3D модель, фрагмент 3d модель с сеткой

Фрагмент сетки Напечатанный объект

По этой причине, всегда лучше проверять наши модели на подобные проблемы перед нарезкой, и это может быть сделано с бесплатной программой netfabb Studio Basic⁴¹, доступной для Windows, Mac и Linux.

Если обнаружились проблемы, они могут быть исправлены, если вернуться к программе моделирования или использовать netfabb, или при помощи автоматического⁴² метода или вручную⁴³.

Другая очень полезная программа MeshLab⁴⁴, которую можно использовать для анализа и

манипуляций с объектной cеткой элементов⁴⁵), а также преобразовывать STL-файлы в множество других форматов. Эта программа была разработана

итальянским исследовательским институтом ISTI-CNR, совместно со студентами Университета Пизы в Италии и она доступна как открытое программное обеспечение для Windows, Mac и Linux.

(например, чтобы уменьшить ее сложность и число

Программное обеспечение для нарезки

Этот шаг, возможно, самый интересный в долгом процессе движения от идеи к реальному трехмерному объекту, потому что он раскрывает в тончайших и глубочайших подробностях работу 3D принтера по преобразованию грубой пластиковой нити в наши красивые творения. Подготовка 3D модели к печати - это тонкая комбинация технических знаний, науки и искусства, и требуется много времени, чтобы освоить эту процедуру.

Перед печатью нашу модель (сохраненную или экспортированную в STL-файл) следует преобразовать в набор инструкций для принтера (стандартный формат, называемый g-кодом): это задача называется нарезкой (потому что модель «нарезается» на множество тонких горизонтальных слоев, которые будут последовательно напечатаны), выполняется с помощью комплекса программ, называемых слайсерами.

Фактически, информации, содержащейся в STL-файле, мало или она бесполезна для принтера потому, что она содержит лишь длинный список координат <X,Y,Z>, определяющих вершины, составляющие множество многоугольных поверхностей сетки объекта.

Принтеру нужна очень разная информация: движения печатающей головки и/или платформы в различных направлениях X, Y и Z, количество выдавливаемой пластмассы и точное время, когда необходимо начинать и прекращать выдавливание, температура сопла и печатной платформы, и так далее...

Это “преобразование” из координат вершин в команды печати - довольно тяжелая в вычислительном смысле задача, и не может обрабатываться в реальном времени ограниченным процессором самого принтера во время печати, поэтому это должно быть сделано заранее на внешнем компьютере. Другая причина поступать таким образом в том, что такой процесс

нарезки требует целого ряда дополнительных параметров, которые должны быть предоставлены пользователем (например, высота слоя - это лишь самый очевидный, но еще много других), и графический интерфейс реального компьютера делает эту задачу гораздо проще, чем любой из небольших буквенно-цифровых дисплеев с несколькими кнопками, которые обычно находятся на 3D принтерах, если они вообще есть (многих принтеров не имеют интерфейса с пользователем, за исключением USB-подключения к ведущему компьютеру и, может быть, кнопкой питания).

Стандартная процедура нарезки, исходя из вышеописанного, приблизительно такова:

1. запустите программу слайсер на главном компьютере;

2. загрузите STL-файл модели;

3. преобразовывайте/масштабируйте/вращайте модель, пока она не будет правильно позиционирована на рабочей платформе;

4. введите все параметры необходимые для правильной печати;

5. начните процесс нарезки и ждите, пока не будет создан весь g-код;

6. отправьте g-код принтеру через USB соединение или скопируйте его на карту памяти (обычно SD или microSD карта), чтобы загрузить в принтер.

Первые два шага вполне

очевидны, но третий может

потребовать некоторой

дополнительной информации.

Программа нарезки

сконфигурирована со всеми

параметрами 3D принтера,

которые могут понадобиться, поэтому она знает размеры печатной платформы и может продемонстрировать

расположение модели относительно ее. Пользователь может переставлять модель в трех осях, пока она не будет центрирована, и не будет располагаться точно на поверхности основания (она не должна быть «подвешена в воздухе»), а также вращать ее, если нужно. Возможность масштабировать модель также очень полезна, потому что в файле STL единица длины никогда не определяется, поэтому может получиться так, что программа моделирования будет использовать сантиметры, в то время как слайсер ожидает миллиметры, и в результате получится модель в 10 раз меньше, поэтому необходимо учитывать этот фактор. Другая причина немного увеличить масштаб модели (примерно на 0.5 % для ABS, еще меньше для PLA) - это

сжатие пластмассы при остывании при комнатной температуре (тепловой коэффициент

расширения ABS обычно⁴⁶ около 75Ч10−6 °K-1, при условии его затвердевания при 100°C и охлаждения до 25°C, которое дает фактор сжатия примерно 0.5%).

На пятом шаге наша 3D-

модель "нарезается" на множество

горизонтальных слоев,

превращаясь в стопку тонких деталей, каждая из которых обрабатывается отдельно, чтобы рассчитать лучший путь сопла при укладке расплавленной пластмассы в нужных местах; повторяя этот маршрут, печатающая головка практически проделывает такую же работу (т.е. слой за слоем).

Это самая ответственная часть целого процесса печати, потому что заключительное качество напечатанного объекта определяется почти полностью правильным выбором значений для множества различных параметров нарезки. Поэтому четвертый шаг действительно важен, и мы должны изучить значение, по крайней мере, самых важных параметров нарезки. К сожалению, они по-разному названы и определены в различных доступных программах нарезки. Здесь мы обсудим пять наиболее используемых (свободных)программ: Skeinforge, Slic3r, KISSlicer, Cura и MakerWare (все доступны для Windows, Mac и Linux).

Лучший способ для экспериментов с параметрами нарезки, следование логической последовательности. Возможно, лучшая последовательность используется Slic3r: параметры, связанные с моделью принтера (они изменяются только когда изменяется принтер), другие связаны с использованием пластмассовой нити, и наконец, параметры, которые могут быть настроены для определенной печати.

1. Настройка параметров принтера:

• тип принтера / прошивки;

• размер и смещение основания печати, макс. высоты Z: типичные размеры границ

печати обычных принтеров 20x20x20 см;

• количество экструдеров, диаметры их сопел, другие параметры экструдирования.

2. Параметры нити:

• диаметр нити: должен быть точным фактическим измерением, номинальной

величины не достаточно для правильного расчета длины пластмассы для

экструдирования;

• коэффициент пропорциональности (или множитель или плотность укладки):

используется, чтобы компенсировать расширение пластмассы при расплавлении, 1

для PLA и 0.9 или меньше для ABS;

• температура экструдера и платформы (может отличаться для первого слоя)

• вентилятор охлаждения.

3. Параметры печати:

• высота слоя (может отличаться для

первого слоя): обычно от 0.1 мм и до 80% размера сопла, типичное значение - 0.25 мм;

• количество оболочек/периметров

или толщина стенок: увеличение этого значения делает объект более прочным;

• количество/толщина

верних/нижних слоев: тоже влияет на прочность объекта;

• процентное соотношение заполнения: количество пластмассы, используемой для

большей части объекта, обычно от 0% (полые объекты) до 50% (твердые, очень прочные части), более 50% редко используется, и обычное значение приблизительно 10-20%;

• шаблон заполнения (infill pattern):

узор, используемый для

заполнения детали, обычно

используют квадраты

(прямолинейные) или

шестиугольники;

• скорость печати (printing speed)

(для различных задач): этот параметр связан с температурой сопла, температурой нити, типом

нити и качеством сборки принтера (в т.ч. количеством смазки, использованной для осей и механизмов), небольшая скорость позволяет добиться лучшего качества печати;

• полоса (skirt) и край (brim): полоса - дополнительное количество пластмассы,

выдавливаемой перед основной печатью,

чтобы избежать начала печати с пустым

соплом, край - дополнительное утолщение

нити в первом слое, для лучшего приклеивания

объекта к основанию;

• подложка (raft) и поддержка (support):

подложка - другой способ улучшения

прилипания объекта к платформе,

подразумевает под собой одно/двух- слойную сетку из пластиковой нити, тогда как поддержка - специальная пористая структура

из пластика, наращиваемая под нависающими частями объекта, без которой эти части не могут быть корректно построенными;

• другие расширенные настройки.

3D принтеры по технологии FDM обычно не могут производить сталактито-подобных структур так же, как и слишком выступающих, если они не будут иметь опоры во время постройки. Если есть необходимость, то можно добавить к объекту очень тонкие опорные конструкции, которые можно по завершении печати сломать или срезать. Большинство слайсеров могут создавать подобные поддерживающие конструкции автоматически. Большинство принтеров обычно нормально справляются со свесами до 45 градусов без специальных настроек.

3D-модель следует повернуть так, чтобы уменьшить число выступающих частей (перед нарезкой), и можно направить вентилятор на деталь при печати, чтобы охладить нить сразу, как только она выйдет из сопла, до того, как она "поплывет" и нарушит отпечаток. Наконец, в слайсере можно включить использование поддерживающего материала, если необходимо. Это хлопотно, потому что расходуется больше пластмассы, печать занимает больше времени, и впоследствии Вам придется счищать поддерживающий материал ножом.

Как прежде упоминалось, различные программы нарезки могут иметь неодинаковые имена для схожих настроек, а иногда могут использовать параметры, которые определены совсем иначе (как число периметров/оболочек вместо толщины стенки и т.д.). Поэтому есть смысл разобраться в языке и определениях слайсера, который Вы собираетесь применять для своего принтера.

Теперь, давайте совершим краткий обзор пяти, наиболее используемых, бесплатных слайсеров (программ - генераторов G-кода):

• Skeinforge⁴⁷: вероятно, старейший слайсер, это набор скриптов, написанных на

Python, и выпущенный по лицензии GPL, был инструментом нарезки по умолчанию в оригинальном Makerbot Replicator (в составе программного обеспечения ReplicatorG) и многих RepRap 3D принтеров, и он все еще присутствует в качестве опции в MakerWare (программе, занявшей место ReplicatorG, для управления Makerbot принтерами последних моделей) и в другой простой (бесплатной) программе Repetier-Host. Пользовательский интерфейс не является дружественным, а некоторые настройки сбивают с толку.

• Slic3r⁴⁸: современный, законченный и

активно развивающийся инструмент

нарезки с открытым исходным кодом,

он широко поддерживается

производителями принтеров и

представлен в качестве основного варианта в Repetier-Host. Он спасает пользователя от многих неприятностей в дальнейшем, благодаря возможности записи различных параметров нарезки в

логически сгруппированные по

различным предварительным настройкам.

• KISSlicer⁴⁹: имеет простой

графический интерфейс, быстро работает и прост в эксплуатации, станет хорошим выбором для новичков 3D печати. Так же доступна "Про" версия, в которой имеется поддержка нескольких экструдеров и множества объектов (и еще несколько дополнительных полезных функций), по цене в $42

($25 для использования в

образовательных целях).

• Cura⁵⁰: разработана в Ultimaker с

целью сделать 3D печать такой

простой и последовательной, насколько это возможно. Она включает в себя все необходимое для подготовки 3D файла к печати и непосредственной реализации, и полностью настроена для работы с 3D принтером Ultimaker.

• MakerWare⁵¹: приятная и простая в

использовании программа для управления принтерами Makerbot Replicator и Replicator 2, она имеет собственный механизм нарезки, оптимизированный для более

качественного, быстрого и

надежного результата. Кроме того, Skeinforge может быть выбран как встроенный механизм нарезки.

Выбор среди различных программных инструментов нарезки не сводится лишь к личному предпочтению или списку возможностей различных вариантов: некоторые принтеры строго требуют использования определённых одного-двух слайсеров: например - Makerbot Replicator 2, его последнее ПО может использовать только новую и обратно-несовместимую версию g-кода, названного .x3g (прим. ред. специфичный G-код для двухэкструдерных принтеров). Таким образом, требуются MakerWare или ReplicatorG, только два слайсера, способные создавать такие файлы. В других случаях, производители принтеров могут давать строгую рекомендацию использовать определенный слайсер, как в случае с производителем принтеров Ultimaker и слайсером "Cura". Наконец, выбор слайсера может быть действительно свободным, и может вести к научным и тщательным сравнениям фактических результатов различных слайсеров, когда приходится иметь дело с некоторыми сложными моделями, называемыми усложненными тестами (torture-tests)⁵².

Пластиковые расходные материалы (нить/пруток)

В настоящее время (весна 2013) существуют два вида пластика, широко используемых для недорогой 3D печати и несколько менее распространенных. Интересно то, что разрабатываются и тестируются многие виды пластика, имеющих куда более широкий диапазон физических, химических и механических характеристик, что открывает путь к использованию 3D печати в различных направлениях. Доступ к новым печатным материалам может круто изменить рынок прутков.

Пластиковые прутки производятся в двух стандартах: диаметром 1.75 мм и 3.0 мм.

Трехмиллиметровый пруток - более

старый стандарт, он постепенно

вытесняется 1.75-мм, который

выдавливается немного легче,

управляется немного лучше и оставляет меньше висячих хвостов с боков вашего изделия. В любом случае, множество современных принтеров до сих пор используют 3 мм пруток, и он, иногда, немного дешевле чем 1.75 мм.

Полилактид (PLA)

Наиболее распространенная пластмассовая нить, сделанная из полимолочной кислоты (или полилактид (PolyLactide Acid) - сокращено PLA⁵³), биоразлагаемый и экологичный пластик, получаемый из крахмала. Температура плавления в пределах 180-230 °C. Он не имеет неприятного запаха во время печати и его пары не опасны, поэтому не требуется специальных мер безопасности или принудительной вентиляции.

Он хорошо держится на печатном основании при комнатной температуре (не требуя более дорогого нагреваемого основания для принтера), но только если платформа покрывается синим скотчем (также недорогой продукт, который необходимо время от времени заменять - главным образом, потому что он иногда получает повреждения во время удаления объекта с платформы).

Объекты, напечатанные PLA, крепкие, но относительно хрупкие, и не могут использоваться при высоких температурах (как для некоторых частей самого 3D принтера).

Нить PLA довольно недорогая, ее стоимость в среднем 30$ за 1 кг, и она обычно продается в катушках по 0.5, 1 или 2.3 килограмма (но некоторые изготовители продают метрами)⁵⁴. Она доступна в естественном (белый матовый) цвете или во множестве ярких цветов, чистых или полупрозрачных, отпечатанные объекты имеют красивую гладкую поверхность.

Специальный вариант PLA - мягкий или эластичный (soft/flexible) PLA, который выдавливается при низкой температуре и очень низкой скорости, может использоваться для печати гибких сочленений, лент, шин, и т.д. (Прим.ред. начинает появляться и у китайских производителей).

АБС (ABS)

Вторая наиболее распространенная нить, изготовленная из акрилонитрилбутадиенстирола (Acrylonitrile Butadiene Styrene), кратко ABS⁵⁵. Основанная на нефтепродуктах пластмасса, используемая для различных целей, одна из хорошо известных - это детали конструктора LEGO™. Её пары имеют ужасный запах (прим. ред. как жжёные пластиковые бутылки) и даже считаются опасными для здоровья, поэтому рекомендуется использовать принудительную вентиляцию для отвода продуктов горения пластика, когда печать ABS длится долгое время. Температура плавления ABS 210-260 °C.

Нить ABS стоит приблизительно как PLA и является также довольно распространенным материалом для печати, несмотря на его более высокие требования. Объект ABS обычно печатается на нагреваемом основании (в пределах 100°C), покрытом каптоновой пленкой, чтобы он хорошо держался, плюс стоимость и сложность самого принтера (поэтому, не все принтеры идут с нагреваемым основанием, это как недостаток, и у некоторых нет этого как опции). Возможное решение - это печать ABS на холодном основании, покрытом несколькими слоями клея: цианоакрилат, лак для волос⁵⁶ или клей на водной основе такой как Vinavil® ⁵⁷, продемонстрировали хороший результат для этой цели. Но рекомендуется использование нагреваемого основания, потому что это помогает уменьшить деформацию больших печатаемых объектов.

Преимущество ABS по отношению к PLA состоит в том, что получающиеся объекты более прочные и менее хрупкие, и могут выдерживать высокие температуры. Нить ABS обычно доступна во многих цветах, включая блестящий, светящийся в темноте, золотой, серебряный, и даже цвет, который изменяется под влиянием температуры⁵⁸

(например, синий/зеленый ниже 30°C и

желтый/зеленый выше, делают объекты,

напечатанные такой нитью, чувствительными к температуре тела).

Нейлон

Taulman⁵⁹ производит нить 618 Nylon®, которая имеет несколько интересных особенностей, среди них гибкость, легкость и устойчивость к химическому воздействию. Она должна выдавливаться при более высокой температуре по сравнению с PLA или ABS (приблизительно 245 °C), но она не имеет паров или запахов, и хорошо держится на синей ленте. Используется для печати механических деталей, которым необходима высокая устойчивость к повреждениям и очень низкое поверхностное трение. Другая очень интересная возможность - использование для печати заказных протезов и деталей, связанных с медициной, так как нейлон инертный по отношению телу (но официально не подтверждено FDA*, по крайней мере, пока).

Стоимость нейлоновой нити в два раза больше, чем стоимость PLA или ABS, единственный доступный цвет белый (естественный) и единственный источник - Taulman.

(*прим. ред. - FDA - федеральная комиссия США по контролю качества пищевых продуктов, медикаментов и косметических средств, Food & Drug Administration)

Поликарбонат (PC)

Поликарбонат⁶⁰ (Polycarbonate - PC), очень прочный и долговечный пластмассовый материал с высокой оптической прозрачностью и высокой температурой плавления (приблизительно 270 - 300 °C). Несмотря на это используется во многих промышленных производствах (например, CD и DVD сделаны из поликарбоната). Первые тесты с дешевыми 3D принтерами начались только в 2012⁶¹ и пока есть лишь несколько производителей PC нити, продающих ее достаточно дорого, примерно 90$ за килограмм.

ПВС (PVA)

Поливиниловый спирт (Polyvinyl Alcohol - PVA) - растворимый в воде пластмассовый полимер, который может использоваться для печати поддерживающих опор (для PLA и ABS объектов), легко растворяющихся в теплой воде, оставляя прекрасную поверхность объекта и упрощая процесс удаления опор (обычно довольно утомительный). Температура печати - приблизительно 170°C, никогда не должна превышать 200 °C. Нить PVA довольно дорогое удовольствие, продающаяся порядка 90$ за килограмм.

Ударопрочный полистирол (HIPS)

Ударопрочный полистирол (High-impact Polystyrene - HIPS)⁶² - пластмассовая нить, растворяющаяся в лимонене, иногда используется для создания поддерживающих структур (особенно для ABS), которые могут быть легко удалены без механического воздействия. Лимонен - естественный растворитель, извлекаемый из корки лимонов и других цитрусовых. Температура печати HIPS приблизительно 230°C. Стоимость

нити HIPS около 40$ за килограмм.

Другие виды пластмасс

LAYWOO-D3 - нить на древесной основе, созданная недавно⁶³ (технически, это соединение древесины и полимера, содержащее переработанную древесину и связующие полимеры), может использоваться для печати объектов, которые похожи на настоящие деревянные детали (даже с типичными годичными кольцами). Все особенности - те же что и у PLA, но его цена пока очень высока, около 100$ за кг, а также придётся прибегнуть к некоторым ухищрениям⁶⁴, чтобы изменить цвет колец.

Наконец, было проведено несколько экспериментов с токопроводящим пластиком⁶⁵, но сопротивление полученного продукта всё ещё довольно высокое, поэтому он не годится для коммерческого применения.

Печать

В этой части у нас должен быть тщательно подобранный принтер, готовый к торжественному запуску, нить подходящего для нашего принтера диаметра; типом и цветом, соответствующим нашему проекту, и файл g-кода, созданный программой-слайсером, должным образом сформированный согласно свойствам, которые мы хотели бы получить для нашего объекта. Теперь настало время включить принтер, соединить его с нашим компьютером и начать процедуру калибровки: