Juhendid
CNC treimine
CNC treimine on tõhus ja täpne meetod silindriliste detailide tootmiseks. Selle protsessi käigus pöörleb toorik suurel kiirusel ning lõikeriist eemaldab materjali soovitud kuju saavutamiseks. Treimise edukus sõltub aga suurel määral sellest, kui hästi disain arvestab protsessi piirangutega. Eelkõige tuleb vältida pikkade ja peente detailide kujundamist, kuna sellised detailid painduvad töötluse ajal kergesti. Paindumine mitte ainult ei raskenda mõõdutäpsuse saavutamist, vaid tekitab ka vibratsiooni, mis avaldab negatiivset mõju pinnakvaliteedile. Sageli on just läbipaine üks peamisi põhjuseid, miks tööaeg pikeneb ja hind tõuseb. Ebastabiilsete geomeetriate korral suureneb ka lõiketööriistade kulumine, mis omakorda mõjutab tootmise järjepidevust ja kuluefektiivsust. Disainijoonistel tuleb alati välja tuua ka maksimaalne aktsepteeritav pinnakaredus. Paljud kliendid eeldavad, et viimistlus peab olema peegelsile, kuid see ei pruugi alati olla tehniliselt või majanduslikult põhjendatud. Äärmiselt siledad pinnad nõuavad täiendavat töötlust, mis tähendab rohkem tööetappe ja suuremat ajakulu. Kui funktsionaalsus ei nõua kõrget pinnakvaliteeti, on soovitatav jääda standardse pinnakareduseni, mis CNC treimisel on tavaliselt vahemikus Ra 1,6–3,2 µm.
Materjalivalik ja selle lõikamisomadused mõjutavad samuti pinnakvaliteedi saavutamist, näiteks roostevaba teras vajab teistsuguseid lõikeparameetreid kui alumiiniumisulamid. Lisaks tuleb arvestada avade puurimise piirangutega. Kui ava sügavuse ja läbimõõdu suhe on liiga suur, võib tekkida olukord, kus puuri jäikus ei ole piisav ning ava kaldub soovitud trajektoorist kõrvale. See omakorda mõjutab mõõtetäpsust ja võib põhjustada praagi. Eelistada tuleks suure läbimõõduga puure, mis võimaldavad kiiremat ja stabiilsemat töötlemist. Heaks tavaks on kasutada sammastatud eeltöötlust, kus kõigepealt tehakse lühikese puuri abil suunav ava, et tagada lõplikule puurile optimaalne stabiilsus ja suund. Täiendava kvaliteedi ja tõhususe saavutamiseks on soovitatav kasutada faase kõikides välis ja siseservades. Faasid mitte ainult ei paranda visuaalset muljet, vaid aitavad vältida teravaid jääke, mille eemaldamine nõuaks lisatööd.
Lisaks täidavad faasid olulist funktsiooni koostetäpsuse tagamisel, eriti juhul, kui detaili servad peavad sobituma teise komponenti või läbima katmisprotsesse.
CNC freesimine
CNC freesimine on paindlik ja täpne töötlemismeetod, mida kasutatakse väga erinevate geomeetriatega detailide valmistamiseks. Freesimise protsessis pöörleb lõikeriist, samas kui toorik jääb staatiliseks või liigub mööda määratud trajektoori. Disainietapis tuleb arvestada, et keerukam geomeetria ei pruugi alati olla tootmistehniliselt ratsionaalne. Dekoratiivsed elemendid nagu reljeefid, sisselõiked ja mitmetasandilised kalded võivad küll visuaalselt lisada väärtust, kuid nende tootmine nõuab tihti spetsiaalseid tööriistu ja pikemat tööaega, mis omakorda suurendavad hinda. Seetõttu on soovitatav eelistada minimalistlikku ja funktsionaalset disaini, mis täidab oma eesmärki võimalikult väikese ressursikuluga. Funktsionaalsusest lähtuv disain vähendab tööoperatsioonide arvu ning optimeerib töötlustsükleid, mis avaldab otsest mõju tootmise ajagraafikule ja kuludele.
Sisenurkade kujundamisel tuleb arvestada, et lõikeriistad on tavaliselt silindrikujulised. Teravaid sisenurki ei ole CNC freesimisega võimalik täpselt saavutada, selle asemel tuleks kasutada siseraadiuseid, mis vastavad kasutatava tööriista raadiusele. Sobiva raadiuse kasutamine mitte ainult ei paranda töötlemise sujuvust, vaid pikendab ka tööriista eluiga. Samuti soovitatakse kõigil ülemistel servadel kasutada faase, see lihtsustab viimistlust, vähendab teravuste tõttu tekkivaid pingekoldeid ja hoiab kokku töötlemisaega. Ebaõigesti määratletud nurkade ja raadiuste korral võib tööriist kohata ootamatut koormust, mis põhjustab vibratsiooni ja geomeetrilisi kõrvalekaldeid.
Vältida tuleks ekstreemselt õhukeste seinte disainimist, eriti kui need ei ole mehhaaniliselt toestatud. Liiga kõrged ja õhukesed seinad on altid vibratsioonile ja kõverdumisele, mis võib põhjustada mõõtmete kõrvalekaldeid või isegi materjali murdumist. Praktilise rusikareeglina võib kasutada seinte laiuse ja kõrguse suhet kuni 1:3. Pidev seina jäikuse arvestamine disainifaasis tagab parema stabiilsuse ning välistab vajaduse täiendava tugevdusviimistluse järele.
Samuti ei ole soovitatav kavandada keerulisi sisekanaleid, CNC freesimine võimaldab küll sirgeid süvistusi, kuid ei võimalda tööriistal materjali sees kõveralt liikuda. Kui on vaja sisemisi kanaleid, tuleks kaaluda 3D printimise kasutamist alternatiivina. Erikujuliste kanalite või kurviliste süvistuste vajadusel tuleks tootmisinseneriga koos analüüsida, kas komponent jagada mitmeks töötlusüksuseks või kasutada hübriidtootmist.
3D printimine
3D printimine on tehnoloogia, mis võimaldab toota keeruka geomeetriaga detaile, mida traditsiooniliste töötlusmeetoditega on keeruline või võimatu valmistada. Kuigi geomeetriline vabadus on märkimisväärne, ei tähenda see, et kõik disainid oleksid tootmiskõlblikud või funktsionaalsed. Tooteinseneri ülesanne on arvestada 3D printimise tehnoloogiliste eripäradega, et vähendada järeltöötlusvajadust ja tagada konstruktsiooni tugevus ning mõõdutäpsus. Näiteks tuleb jälgida minimaalsete elementide mõõtmeid: tihvtid ja eendid peaksid olema vähemalt 0,8 mm ning avad minimaalselt 1,5 mm, et tagada printimise täpsus ja detailide töökindlus.
Üks olulisemaid tegureid on seinapaksus. Kui mudeli erinevates osades on seinad väga erineva paksusega, tekivad soojuspaisumisest tingitud pinged, mis võivad põhjustada deformatsioone, pragunemist või kõverdumist. Soovitatav on hoida võimalikult ühtlane seinapaksus kogu mudeli ulatuses. Lisaks ei tohi seinad olla liialt õhukesed, see suurendab mehaanilist ebastabiilsust ja muudab toote hapraks. Samuti on oluline kasutada faase ja ümardusi, et vähendada teravaid servi, mis toimivad pingepunktidena ja võivad põhjustada struktuurilisi kahjustusi valminud tootes.
Disainiprotsessis on soovitatav optimeerida ka materjalikulu. Kuigi mudel esitatakse tarkvaras täiskehana, määratakse printimisel täituvusprotsent, mis mõjutab nii kaalu, materjalikulu kui ka toote termilist stabiilsust. Tasapinnaliste pindade kõverdumise vähendamiseks soovitatakse kasutada tugevdusribasid. Lisaks tuleb meeles pidada, et keerukamad geomeetriad toovad endaga kaasa suurema väändumis- ja pragunemisohu. Vajadusel tasub detail jaotada mitmeks osaks ja kasutada tugistruktuure. Lõpuks, sobiva materjali valik on määrava tähtsusega, igal materjalil on erinevad mehaanilised ja termilised omadused. Materjali valimisel tuleb lähtuda toote kasutusotstarbest, koormusolukorrast ja soovitud vastupidavusest.
Üldised disainipõhimõtted CNC ja 3D tootmisprotsessides
Kuigi CNC töötlus ja 3D printimine kasutavad tehniliselt erinevaid lähenemisi, vastavalt materjali eemaldamist ja lisamist, kehtivad mitmed üldised disainipõhimõtted mõlemas tootmismeetodis. Toodete insenerid, kes neid mõistavad ja rakendavad, saavutavad mitte ainult parema kvaliteediga tulemused, vaid suudavad ka oluliselt optimeerida tootmisaega ja kulusid. Üks olulisemaid ühisjooni on vajadus tootmissõbraliku geomeetria järele. Näiteks on nii CNC freesimisel kui ka 3D printimisel soovitatav vältida keerukaid sisenurki, mille töötlemine või printimine võib osutuda keeruliseks. Samuti on igati mõistlik vältida liigseid teravaid servi ja kasutada nende asemel faase või ümardusi. Teravad nurgad ei ole üksnes töömahukad, vaid loovad ka pingekoldeid, mis võivad põhjustada pragunemist või mõõtmetäpsuse kadumist.
Lisaks geomeetrilisele lihtsusele on oluline arvestada tolerantside ja töötlemisjärgsete protsesside vajadusega. Kõrget täpsust nõudvad elemendid tuleks kavandada selliselt, et neid oleks võimalik vajadusel viimistleda, näiteks jätta natuke materjali üle, et kriitilised pinnad saaks pärast töötlust lihvida või puurida. Samuti tasub joonistel täpselt määrata, millised pinnad vajavad kõrgemat viimistlust ja millised mitte, et vältida ületootmist ja liigset kulu.
Olulist rolli mängib ka osade orienteerimine tootmisprotsessis. Nii CNC töötlemisel kui ka 3D printimisel võib detaili asend mõjutada tööriista ligipääsu, materjali kadu, kuumutuse ühtlust ja lõpuks kogu toote kvaliteeti. Seetõttu peaks disainiprotsessis alati kaasama ka tootmisinseneri või masinaoperaatori, kellel on kogemus konkreetse seadme ja tehnoloogia rakendamisel. Koostööl põhinev lähenemine aitab ennetada kulukaid ümbertegemisi ning tagab, et disain ei ole mitte ainult teostatav, vaid ka kulutõhus ja töökindel.