Технологии 3D печати

Даже если у вас нет 3D принтера, то он наверняка есть где то рядом с вами. Даже в мелких районных центрах найдутся либо конторы, либо энтузиасты с данным аппаратом, которые за денежку или за слово доброе вам напечатают что угодно. Остается только принести им модель…

Но не все так просто. 3D печать имеет ряд нюансов которые понятны только тем, кто на этом принтере уже напечатал гору разного барахла, прошелся по куче граблей и набил шишек. Поэтому я и решил сделать такую вот обзорную статью, чтобы человек, который не имея принтера и опыта работы с ним, захочет заказать кому-нибудь печатную деталь сразу учел ряд моментов еще на этапе проектирования.

▌В чем строить
Для печати нужна модель. Нам же принтер нужен не для того, чтобы печатать готовые модельки всяких гномиков с Thingiverse, да? А для решения наших производственных и бытовых проблем. Потому решение задачи надо разработать и нарисовать.

Почему то, при упоминании 3Д моделирования все сразу вспоминают 3DSMax, Blender или Skethcup. Да, не спорю. В этих прогах можно нарисовать искомое. Но они для этих целей подходят не очень хорошо.

Дело в том, что все системы рисования предназначены для создания картинок на экране монитора, а не в физическом воплощении. Поэтому все ваши модели, построенные в рисовалках, внутри пустотелые. Т.е. если в модели удалить какой-нибудь полигон, то внутрь модели можно заглянуть, как в елочную игрушку. И в сложной модели запросто могут быть дырки в полигонах, налезания плоскостей друга на друга и так далее. Особенно если модель сложная, с кривыми поверхностями и строится из кучи других обьектов поменьше. Так как вся работа в этих средах идет с полигонами, то наделать дыр там раз плюнуть и даже не заметишь как.

Для построения картинки на экране это не принципиально. Но при попытке сунуть такую кривую модель в слайсер (программа для генерации G-code 3D принтера) у того может сорвать крышу и он вам выдаст полную чушь. Или попытается исправить ошибку как разумеет и выдаст вам модель с косяками.

Вот модель с дыркой:

А вот как ее попытался нарезать слайсер:

Вон какую канаву прокопал.


И это еще самый простой и очевидный случай. Бывает из-за какого-то незаметного налезания полигона на полигон в пару микрон вся модель в слайсере превращается в кашу.

Да, есть всякие сервисы и программы вроде Netfab или MeshLab которые могут править такие косяки, но не лучше ли сразу попытаться избежать таких проблем?

Для построения деталей лучше использовать инструмент не художника, а инженера. CAD системы. Их великое множество. Autodesk Fusion360 (по нему я пилю обучалку), Autodesk Inventor, SolidWorks, Компас 3D… есть несколько opensource решений разной степени допиленности. В общем, много их. Я топлю за Fusion 360, но другие не хуже. Главное то, что множество операций которые в «дизайнерских» системах потребуют кучу телодвижений в «инженерных» делаются в один клик. Справедливо и наоборот, конечно. Но это если вы собрались художку рисовать. А я же про детали.

В отличии от рисовалок, тут идет построение не ковырянием полигональных поверхностей, а строгими технологическими действиями. Эскиз, действие, эскиз, действие… В результате у нас практически исключены ошибки поверхности (ни разу не видел, в худшем случае некорректная модель просто не построится).

А еще в CAD системе мы имеем полное дерево построения и если надо будет что-то изменить, скажем диаметр или кривизну поверхности, то сделать это можно будет намного быстрей и проще. А то и вовсе параметризовать всю модель, как в этом видео:

Все ниже сказанное справедливо, в основном, для FDM принтеров, которые печатают наплавлением пластика слой за слоем. Есть еще фотополимерные принтеры, всякие спекания лазером — это все другая вселенная и там свои приколы. Их я не рассматриваю, слишком уж нишевая и редкая техника на сегодняшний момент.

▌Типы пластика
Для 3D печати существует прорва разных пластиков. У них разные приколы с печатью, поэтому не все принтеры могут покрывать широкий спектр их. Опишу самые основные.

ABS. Основной конструкционный пластик современности. Из него сделано подавляющее большинство вещей вокруг нас. Поэтому его физико химические свойства описывать смысла нет, вы и так их все знаете. В 3D печати он тоже один из основных.

Но имеет ряд серьезных недостатков осложняющих печать.
Самый главный косяк этого пластика в довольно большой усадке при охлаждении (около 1%). В результате, если мы печатаем большую деталь (более 5см это уже большая) да еще монолитную или с большим заполнением, то у нас может произойти деламинация — т.е. из-за внутренних напряжений при охлаждении слоев происходит разрывание изделия по слоям. Деталь из ABS постоянно норовит оторваться от стола. Для печати АБСом нужен подогреваемый стол и крайне желательна термокамера, которая будет поддерживать температуру градусов в 60 и изолирует сквозняки.

В общем, если вы решили печатать из ABS, то убедитесь в том, что принтер куда вы это отнесете на печать это сумеет. Либо позаботьтесь о создании изолирующей стены еще на проектировании модели.

Тонкая стенка послужит прообразом термокамеры, защищая изделие от чрезмерно быстрого охлаждения. Разумеется на ее печать уйдет время и пластик, но это лучше чем получить изделие с трещинами. Тем более что в любой CAD системе такую стенку можно сделать буквально за несколько секунд (проекция детали на плоскость эскиза, смещение контура проекции дважды, экструзия на нужную высоту).

Для сглаживания слоев печати можно применять механическую обработку, а также «ацетоновую баню» т.е. деталь парится в парах ацетона и немного оплывает. На 3DToday.ru была хорошая картинка про это:

Адгезия к столу обычно хорошая. Благо способов клеить ABS на стол придумали массу.

PLA
Второй основной пластик для 3D печати. Он ощутимо жесче чем ABS, тверже. Детали из PLA получаются упругие, с четкой геометрией, хорошо держат форму и ломаются с хрустом. PLA почти не имеет усадки при охлаждении, так что с деламинацией там все хорошо даже на больших моделях.

Его можно было бы считать идеальным пластиком для 3D печати, если бы не ряд неприятных свойств. Первое, самое неприятное, то, что он очень быстро размягчается от температуры и начинает плыть. Т.е. градусах на 60-70 он становится мягкий, как резина. Так что если вы напечатаете из PLA, например, держатель для навигатора в машину, то на панели под прямыми солнечными лучами его скрючит. Второе следствие из этого свойства — он очень тяжело обрабатывается шлифованием. При попытке шкурить изделия из PLA вы получите мезкую бахрому, под шкуркой у вас будет кататься непонятная хрень, а нужную форму так и не получите. Шкурить его можно успешно только под водой, под непрерывным охлаждением. Сверлить его тоже сложно, надо очень сильно снижать обороты, чтобы его не начинало наматывать на сверло.
Второе свойство PLA — он биоразлагаем. Его делают из сахарного тростника какого-то и поэтому его с радостью хавают бактерии. Но не все так плохо. Один чел делал из PLA решеточку в аквариум и она прожила там два года, прежде чем аквариумная среда сожрала прутья. В нормальных условиях, без излишней влажности и биологической среды, он проживет очень долго. Парить его можно в дихлорметановой(этановой) бане, но, в отличии от общедоступного ацетона, дихлорметан (или дихлорэтан) надо доставать.
Адгезия к столу очень хорошая.

SBS
Приятный пластик, чем то напоминает по прочности и жесткости, а также на ощупь, полиэтилен из которого крышки для банок делают. Только пожесче и более прозрачный. Впрочем, цвет наполнения может быть разным. Хорош тем, что имеет куда меньшую усадку, а термостойкость чуть ниже чем у ABS. Но он более мягкий чем ABS и уж тем более мягче PLA. Печатать им приятно. Обрабатывается неплохо резаньем, а вот шлифуется также как и полиэтилен. Т.е. стремно, с бахромой. Но зато его можно парить в сольвенте, получая практически прозрачные, гладенькие изделия, как карамельки.
Адгезия хорошая. Приклеить к столу деталь на SBS не велика задача.

Rubber/Flex
Это гибкие пластики. Печатать ими могут далеко не все принтеры, а только те что с direct экструдером, т.е. у которых подающая шестерня находится прям на сопле, а не отделена от сопла трубкой, как в bowden системе. Rubber на ощупь похож на твердоватую резину, черный, гибкий, тянется.

Flex чем то похож на силикон и полиэтилен одновременно, он жесче силикона, но мягче полиэтилена. Из них можно делать всякие прокладки, сальники или мягкие изделия, вроде рукояток для инструмента. Адгезия к столу так себе. Приходится поизобретать чтобы приклеить деталь нормально.

Ceramo
Очень легкий, твердый и хрупкий пластик. Изделия отлично шкурятся и травятся в ацетоне, образуя гладкую поверхность. На ощупь как керамика, а вообще у меня он вызывает ощущение какого то сверхплотного пенопласта. Чем то похож на меламин, из которого детскую посуду делают, но легче.
Из всех пластиков этот, пожалуй, самый жесткий. Если надо сделать конструкцию которая максимально держала бы форму, то наверное ее стоит вылепить из керамо. Адгезия средняя. Приклеить хорошо можно, но он у меня любит отлетать от стола.

Есть еще масса других пластиков, но они куда более редки в использовании, т.к. с ними много геморроя. В первую очередь из-за большой усадки

▌Ориентация при печати
Проектируя печатную деталь надо очень хорошо понимать КАК вы ее будете потом печатать. Критериев тут несколько и все важные.

Первый — прочностный. Напечатанная деталь вдоль слоев намного прочней чем поперек. Т.е. если вы делаете, например, кронштейн, то надо разместить деталь при печати так, чтобы разрывающие силы не были направлены на разделение слоев.


Такой кронштейн удобно печатать, т.к нависаний нет вообще. Более узкие части стоят над широкими. За стол он держится широченным основанием. Но все бесполезно, его сломает при использовании, т.к. слои будут работать на разрыв в самой нагруженной части.

Лучше положить его на бок и печатать так. Да деталь лежит узкой стороной, липнет к столу хуже, есть нависающие элементы, зато каждый слой работает как цельная пластина, сопротивляясь разрыву. В таком положении деталь не уступит литой, а может даже будет более прочной.

При размещении надо держать в голове и тот факт, что деталь надо закрепить каким-то образом на столе. И тут решающее значение имеет адгезия выбранного материала. Если материал толком хрен приклеишь(как, например, Rubber), то чем большей плоскостью деталь будет опираться на стол тем лучше. И, возможно, стоит проектировать деталь таким образом, чтобы она как можно большей плоскостью лежала на столе, а то и добавить специальных технологических плоскостей, которые потом можно удалить.

Например, вот такая деталь. По идее, шарообразное нависание легко печатается без поддержек. Но деталь может оторвать от стола, т.к. точка касания очень мала. А по другому эту деталь трудно положить. Можно сделать Raft — это такой рыхлый коврик, которые печатается на первые слои, а на него уже печатается деталь. Плоскость примыкания растет и все держится. Рафт генерируется слайсером в один клинк, но часто бывает неоптимален, а еще сильно портит деталь, т.к. примыкает к нему сплошной поверхностью. То же касается и автоматически генерируемых поддержек. Поэтому лучше заранее озаботиться и сделать поддержку самому.


Вот такую приблуду, делается в пару кликов через проекцию смещение (да-да, а попробуй по быстрому сделать то же в Blender или в 3DSMax с такой же скоростью), на него сажается наш шар и печатается как одна деталь:

Лапки цепко держатся за стол, а потом тонкие переходы легко обламываются и зачищаются.

Но с другой стороны, если деталь с большой усадкой, например из ABS, будучи большой и плоско лежащей на столе, может из-за охлаждения верхний слоев загнутся так, что края отстанут от стола и получится косая деталь. А то и вовсе оторвет от стола и дальше пойдет «взрыв на макаронной фабрике».

В настройках слайсера можно добавить специальные средства, т.н. Brim — дополнительная окантовка вокруг периметра первого слоя.

Помните про это, что есть такая вещь, но опять же не забыайте, что вам потом ее удалять. И если от детали с простой формой ее отломать довольно легко, то вот очистить от брима, например, шестерню это реально задолбаться можно.

Попробуй их между зубов отколупать.

И третий важный параметр — нависание. Принтер же печатает слой за слоем, укладывая один на другой. Для печати нависающих элементов слой должен за что то держаться. В идеальном случае если это будет предыдущий слой. Большинство принтеров легко дают нависание под 45 градусов и даже до 60 градусов. А также умеют кидать мостки до 30…60мм. Т.е. Вот такие вот элементы:

Обычно будут напечатаны без особых проблем с минимальными потерями качества. В небольших отверстиях слои хорошо держатся друг на друге даже вверху. Мостки тоже часто можно забросить до 60мм, тут конечно надо узнавать у печатника насколько его принтер может кинуть соплю. Так как многое зависит от охлаждения сопла. Насколько там равномерный и эффективный обдув, чтобы нить успевала застывать по мере проброса. Ну и от пластика, само собой.

Нависающие откосы могут печататься практически без ограничений для углов не более 45 градусов. Но если больше, то тут зависит от того как далеко он будет уходить в сторону. Первые несколько миллиметров легко печатаются чуть ли не вплоть до 80, лишь бы слоям можно было друг за друга ухватиться. Но потом они будут либо сваливаться вниз, либо (что чаще) загибаться вверх из-за термических деформаций. Причем даже на PLA, c его низкой усадкой. Уход вверх череват тем, что может зацепиться за сопло или обдув. В результате либо ломается элемент детали, либо деталь срывает со стола, либо сползает стекло/прощелкиваются шаги и теряются координаты.

А вот с такими уже будут проблемы.

В принципе, их принтер напечатает, но он точно запорит несколько слоев, образовав в месте нависания подушку из пластиковой ваты (прутка ушедшего в пустоту и застывшего возле модели) и наваляв поверх нее. Получается убого, но иногда хватает и этого.

Как тут:

Чтобы такой фигней не страдать есть поддержки. Т.е. принтер печатает доп конструкции на которые кладет нависающие элементы.

Слайсер достраивает под нависающими структурами специальные мостки. Они рыхлые, тонкие, печатаются в один проход и вся их задача обеспечить мост для слоя основного пластика.

Вот так оно выглядит внутри. Серое это поддержки.

На это уходит немного дополнительного пластика и довольно много времени. Поэтому хотелось бы, чтобы поддержек было меньше. А еще их надо удалять, что весьма муторно, и они портят поверхность которой касаются. Не всегда, но часто.

▌Итог
В идеале деталь надо проектировать так, чтобы ее можно было напечатать без поддержек (или с минимумом их), но при этом чтобы нагрузка которая ляжет на деталь была направлена вдоль слоев, а сама деталь надежно смогла приклеиться к столу. Но при этом не имела критических нависаний, чтобы обойтись минимум поддержек.

И обо всем этом следует думать еще на этапе проектирования, а не сидеть потом и не ломать голову с печатникому на тему как же ЭТО напечатать с минимальными затратами времени и пластика. Зачастую проще деталь разбить на несколько частей, а части склеить или стянуть шурупами, предварительно предусмотрев для них отверстия.

В следующей части я постараюсь рассказать про структуру печатной модели. Что там определяет основную прочность и как на это лучше всего влиять извне.

26 thoughts on “Технологии 3D печати”

        1. Я пластик обычно не клею. Вообще не люблю клеевые соединения и использую клей только с деревом обычно. Собираю на шурупах и все. Удобно, разборно.

          А вообще абс неплохо клеится обычным ацетоном, он просто сплавляется, а потом ацетон уходит. PLA можно клеить дихлорэтаном, а можно и тупо цианакрилатом или прогреть феном и слепить.

          1. Как показала практика цианакрилат(суперклей) отлично склеивает напечатанные детали. Свою лепту вносят шероховатости и микро-раковины на поверхности детали.

            Пока лучше всего зарекомендовали себя универсальные клеи Loctitе 461(точно не помню цифру).
            Прочность склейки — сравнима с монолитно отпечатанной деталью. Иногда лень заморачиваться с поддержкой, печатаю две детали и потом склеиваю, прочность отличная. Также отлично склеивает с металлами, можно вклеить гайку либо шайбу. А используя технологию суперклей + сода прочность вообще зашкаливает, можно делать объемный шов.
            Также хорошо позволяет подлечить расслоившиеся ABS детали.

  1. Впервые начал пользовать подобную программу.
    Новый скейтч, выбор плоскости, рисование скейтча, эскруция… получаются необходимые очертания детали.
    Но вот когда доходит дело до удаления, перемещения, добавления элементов детали, в голове возникают непонятки.
    Почему не могу переместить? Почему не могу удалить?

    1. Удалить нельзя так как ломается дерево. Есть Remove (скрытие из списка тел) и можно скрыть из видимости еще. Перемещается легко — операция move. А что за проблемы с добавлением?

        1. Ну ты когда делаешь изменения у тебя обьект за обьектом добавляется в список событий правок. Это образует дерево изменений (хотя дерево оно в компасе ,а тут скорей цепь) А вообще, там можно удалить что угодно. Через список элементов тот что сбоку, где эскзиы все. Там же и тела. Вот оттуда удаляется что угодно.

          1. Аааааа, начинаю понимать.
            В Fusion 360 реализована парадигма параметрического моделирования, где построение модели ведётся путём её модификации с сохранением истории модификаций.
            А я же пытался моделировать способом прямого моделирования, в котором любое последующее действие при моделировании производится на текущем состоянии модели, и то, откуда взялась та или иная геометрия, не играет никакой роли.

              1. Согласен, в DesignSpark Mechanical прямое моделирование гораздо интуитивней для новичков, чем параметрическое в Fusion 360. Для себя выбрал прямое моделирование, заканчиваю корпус для поделки, который неделю не мог сделать при параметрическом моделировании.

                    1. Если модель сложной формы ,то ее часто проще переделать заново, чем корректировать.

      1. Если подсовывать, то не получится монолитного каркаса. Т.е. его совсем не получится по определению, исходя из технологии. Разве что какие-то отдельные армирующие элементы.
        А вот существуют ли какие-то армирующие добавки в пластик? Типа микрофибры: длинные волокна, прочные на разрыв, с шероховатой поверхностью, хорошо сцепляющиеся с материалом.

Добавить комментарий