3D-графика. Основы 3D-печати

Хорошевич Павел Александрович

Вы узнаете…

• из каких этапов состоит 3D-печать;

• существующие методы создания трёхмерных моделей;

• как подготовить модель к печати;

• о ряде технологий 3D-печати и составных частях принтера;

• разновидностях материалов, применяемых в печати;

• плюсах и минусах 3D-печати и её ограничениях;

• возможных применениях печати в образовании.

Применения 3D-печати в образовании

Визуализация

Напечатанные модели могут послужить средством визуализации какого-либо явления или процесса. На рисунках показан пример модели кристаллической решётки, собранной из молекул воды а также органеллы клетки.

Молекулы воды

Органеллы клетки

В этом примере показана визуализация формулы сокращённого умножения. Трёхмерные фигуры изображают слагаемые формулы.

Эксперимент

Напечатанные модели могут стать объектом исследования. В первом примере показано исследование подъёмной силы в зависимости от формы крыла.

Модель вазы создана программным методом. В основу программы ложиться золотое сечение, за счёт чего получается такая форма¹.

Подъёмная сила

Золотое сечение

Робототехника

3D-принтер поможет напечатать прототипы деталей для робота.

Детали робота

Функциональные устройства

Напечатанная деталь может быть инструментом для проведения эксперимента.

Рычаг 1 рода

Рычаг 2 рода

Искусство

Рисунок в 3D

Ваза

Что такое 3D-печать?

3D-печать – это процесс изготовления детали, при котором каждый последующий слой материала накладывается на предыдущий (аддитивный процесс).

Данную технологию нельзя считать новой – первые прототипы создавались около 30 лет назад.

Около 10 лет назад, технологии 3D-печати стали доступнее широкому кругу пользователей (истекли сроки действия многих патентов).

Значительный вклад в развитие технологии внес проект RepRap – один из первых проектов широко доступного 3D-принтера с открытым исходным кодом.

Процесс печати

Этапы 3D-печати

Этап 1: Файл с 3D-моделью

Всё начинается с создания или использования готовой 3D-модели. Существуют сотни программ для создания собственных моделей. Одни из самых популярных: TinkerCad, FreeCAD, Компас 3D, Fusion 360.

Создание модели

Этап 2: Слайсинг (Slicing)

Файл с 3D-моделью (зачастую с расширением STL) загружается в программу-слайсер, которая разбивает модель на слои. Затем слайсер формирует инструкции на языке, понятном принтеру - gcode.

Слайсинг

Список 1: Пример g-code

G1 X0 Y0 F2400 ; переместиться в позицию X=0 Y=0 на столе со скоростью 2400 мм/мин
G1 Z10 F1200 ; переместить ось Z в позицию Z=10мм на более медленной скорости 1200 мм/мин
G1 X30 E10 F1800 ; 10мм филамента в сопло, в позицию X=30 со скоростью 1800 мм/мин

Этап 3: 3D-печать

Как только код загружен в принтер, он начинает процесс печати. Модель создаётся слой за слоем. Печать может занимать от нескольких минут, до нескольких дней.

Процесс печати

Этап 4: Пост-обработка

В зависимости от типа принтера или материала, может потребоваться обработка после печати - удаление поддержек, очистка, сглаживание поверхности.

Пост-обработка

Методы 3D-моделирования

Что такое 3D-модель?

3D-модель – это цифровое представление некоторого объекта выдуманного или реально существующего.

Создать 3D-модель можно самостоятельно, либо найти готовую.

Существует несколько основных методов создания 3D-моделей – твердотельное моделирование, поверхностное моделирование, скульптурное моделирование.

Существуют методы создания 3D-моделей по реально существующим прототипам – лазерное сканирование, фотограмметрия.

Поверхностное моделирование

• Применяется при моделировании «органических форм» (корпус автомобиля, крыло самолёта и др.).

• Изменение формы происходит с помощью манипулирования вершинами, рёбрами и гранями формы.

• Это даёт дизайнерскую свободу, но отсутствие жёстких рамок может усложнить производство такой формы.

• Программы для моделирования: Blender, 3ds Max.

Fusion 360

(surface modeling)

Скульптурное моделирование

• Применяется для создания «органических форм» с большим количеством сложных деталей (лица, персонажи, драгоценности и др.).

• Программы для скульптинга заимствуют многое из процесса создания реальных скульптур; «скульптор» изменяет виртуальную заготовку («глину») с помощью инструментов, похожих на реально существующие.

• В отличие от других способов моделирования, модель может содержать большое количество граней (порядка миллиона и больше).

• Программы для моделирования: Zbrush, Blender, Sculptris.

Blender

sculpting

Твердотельное моделирование

• Позволяет создавать 3D-модели, так, если бы они были реальными деталями, которые изготавливаются с помощью существующих инструментов

• С помощью операций объединения, вычитания, выдавливания, разрезания и др. из простой формы (куба, сферы) создаётся готовая модель

• Моделирование зачастую является параметрическим – изменения или параметры «инструментов» сохраняются и могут быть изменены позднее

• Программы для моделирования: FreeCad, Fusion 360, Компас 3D

Fusion 360

(solid modeling)

Программное создание 3D-графики

Трехмерная модель может быть результатом выполнения программы. На рисунке показан скрипт, созданный в программе OpenSCAD.

3D-сканирование и фотограмметрия

С помощью 3D-сканера создаётся трёхмерная модель реально существующего объекта. Если сканера нет, то реальный объект можно воссоздать с помощью фотограмметрии.

3D-сканер

Фотограмметрия

Поиск готовых моделей

Готовые трёхмерные модели можно найти на следующих сайтах:

• Printables - printables.com

• Thingiverse – thingiverse.com

• Cults 3D - cults3d.com/en

• Pinshape - pinshape.com

Обращайте внимание на комментарии к моделям.

Используйте предварительный просмотр слоёв в слайсере.

Сайты из списка содержат раздел, посвященный образованию.

Не забывайте про поиск по сайту.

Вопрос? Вопрос. Вопрос!

Каким методом лучше создать данные модели:

Технологии 3D-печати. Конструкция 3D-принтера

Типы 3D-печати

FFF/FDM (Производство способом наплавления)

Самый популярный метод печати. Принтер плавит пластик ( филамент ) и наносит его на рабочую платформу, где он затвердевает. Последующие слои наносятся на предыдущие, пока модель не будет готова. Для печати используются различные типы пластика: PLA , ABS а также композитные материалы (пластик плюс дерево, медь, бронза и др.)².

FDM

SLA (Стереолитография)

Принтер данного типа использует источник света для засвечивания участков фотополимера, которые должны затвердеть. Рабочая платформа погружается в полимер, и подсвечивается до затвердевания слоя. Как только слой затвердел, рабочая платформа приподнимается, позволяя свету обработать следующий слой.

SLA

SLS (Избирательное склеивание лазером)

Метод похож на стереолитографию, но в данном случае лазер используется для «запекания» порошкообразного материала. Чаще всего для печати на данных принтерах используется нейлон.

SLS

Струйное нанесение материала(Material Jetting)

Данный метод использует технологию аналогичную струйному принтеру. Основное отличие состоит в том, что вместо чернил на платформу наносится жидкий фотополимер, который затвердевает под воздействием ультрафиолетовых лучей.

MT

Компоненты FDM 3D-принтера

Компоненты 3D-принтера

Устройство экструдера

Экструдер

Виды материалов

https://www.simplify3d.com/support/materials-guide/

PLA

• Один из самых популярных материалов.

• Печать происходит при относительно низкой температуре и не требует подогреваемой платформы.

• Наиболее экологичный материал.

• Плохо переносит высокие температуры.

ABS

• Один из первых материалов применяемых в промышленной 3D-печати.

• Высокая прочность.

• Требует подогреваемой платформы.

• Необходима вентиляция помещения.

Сравнительная таблица материалов

Подробную информацию о множестве других материалов можно найти по ссылке: https://www.simplify3d.com/resources/materials-guide/.

Вопрос? Вопрос. Вопрос!

1. Как принято называть пластик, используемый для печати?

2. Для чего предназначен экструдер?

3. Какой филамент является одним из самых используемых в FDM-принтерах?

Ограничения 3D-печати

Наклон деталей

Элементы модели не могут быть напечатаны качественно, если они слишком сильно наклонены или выпирают за пределы модели.

Ограничения по наклону

Мосты

Расстояние между горизонтальными частями модели не должно превышать 10 мм.

Мосты

Толщина деталей модели

Для надёжной печати толщина деталей должна быть в два раза больше диаметра сопла экструдера.

Толщина деталей

Допуск по отверстиям

Если необходимо напечатать детали, которые потом будут вставляться в пазы или отверстия, нужно учитывать расширение пластика.

Допуск по отверстиям

Укрепление хрупких деталей

Если есть вероятность, что часть модели может сломаться, её можно укрепить.

Вопрос? Вопрос. Вопрос!

Какие трудности могут возникнуть при печати данных букв?

Задание

Подготовка к 3D-печати. Слайсеры

Подготовка моделей к печати

После того, как вы получили 3D-модель, необходимо подготовить её к печати с помощью программы-слайсера.

Слайсер обладает рядом настроек, которые позволяют подстроиться под ваши требования к конечному результату.

Рассмотрим основные рекомендации общие для различных программ-слайсеров.

Prusa Slicer

Cura

Пример работы слайсера

Расположение модели

Расположение модели на рабочей поверхности

1. Чрезмерно выступающий материал. В этом примере паруса будут печататься «в воздухе».
2. Малая площадь соприкосновения с рабочей поверхностью. С большой вероятностью, модель отклеится от платформы во время печати.
3. Правильное расположение. Большая площадь соприкасается с платформой, нет свешивающихся деталей.

Настройка поддержек

Большинство программ для слайсинга могут автоматически создавать поддержки (суппорты).

Поддержки добавляются под выпирающими, висящими частями модели и после окончания печати, удаляются. При этом качество поверхности, соприкасавшейся с поддержками может немного ухудшиться.

В принтерах с двумя экструдерами один из них может использоваться исключительно для печати поддержек с помощью легко растворимых материалов (пр. ПВА).

1. Если наклон поверхности не превышает 50 градусов , то печать поддержек не обязательна.

2. Наклон слишком большой для печати без поддержек. В случае их отсутствия, качество печати будет снижено.

3. Большинство слайсеров можно настроить на создание поддержек, только в случае, если они будут касаться рабочей плоскости (красные стрелки).

Поддержки

Форма поддержек

Адгезия

Одна из главных проблем, возникающих при 3D-печати – отклеивание детали от рабочей поверхности в связи с сокращением пластика. Для улучшения «прилипания» модели к плоскости, слайсеры предоставляют ряд вспомогательных опций.

Адгезия - это способность материала модели прилипать к печатной платформе во время процесса печати.

Кайма (Brim) - опоясывает модель, для увеличения площади соприкосновения с рабочей плоскостью.

Подложка (Raft) - несколько дополнительных слоёв на которых с небольшой воздушной прослойкой печатается основная модель.

Настройки для увеличения адгезии

1. Юбка
2. Кайма
3. Подложка

Для повышения адгезии можно использовать дополнительные средства: специализированные лаки, малярный скотч, клей карандаш и другие.

Малярный скотч

Клей-карандаш

Разрешающая способность печати

Под разрешением 3D-печати чаще всего понимают высоту слоя.

Чаще всего большая высота слоя применяется при проведении занятий. Это обусловлено большей скоростью печати. При большой толщине слоя стоит уменьшить скорость печати. На качество готовой модели влияет не только высота слоя, а также скорость печати, температура филамента, конструкция принтера.

Низкое разрешение: более 0.3 мм

Высокое разрешение: 0.02 – 0.1 мм

Высота слоя

Разница в моделях с разной высотой слоя

Заполнение (Infill)

Параметр заполнения отвечает за внутреннюю структуру печатаемой модели. Обычно в слайсерах этот параметр указывается в процентах.

Сплошное заполнение

Пустая модель

Периодическое заполнение

Пустая модель. Можно настроить печать только оболочки модели. Но это может повлиять на качество деталей (провисание пластика).

Периодическое заполнение. Применяется чаще всего (расстояние между линиями: 4-6 мм или 20% объема фигуры).

Сплошное заполнение. Весь объем фигуры заполняется пластиком. Используется редко, но применим в отдельных случаях (изучение плотности и массы).

Существует ряд узоров заполнения: сетка, медовые соты, гироид, динамический куб и другие.

Узор заполнения

Калибровка рабочей поверхности

Если рабочая поверхность откалибрована, сопло, выдавливая материал, плотно прижимает его к плоскости. Прилипание модели (адгезия) повышается.

Если калибровка произведена некорректно, то качество печати резко ухудшится. В местах, где поверхность далеко от сопла, принтер будет печатать по воздуху. Там же где сопло слишком близко к поверхности пластик может не выходить вовсе. Это также может мешать передвижению экструдера.

Ошибка калибровки

Правильная калибровка

Для проверки калибровки рабочей поверхности можно распечатать тестовую модель. По качеству печати определяется корректность калиборовки³.

1. Сопло расположено слишком далеко.
2. Нормальное качество.
3. Сопло расположено слишком быстро.

Калибровка первого слоя

Вопрос? Вопрос. Вопрос!

1. Для чего необходимо использовать программу-слайсер?

2. Что такое адгезия ?

3. Для чего при печати используются поддержки ?

4. Какой параметр отвечает за разрешение печати?

5. За что отвечает параметр Заполнение ?

Плюсы и минусы 3D-печати

Минусы 3D-печати

• Скорость производства в больших количествах. 3D-печать не подходит для создания одинаковых моделей в больших количествах, из за низкой скорости печати.

• Стоимость производства в больших количествах. При традиционном производстве стоимость производства снижается при росте количества продукции. Для 3D-печати это не верно.

• Материалы. Несмотря на большое количество материалов доступных для 3D-принтеров, их количество в разы меньше материалов доступных традиционному производству.

• Точность. Разные области инженерии требуют производства деталей с большой точность. Хотя 3D-принтеры могут печатать с точность до 10 микрон (11 000 000 доля метра), традиционные методы позволяют достичь лучших результатов.

Почему 3D-печать популярна?

• Меньше отходов. При субтрактивном производстве от материала отрезаются («вычитаются») части, что создаёт большое количество отходов. 3D-печать использует аддитивный метод («прибавление») при использовании которого почти нет отходов.

• Добавление индивидуальности. Массовая продукция (ручки, чехлы для телефонов и др.) создаются в больших количествах на конвейере для сокращения их стоимости. 3D-печать позволяет сделать каждый дизайн уникальным без особых затрат.

• Сложные формы. Субтрактивное производство имеет свои ограничения при создании сложных форм. Данные ограничения не столь значительны при 3D-печати.

• Эффективное прототипирование. Использование 3D-печати позволяет создать материальный прототип задуманного вами дизайна в считаные часы.

Сноски

1. Do Plants Do Maths?

2. Guide to Resin 3D Printers: SLA vs. DLP vs. MSLA vs. LCD

3. Teaching Tech 3D Printer Calibration