mà ít người gọi đúng tên: cuộn mép. Ở rìa mặt vươn, đường nhựa mới ngày càng mỏng nên nguội không đều, và chênh lệch co ngót kéo nó vểnh lên. Điều đó nghĩa là mặt vươn hỏng không chỉ vì góc mà còn vì làm mát và vì vật liệu — cùng một góc 55° có thể sạch trên PLA với quạt đầy và xấu trên ABS trong buồng kín.

Bắc cầu: 5 mm rồi tính chuyện khác

Bắc cầu xảy ra khi đầu phun phải đi từ điểm tựa này sang điểm tựa kia mà bên dưới trống. Hai chỗ hay gặp nhất là lỗ nằm ngang trên thành và mặt trên của một hốc rỗng. Protolabs Network nêu rõ: do bản chất của FDM, vết xệ hoặc vết do support để lại gần như luôn có mặt ở mức độ nào đó, trừ khi cầu ngắn hơn 5 mm. Nói cách khác, dưới 5 mm bạn có thể bỏ qua; trên 5 mm thì phải chọn: chấp nhận vết, chia mảnh, hoặc hậu xử lý.

Cách rẻ nhất thường là cách thứ ba mà ít ai nghĩ tới đầu tiên: đổi hướng chi tiết. Một lỗ nằm ngang cần support để in; quay chi tiết 90° là lỗ đó thành lỗ đứng và support biến mất — kèm theo là một vấn đề khác, vì lỗ đứng lại in nhỏ hơn thiết kế.

Lỗ đứng luôn nhỏ hơn số bạn vẽ

Đây là chỗ người mới thường nghĩ máy sai. Cơ chế thì rất cơ khí: khi đầu phun đi vòng theo chu vi lỗ, nó ép đường nhựa vừa đắp xuống lớp bên dưới để hai lớp bám vào nhau. Lực ép đó làm mặt cắt đường nhựa từ tròn bẹt thành dẹt và rộng hơn — bám tốt hơn, nhưng phần rộng thêm ăn vào lòng lỗ. Kết quả là đường kính lỗ nhỏ hơn số trong bản vẽ, và lỗ càng nhỏ thì tỷ lệ sai càng lớn, vì tỷ số giữa đường kính lỗ và đường kính đầu phun càng bất lợi.

Phần mềm cắt lớp có bù việc này, nhưng mức bù thay đổi theo phần mềm, theo máy, theo cỡ lỗ và theo vật liệu. Khuyến nghị của Protolabs Network khi kích thước lỗ là quan trọng rất thẳng thắn: in lỗ nhỏ hơn cỡ cần, rồi khoan lại đúng đường kính. Với lỗ bắt bu lông đi xuyên, cách này gần như luôn nhanh hơn ba lần in thử.

Bề dày thành là bội số của đường in

Đây là ngưỡng duy nhất trong bài không đến từ hình dạng máy mà từ cách phần mềm chia đường. Một đầu phun 0,4 mm thường đắp đường rộng khoảng 0,42 – 0,45 mm. Thành 1,2 mm chia đúng ba đường; thành 1,5 mm chia được ba đường và còn lại một khe hẹp mà phần mềm phải tự quyết định — lấp bằng một đường mỏng, giãn ba đường ra cho vừa, hoặc để hở. Cả ba lựa chọn đều làm thành yếu hơn và bề mặt xấu hơn so với một thành vẽ đúng bội số.

Cách xử lý của mỗi phần mềm với phần dư đó là một thông số riêng, và các lựa chọn ấy được mô tả trong cẩm nang. Nhưng thông số chỉ chọn cách xử lý một vấn đề mà bản vẽ đã tạo ra. Đặt bề dày thành theo đầu phun bạn thật sự dùng thì vấn đề đó không tồn tại.

Góc, chân voi và mép chạm bàn

Vì đầu phun có tiết diện tròn, mọi góc và mọi cạnh in ra đều có bán kính bằng cỡ đầu phun — không có góc vuông tuyệt đối trên chi tiết FDM. Ở lớp đầu tiên còn thêm một hiệu ứng nữa: cùng lực ép đã làm lỗ đứng bị nhỏ lại làm mép dưới của chi tiết loe ra ngoài kích thước danh nghĩa. Đó là chân voi, và nó là lý do rất hay gặp khi hai chi tiết in xong không lắp được vào nhau dù bản vẽ khớp.

Khuyến nghị của Protolabs Network là đưa một vát 45° hoặc một bán kính vào mọi cạnh chạm mặt bàn khi kích thước tổng thể hoặc việc lắp ghép là quan trọng. Nó có ba tác dụng cùng lúc: chân voi không còn nằm ở mặt lắp, mép chi tiết không còn là chỗ nứt bắt đầu khi có tải, và cái nạo dễ đi vào bên dưới khi gỡ chi tiết. Cách xử lý chân voi từ phía thông số và mặt bàn thì nằm ở bài bám dính lớp đầu.

Chốt nhỏ là chỗ hỏng có thể đoán trước

Chốt định vị hay trụ bắt vít nhìn trong CAD thì rất hợp lý. Vấn đề nằm ở chỗ chúng được in ra thế nào. Protolabs Network mô tả sự khác biệt: chốt lớn hơn 5 mm đường kính được in gồm cả thành và phần lấp bên trong, nên nối liền khối với phần còn lại của chi tiết; chốt nhỏ hơn 5 mm có thể chỉ gồm thành, không có gì bên trong, tạo ra một chỗ gián đoạn giữa chốt và thân — và đó là chỗ nó gãy. Ở trường hợp xấu nhất, chốt quá nhỏ không in ra được vì không đủ nhựa để lớp mới bám vào.

• —Bo chân chốt. Một bán kính nhỏ ở chân xoá điểm tập trung ứng suất và thêm vật liệu đúng chỗ chịu lực uốn lớn nhất.
• —Với chốt nhỏ và quan trọng, đừng in chốt. In một lỗ ở đúng vị trí đó, khoan lại đúng cỡ, rồi cắm chốt kim loại mua sẵn.
• —Ren thì cấy, đừng in. Với lỗ bắt vít chịu tháo ra lắp vào nhiều lần, ốc cấy nhiệt bền hơn ren in — quy trình ở bài dán và cấy ren.

Hướng in là một quyết định thiết kế

Chi tiết FDM khoẻ theo phương XY và yếu theo phương Z, vì mối nối giữa hai lớp là chỗ có tiết diện liên tục ít nhất. Protolabs Network diễn tả nguyên nhân theo hình học: mỗi đường in có mặt cắt như một hình chữ nhật hai đầu tròn, nên chỗ tiếp giáp giữa các lớp thật ra là những rãnh nhỏ, và mỗi rãnh là một điểm tập trung ứng suất có khuynh hướng nứt.

Hệ quả thực tế là hướng in phải được chọn theo hướng của lực, không theo hướng nào cho bề mặt đẹp nhất hay in nhanh nhất. Một cái móc treo in đứng có thể yếu hơn một nửa so với chính nó in nằm. Đây là chỗ nên đọc kèm bài thông số in tăng độ bền — và cũng là chỗ nói lại một điều đã nói ở bài chọn nhựa: đổi hướng in thường cải thiện độ bền nhiều hơn đổi sang một loại nhựa đắt hơn.

Sửa một mặt vươn trong CAD mất ba phút. Sửa nó bằng thông số mất ba lần in, và lần nào cũng có vết.

Chia mảnh: khi hai chi tiết tốt hơn một

Chia một mô hình thành nhiều mảnh nghe như thất bại, nhưng thường là quyết định đúng: nó xoá luôn các mặt vươn cần support, cho phép mỗi mảnh in ở hướng khoẻ nhất của nó, và biến một bài in 14 giờ có thể hỏng thành bốn bài in ngắn. Protolabs Network nêu việc chia mảnh cùng với việc đổi hướng lỗ và chọn hướng in như ba việc cùng làm giảm chi phí, giảm thời gian và tăng độ bền. Cách dán các mảnh lại — kể cả với ABS và với PLA, hai chuyện khác nhau — nằm ở bài dán và cấy ren.

1. 01

   Đặt chi tiết vào hướng của lực trước, rồi mới nhìn support

   Câu hỏi đầu tiên không phải in thế nào cho ít support, mà lực sẽ đi qua chi tiết theo hướng nào. Lớp phải vuông góc với hướng lực kéo tách chúng ra.

2. 02

   Đánh dấu mọi mặt vươn quá 45° và hỏi vì sao chúng ở đó

   Phần nhiều mặt vươn có thể vát đi, bo lại hoặc chuyển thành một mặt nghiêng 45° mà chức năng không đổi. Số còn lại là chỗ cần support thật.

3. 03

   Đổi lỗ nằm ngang thành lỗ đứng nếu được

   Support trong lỗ nằm ngang khó gỡ và để lại mặt trong nhám. Khi phải chọn giữa nhiều lỗ, ưu tiên theo thứ tự: lỗ bít, rồi lỗ nhỏ trước lỗ lớn, rồi mới đến lỗ có kích thước quan trọng nhất.

4. 04

   Vát mọi mép chạm bàn

   45° hoặc một bán kính. Việc này mất một lệnh trong CAD và tiết kiệm một buổi chà mép.

5. 05

   Đặt bề dày thành theo đầu phun sẽ dùng

   Bội số của bề rộng đường in. Nếu chưa biết sẽ in trên đầu phun nào, hãy vẽ theo 0,4 mm — đó là cỡ phổ biến nhất và là cỡ dễ đổi lên nhất.

6. 06

   In một mẫu cắt của chỗ khó, đừng in cả chi tiết

   Nếu chỉ có một mặt vươn và một cặp lỗ đáng lo, hãy cắt riêng vùng đó thành một khối nhỏ và in nó. Mười lăm phút thay cho một bài in cả đêm.

Khe hở lắp ghép là con số phải đo, không phải con số phải đoán

Hai chi tiết lắp vào nhau không phụ thuộc vào một quy tắc thiết kế mà vào bốn thứ cộng lại: chân voi ở lớp đầu, mức bù lỗ của phần mềm, co ngót của vật liệu, và bề rộng đường in thực tế. Vì thế khe hở khởi điểm là một bảng, và bảng đó nằm ở cẩm nang cùng với ghi chú rằng nó là điểm khởi đầu chứ không phải dung sai cam kết. Sau khi đã đo lại tỷ lệ đùn theo bài hiệu chỉnh, con số đó mới ổn định đủ để đưa vào bản vẽ.