Ontwerpen met de 3D-printer in gedachten

In het vorige hoofdstuk heb je gezien dat ventilatieopeningen niet alleen gaten in een wand zijn. Hun vorm, plaats en onderlinge afstand bepalen mede hoe stevig je behuizing blijft.

Daarmee kwamen we eigenlijk al bij een belangrijk punt: een ontwerp kan er in Tinkercad prima uitzien, maar uiteindelijk moet het nog wel door een echte 3D-printer worden gemaakt.

En een 3D-printer bouwt een onderdeel niet op dezelfde manier als jij het op het scherm bekijkt.

De printer ziet geen complete behuizing.

Hij ziet laagjes.

Eerst één laag kunststof. Daar bovenop een volgende. En daarna nog honderden of duizenden lagen.

Dat betekent dat de richting waarin je print, de vorm van uitstekende delen, de wanddikte en zelfs de plaats van een gat invloed hebben op het uiteindelijke resultaat.

In dit hoofdstuk ga je daarom niet zozeer leren hoe je een vorm tekent, maar vooral hoe je een vorm ontwerpt die prettig te printen is.

Dat verschil lijkt klein, maar het voorkomt later veel mislukte prints.

Een 3D-printer bouwt van onder naar boven

Bij de meeste hobbyprinters wordt gesmolten kunststof door een kleine opening, de nozzle, op het printbed gelegd.

De printer maakt eerst de onderste laag.

Daar bovenop komt de volgende laag.

En zo groeit het onderdeel langzaam omhoog.

Dat proces heet meestal FDM-printen of FFF-printen. De precieze afkorting is voor deze gids minder belangrijk dan het principe:

Iedere nieuwe laag heeft iets nodig waarop hij kan rusten.

Dat is meteen één van de belangrijkste ontwerpregels voor 3D-printen.

Stel dat je in Tinkercad een eenvoudige rechthoekige behuizing maakt.

De bodem ligt plat op het printbed en de vier wanden groeien recht omhoog.

Dat is voor een printer relatief gemakkelijk.

Maar nu voeg je aan de binnenkant halverwege de wand een horizontaal plankje toe.

Op het scherm lijkt daar niets vreemds aan.

Voor de printer betekent het iets anders.

Hij zou de eerste laag van dat plankje gedeeltelijk in de lucht moeten leggen.

En gesmolten kunststof blijft niet zomaar netjes horizontaal in de lucht hangen.

Dit soort vormen noemen we overhangs.

Overhangs: wanneer kunststof te ver naar buiten hangt

Een overhang ontstaat wanneer een nieuwe laag verder naar buiten steekt dan de laag eronder.

Een kleine overhang is meestal geen probleem.

De printer kan iedere nieuwe laag een beetje laten uitsteken.

Maar hoe verder de kunststof zonder ondersteuning naar buiten moet worden gelegd, hoe groter de kans dat de onderkant gaat doorhangen.

Een bekend praktisch uitgangspunt is ongeveer 45 graden.

Dat is geen natuurwet.

De werkelijke grens hangt af van onder andere:

je printer;
het gebruikte materiaal;
de laaghoogte;
de temperatuur;
de koeling;
de snelheid waarmee je print.

Maar voor het ontwerpen van eenvoudige behuizingen is 45 graden een bruikbare vuistregel.

Een eenvoudig experiment

Teken in Tinkercad een wand van bijvoorbeeld 3 mm dik.

Plaats daar bovenop een tweede vorm die telkens iets verder naar buiten steekt.

Kijk vervolgens vanaf de zijkant naar je ontwerp.

Vraag jezelf af:

Rust iedere nieuwe laag grotendeels op de vorige laag?

Als het antwoord ja is, is de vorm waarschijnlijk redelijk eenvoudig te printen.

Als een deel plotseling horizontaal de lucht in steekt, heb je waarschijnlijk ondersteuning nodig.

Support: nuttig, maar liever niet als het niet nodig is

Een slicer kan onder moeilijke overhangs tijdelijk extra materiaal laten printen.

Dat heet support of ondersteuningsmateriaal.

Na het printen breek of snijd je dat materiaal weer weg.

Support maakt vormen mogelijk die anders niet of nauwelijks geprint kunnen worden.

Maar support heeft nadelen.

Het kost extra:

materiaal;
printtijd;
nabewerking.

Bovendien wordt het oppervlak dat op support rust meestal minder mooi dan een oppervlak dat rechtstreeks op een vorige laag wordt geprint.

Daarom is het bij een behuizing vaak beter om eerst te kijken of je de vorm anders kunt ontwerpen.

Niet omdat support verboden is, maar omdat een ontwerp zonder onnodige ondersteuning meestal eenvoudiger en voorspelbaarder print.

Denk al tijdens het tekenen na over de printrichting

Een belangrijk begrip hierbij is de printoriëntatie.

Dat is simpelweg de stand waarin het onderdeel op het printbed komt te liggen.

Een behuizing die rechtop staat, kan heel anders printen dan dezelfde behuizing die op zijn zijkant ligt.

Neem een eenvoudige open elektronicabehuizing.

Als je hem met de bodem op het printbed zet:

ligt er een groot vlak op het bed;
groeien de wanden recht omhoog;
blijft de binnenkant grotendeels vrij van support.

Dat is meestal een gunstige oriëntatie.

Draai je dezelfde behuizing ondersteboven, dan moet de printer plotseling het volledige dak boven een lege binnenruimte maken.

Dat is veel lastiger.

Voorspel voordat je exporteert

Maak er een gewoonte van om in Tinkercad eerst te bedenken:

Welke kant wordt straks de onderkant tijdens het printen?

Draai je camera vervolgens zodat je het model ongeveer vanuit die richting bekijkt.

Loop dan mentaal van onder naar boven door het onderdeel.

Vraag bij iedere uitstekende vorm:

Waar rust deze laag op?

Dat kost maar enkele seconden en helpt verrassend veel problemen al vóór de proefprint te ontdekken.

Een groot vlak op het printbed helpt

Het eerste contact tussen model en printbed is belangrijk.

Wanneer een onderdeel maar op een heel klein vlak staat, kan het tijdens het printen gemakkelijker loskomen.

Een brede vlakke bodem is meestal eenvoudiger.

Voor veel behuizingen is dat gelukkig vanzelf al het geval.

Een doosvormige behuizing heeft immers meestal een vlakke onderzijde.

Toch kun je jezelf problemen bezorgen door bijvoorbeeld:

grote afrondingen aan de onderkant te maken;
uitstekende voetjes als laagste punt te gebruiken;
decoratieve vormen onder de bodem te plaatsen.

Daarmee verklein je soms ongemerkt het contactoppervlak.

Afrondingen zijn niet altijd verkeerd

Een kleine afgeronde rand kan prima werken.

Maar bekijk de vorm altijd vanuit de printer.

Wanneer de bodem langzaam vanuit een klein punt naar buiten groeit, worden de eerste lagen moeilijker.

Een afschuining van ongeveer 45 graden is vaak gemakkelijker te printen dan een sterke ronde vorm.

Zo'n schuine rand noemen we een chamfer of afschuining.

Een afgeronde rand wordt vaak een fillet genoemd.

Tinkercad gebruikt deze termen niet overal even nadrukkelijk, maar je zult ze in andere CAD-programma's en slicers regelmatig tegenkomen.

Horizontale gaten zijn lastiger dan verticale gaten

Ook de richting van gaten maakt verschil.

Stel dat je een gat maakt voor een M3-bout.

Wanneer dat gat verticaal door de bodem loopt, print de printer iedere laag als een klein rond contour.

Dat gaat meestal redelijk goed.

Maak je hetzelfde gat horizontaal door een zijwand, dan moet de printer aan de bovenzijde van het gat steeds verder over een lege ruimte heen printen.

Een perfect rond gat is daardoor vanuit printoogpunt minder ideaal.

Voor kleine gaten lukt dit vaak nog prima.

Bij grotere horizontale gaten kan de bovenkant gaan vervormen.

Een druppelvorm kan soms beter printen

Een interessante oplossing is een gat waarvan de bovenzijde niet rond maar puntvormig is.

Denk aan de vorm van een druppel met de punt omhoog.

De schuine zijden van de bovenkant ondersteunen zichzelf beter dan een volledig ronde boog.

Voor een zichtbare connectoropening wil je dat natuurlijk niet altijd.

Maar voor interne kabeldoorvoeren of functionele gaten kan zo'n vorm handig zijn.

Je hoeft deze techniek niet overal toe te passen.

Het belangrijkste is dat je begrijpt waarom een horizontaal gat anders print dan een verticaal gat.

Bridges: korte afstanden door de lucht overbruggen

Niet iedere horizontale opening heeft direct support nodig.

Een 3D-printer kan soms kunststof van het ene steunpunt naar het andere trekken.

Dat heet bridging.

De printer maakt dan letterlijk een klein bruggetje.

Stel dat je boven een rechthoekige opening een horizontale bovenrand hebt.

Als de afstand klein genoeg is, kan de printer deze opening vaak zonder support overbruggen.

Bij grotere afstanden wordt dat moeilijker.

Hoe goed bridging werkt hangt sterk af van de printerinstellingen en het materiaal.

Gebruik het daarom niet als excuus om grote plafonds boven lege ruimtes te ontwerpen.

Een korte brug kan handig zijn.

Een volledig dak boven een brede lege behuizing is iets anders.

Laagrichting bepaalt ook de sterkte

Tot nu toe ging het vooral over de vraag of een vorm geprint kan worden.

Maar de printoriëntatie beïnvloedt ook de sterkte.

Een geprint onderdeel bestaat uit lagen kunststof die aan elkaar zijn gehecht.

Binnen één laag kan een onderdeel behoorlijk sterk zijn.

Tussen twee lagen is de verbinding vaak minder sterk.

Je kunt dit vergelijken met een stapel dunne plaatjes.

Trekken in de richting van de plaatjes is iets anders dan proberen de plaatjes van elkaar los te trekken.

Voor een gewone elektronicabehuizing hoef je hier geen ingewikkelde sterkteberekeningen voor te maken.

Maar bij onderdelen die mechanisch worden belast, is het wel belangrijk.

Denk bijvoorbeeld aan:

kliklipjes;
montageoren;
scharnieren;
klemmen;
beugels;
uitstekende bevestigingspunten.

Een kliklip als voorbeeld

Stel dat je een dun kliklipje ontwerpt dat bij montage een beetje naar buiten moet buigen.

Als de laaglijnen ongunstig door het lipje lopen, kan het precies tussen twee lagen breken.

Draai je het onderdeel anders tijdens het printen, dan kunnen de filamentbanen juist beter in de lengterichting van het lipje lopen.

Hetzelfde ontwerp kan daardoor merkbaar sterker worden.

Daarom is de vraag niet alleen:

Kan ik dit zo printen?

Maar ook:

In welke richting wordt dit onderdeel straks belast?

Schroefpilaren opnieuw bekijken vanuit de printer

In een eerder hoofdstuk heb je schroefpilaren gemaakt.

Nu kun je daar met nieuwe ogen naar kijken.

Een verticale schroefpilaar die vanaf de bodem omhoog loopt is meestal prettig te printen.

Iedere laag rust op de laag eronder.

Een horizontale cilinder die uit een zijwand steekt is veel lastiger.

Ook de verbinding tussen een pilaar en de bodem verdient aandacht.

Een dunne pilaar die abrupt uit een vlakke bodem omhoogkomt, kan relatief gemakkelijk afbreken.

Je kunt de overgang sterker maken met een kleine versteviging.

Bijvoorbeeld:

een bredere voet;
driehoekige ribben;
een geleidelijke overgang.

Dat verdeelt de krachten over een groter gebied.

Dit sluit aan op wat je eerder hebt geleerd over verstevigingen: extra materiaal is vooral nuttig wanneer je het op de juiste plaats toevoegt.

Vermijd onnodig massieve delen

Bij traditioneel vervaardigde onderdelen denk je misschien dat een dik blok kunststof automatisch sterker is.

Bij 3D-printen ligt dat genuanceerder.

Een zeer dikke wand:

gebruikt meer materiaal;
duurt langer om te printen;
kan sterker krimpen;
kan maatproblemen veroorzaken;
is lang niet altijd nodig.

De slicer bepaalt bovendien hoe de binnenkant van massieve gebieden wordt gevuld.

Dat gebeurt vaak met een gedeeltelijke interne structuur, de infill.

Je hoeft een behuizing daarom niet als één enorm massief blok te ontwerpen.

Een goed opgebouwde constructie met:

passende wanddikte;
ribben;
verstevigingen;
goed geplaatste schroefpunten

is meestal veel efficiënter.

Wanddikte en nozzle horen bij elkaar

Bij veel hobbyprinters wordt een nozzle van 0,4 mm gebruikt.

Dat betekent niet dat iedere wand exact een veelvoud van 0,4 mm moet zijn, maar het is wel verstandig om te beseffen dat de printer wanden opbouwt uit afzonderlijke banen kunststof.

Een extreem dunne wand kan daardoor problemen geven.

Een wand van bijvoorbeeld 0,3 mm ziet er in Tinkercad gewoon uit als een wand.

De printer kan daar met een standaard nozzle weinig mee.

Een wand van enkele millimeters is veel realistischer voor een praktische behuizing.

Je hebt eerder al gekeken naar wanddikte vanuit sterkte.

Nu komt daar dus een tweede vraag bij:

Kan mijn printer deze geometrie betrouwbaar maken?

Later, in de slicer, kun je dit nog beter controleren.

Tekst en kleine details verdwijnen sneller dan je denkt

Tinkercad laat kleine letters, logo's en richeltjes prachtig zien wanneer je ver inzoomt.

Een printer heeft echter een fysieke grens.

Een reliëf van een paar honderdsten van een millimeter bestaat op het scherm wel, maar kan niet zinvol worden geprint.

Hetzelfde geldt voor:

zeer dunne letters;
extreem kleine gleuven;
scherpe miniatuurrandjes;
fijne decoratieve patronen.

Bij functionele behuizingen is dat meestal geen probleem.

Gebruik liever duidelijke vormen.

Wil je bijvoorbeeld labels als:

USB;
POWER;
RESET;
SENSOR

op een behuizing zetten, maak ze dan niet kleiner of fijner dan nodig.

Een proefprint is hier vaak waardevoller dan eindeloos naar het scherm kijken.

Een schuine wand kan slimmer zijn dan een horizontaal plafond

Stel dat je aan de binnenkant ruimte wilt maken voor een connector.

Je maakt daarom een uitsparing met bovenaan een horizontaal vlak.

Dat vlak hangt gedeeltelijk boven de connectorruimte.

Je zou support kunnen gebruiken.

Maar soms kun je de binnenzijde ook schuin laten oplopen.

In plaats van:

| |

|_______|

maak je bijvoorbeeld:

| /

|____/

Functioneel kan de ruimte vrijwel hetzelfde blijven.

Voor de printer is de tweede vorm vaak veel eenvoudiger.

Dit principe kom je bij 3D-printontwerpen voortdurend tegen:

Pas de geometrie aan zodat het model zichzelf ondersteunt.

Dat is vaak een betere oplossing dan achteraf met slicerinstellingen proberen een moeilijk ontwerp toch geprint te krijgen.

Splits een ingewikkelde behuizing wanneer dat logischer is

Niet iedere behuizing hoeft uit één onderdeel te bestaan.

Soms probeer je tijdens het ontwerpen koste wat kost alles in één print te stoppen.

Daarmee kun je jezelf onnodig moeilijke overhangs bezorgen.

Een behuizing kan bijvoorbeeld bestaan uit:

een hoofddeel;
een deksel;
een connectorplaatje;
een sensorhouder;
een aparte montagebeugel.

Losse onderdelen kun je ieder in hun gunstigste richting printen.

Daarna monteer je ze.

Dat kan met:

schroeven;
klikverbindingen;
schuifverbindingen;
inserts.

Je hebt een groot deel van die technieken inmiddels al gezien.

Een ontwerp opdelen is daarom geen teken dat het ontwerp mislukt is.

Soms is het juist de meest praktische oplossing.

Ontwerp voor jouw printer, niet voor een denkbeeldige perfecte printer

Bij het tekenen is het verleidelijk om algemene regels heel precies te volgen.

Maar uiteindelijk print je op een echte machine.

Misschien gebruik je een oudere Ender 5.

Misschien een modernere printer.

Misschien print je met PLA, terwijl je voor een andere behuizing PETG gebruikt.

Die combinaties gedragen zich niet allemaal hetzelfde.

Daarom is testen onderdeel van het ontwerpen.

Niet iets wat pas gebeurt nadat het ontwerpen klaar is.

Werk met kleine proefstukken

Stel dat je niet weet welke passing goed werkt voor een klikverbinding.

Print dan niet meteen een complete behuizing van zes uur.

Maak een klein teststuk met alleen die verbinding.

Hetzelfde kun je doen voor:

een schroefgat;
een heat-set insert;
een ventilatiesleuf;
een connectoropening;
een kliklip;
een schuifpassing.

Een proefstuk van twintig minuten kan je uren printtijd besparen.

Verander steeds één ding

Dat principe heb je in deze gids al vaker gebruikt.

Ook bij 3D-printen werkt het goed.

Stel dat een deksel te strak past.

Je kunt vervolgens tegelijkertijd:

de opening groter maken;
het deksel kleiner maken;
de wanddikte veranderen;
de printtemperatuur aanpassen;
de printsnelheid wijzigen.

Als het daarna goed past, weet je nog steeds niet waardoor.

Verander liever één parameter.

Bijvoorbeeld alleen de speling tussen de twee delen.

Print opnieuw.

Controleer.

Daarna weet je wat die ene wijziging heeft gedaan.

Een mislukte proefprint is dan geen weggegooid materiaal.

Het is meetinformatie.

De printer vertelt je iets over je ontwerp

Stel dat een horizontale connectoropening aan de bovenkant wat doorhangt.

Je kunt dat zien als een slechte print.

Maar je kunt ook vragen:

Wat vertelt deze fout mij?

Misschien is de overspanning te groot.

Misschien kun je de opening een andere vorm geven.

Misschien kan het onderdeel anders op het printbed liggen.

Misschien is support hier wel de eenvoudigste oplossing.

Door zo te kijken, wordt printen onderdeel van het ontwerpproces.

Je werkt niet meer volgens:

tekenen → printen → klaar

maar eerder volgens:

ontwerpen → voorspellen → printen → waarnemen → aanpassen → opnieuw controleren

Dat lijkt misschien langzamer.

In de praktijk kom je daarmee juist sneller tot een bruikbaar ontwerp.

Een voorbeeld uit De Werkplaats

Stel dat we voor De Werkplaats een kleine behuizing maken voor een ESP32 met een SHT41-sensor.

De behuizing heeft:

een vlakke bodem;
vier wanden;
schroefpilaren voor de printplaat;
ventilatiesleuven bij de sensor;
een USB-opening;
een geschroefd deksel.

Kijk nu nog eens naar het volledige model, maar ditmaal vanuit de 3D-printer.

De bodem

De bodem ligt vlak op het printbed.

Dat is gunstig.

De wanden

De wanden lopen recht omhoog.

Ook dat is eenvoudig.

De schroefpilaren

Ze beginnen op de bodem en groeien verticaal omhoog.

Prima.

De ventilatieopeningen

De sleuven zijn niet te groot en er blijft voldoende materiaal tussen zitten.

Daardoor blijven ze zowel constructief als qua printbaarheid redelijk eenvoudig.

De USB-opening

Deze zit horizontaal door de zijwand.

Hier moet je extra opletten.

Is de bovenkant een lange horizontale brug?

Kun je de opening iets afronden of afschuinen?

Is de overspanning klein genoeg?

Het deksel

Dat print je als apart onderdeel.

Je kunt het daarom in een eigen gunstige richting op het printbed leggen.

Door het model zo onderdeel voor onderdeel te beoordelen, wordt vrij snel duidelijk waar de echte risico's zitten.

Maak vóór de export een printbaarheidscontrole

Voordat je straks het model als STL-bestand exporteert, kun je een korte controle uitvoeren.

Kijk eerst naar de onderkant.

Is er een logisch vlak dat op het printbed kan liggen?

Bekijk daarna het model van onder naar boven.

Zie je plotseling uitstekende horizontale delen?

Controleer vervolgens de gaten.

Welke gaten lopen verticaal?

Welke horizontaal?

Kijk naar kliklipjes, montageoren en andere delen die kracht moeten opnemen.

Ligt hun oriëntatie logisch ten opzichte van de laaglijnen?

Controleer tenslotte de kleinste details.

Zijn ze echt groot genoeg om geprint te worden?

Je hoeft op dit moment nog niet ieder probleem perfect op te lossen.

Het doel is vooral dat je ze leert herkennen.

Ontwerpen voor productie begint al in Tinkercad

Je zou kunnen denken dat zaken als support, laaghoogte en printoriëntatie pas belangrijk worden wanneer je het model in de slicer opent.

Maar op dat moment ligt een groot deel van de geometrie al vast.

Een slicer kan veel.

Hij kan support toevoegen.

Hij kan de infill wijzigen.

Hij kan een print langzamer laten verlopen.

Maar hij kan van een slecht gekozen vorm niet automatisch een goed ontworpen vorm maken.

Daarom begint goed 3D-printen al tijdens het tekenen.

Je ontwerpt niet alleen een digitale behuizing.

Je ontwerpt een voorwerp dat laag voor laag gebouwd moet kunnen worden.

Dat is een andere manier van kijken.

En juist die manier van kijken maakt het verschil tussen een model dat er alleen op het scherm goed uitziet en een behuizing die je daadwerkelijk kunt gebruiken.

Wat je uit dit hoofdstuk kunt meenemen

Een 3D-printer bouwt je behuizing laag voor laag van onder naar boven. Daardoor is de vorm van een onderdeel niet het enige dat telt. Ook de stand waarin je het print heeft invloed op het resultaat.

Probeer grote overhangs en onnodige support zoveel mogelijk te voorkomen. Schuine vlakken en zelfondersteunende vormen zijn vaak eenvoudiger te printen dan horizontale uitstekende delen.

Houd rekening met horizontale gaten, bruggen en kleine details. Wat in Tinkercad duidelijk zichtbaar is, hoeft niet automatisch goed printbaar te zijn.

Denk bij mechanisch belaste onderdelen ook aan de laagrichting. Vooral kliklipjes, montageoren en andere dunne constructies kunnen sterk afhankelijk zijn van hun printoriëntatie.

En vooral: beschouw een proefprint niet alleen als een eindcontrole. Een proefprint is een meetinstrument. Je voorspelt wat er zal gebeuren, print het onderdeel, kijkt wat er werkelijk gebeurt en verandert daarna één ding tegelijk.

Je ontwerp is nu ver genoeg uitgewerkt om de digitale wereld van Tinkercad te verlaten.

In het volgende hoofdstuk gaan we daarom kijken naar Van Tinkercad naar STL en je eerste proefprint. Daar exporteer je het model, open je het in de slicer en controleer je voor het eerst hoe de printer jouw ontwerp daadwerkelijk zal gaan opbouwen.