Wiki

Мы хотел бы поделиться с Вами информацией о том, как 3д печать, лазерная резка и фрезеровка, в качестве инструментов, могут существенно упростить и вывести на новый, более качественный уровень, создание макетов, прототипов или любых других объемных объектов, как правильно их использовать, готовить для них задание, а также вкратце о программах и пост-обработке.Так как это все технически сложные процессы, включающие в себя много нюансов, мы намеренно упрощаем свое повествование, оставив только самое важное, чтобы сделать данную информацию, интересной, доступной для восприятия и не очень объемной.
3д принтеры , вместе с лазерным резаком и фрезером могут делать всю “грязную работу” чисто и аккуратно, существенно улучшая общее ее качество и экономя много времени, однако они, все же, являются не более чем инструментом, выполняющим зачастую, только часть работы.
Если Вы используете эти инструменты, в процессе изготовления Вашего макета, условно всю работу можно поделить на 3 части:

• Создание и подготовка цифровой модели (3д модели, чертежа),
• 3d печать, резка, фрезеровка
• Сборка, обработка.

Создание цифровой модели является главной частью работы. Создание и/или подготовка 3д модели, может занимать существенную часть в стоимости коммерческого изготовления, а иногда, может стоить больше или значительно больше самого изготовления. Например, если макет небольшой по размерам, но имеет сложную структуру. 3d модель определяет:

• Стоимость макета
• Структуру макета, как именно он будет выглядеть, из каких частей и деталей будет состоять, как будет собираться

При проектировании макета, важно учитывать:

• Из каких именно материалов
• По какой технологии
• На каком оборудовании он будет изготавливаться
• Как именно будет собираться и обрабатываться далее

Важно представлять себе весь его путь сразу (хотя бы примерно), чтобы правильно создать и подготовить 3д модель к производству.
Семь раз отмерь - один раз отреж.
Если у Вас есть готовая цифровая трехмерная модель – визуализация, она может быть не готова или вовсе не пригодна для ее изготовления в качестве макета. Проще говоря – загрузить ее в станок и выгрузить готовый макет не получиться.

Вы конечно можете отдать Вашу красивую визуализацию исполнителю, однако будьте готовы заплатить значительно больше, чем могли бы. А если исполнитель будет не самый ответственный, некоторые детали макета или даже весь макет могут быть выполнены не так, как Вам было нужно, так как в модели была ошибка, а исполнитель подумал, что так и нужно.

Для того, что подготовить/создать Вашу модель правильно, нужно понимать основные особенности технологий и материалов.

3д печать
Есть уже много технологий трехмерной печати, но сейчас мы будем говорить только о четырех, одну из которых разберем более подробно, а три других упомянем вкратце.
Первая и главная технология, в основном используемая для подобных целей, на которую стоит обратить внимание тем, у кого нет огромного бюджета:
Технология послойного наплавления пластика (FFF или FDM)

• Самая доступная по цене, но при этом самая грубая (условно), ограниченная и неточная (в сравнении с другими технологиями).
• Как и везде, качество и точность внутри технологии будут зависеть от качества оборудования и материалов. Чем точнее, чем меньше допуски нужно делать, чем качественнее поверхность – тем лучше она выглядит без обработки или тем меньше обработки потребуется, чтобы она выглядела как надо.

В качестве материалов выступают различные пластики, самыми популярными из которых являются:

• ПЛА является «биоразлагаемым» пластиком, дешевле и прочнее АБС, однако его тяжелее обрабатывать.
• АБС – жесткий пластик, хорошо поддающийся обработке, как правило, качество его поверхности, лучше, а точность выше, так как его печатают на более дорогом/качественном оборудовании, тогда как ПЛА может печататься почти на всех типах принтеров, включая самые дешевые.

Печать идет одним цветом (мы примем это как упрощение, так как печать двумя цветами или более имеет множество технических особенностей и ограничений и редко используется).
Особенности данной технологии:

1. Поддержки

Принтер расплавляет пластик слоями – как обычный принтер «печатает» контур и заливку слоя в плоскости, после чего перемещается на шаг по высоте (задаваемый параметр, самый популярный – 0.2 мм. также популярны 0.1, или 0.3, чем меньше слой – тем дольше печать и выше стоимость, чем больше слой, тем грубее качество поверхности и меньше прочность). И так перемещаясь слой за слоем, 3д принтер «строит» объект.

Однако принтер не может класть пластик на воздух, ему нужна поддержка. Под нависающими частями выстраиваются структуры из того же (как правило) жесткого или растворяемого (значительно реже, так как процесс имеет особенности и в целом дороже) пластика.

Вот так выглядит модель с поддержкой:



Вот так, если ее убрать. Разница на лицо. Иногда печать поддержки может стоить больше печати самой модели.

Угол поддержки настраивается, но лучше учитывать при проектировании, что поддержка нужна, если плоскость отходит от вертикали под углом более 35 градусов. Есть понятие – мост, это расстояние (лучше рассчитывать в пределах 5-10 мм) с опорами не обеих концах, под которым поддержка может быть не нужна. Размер этого расстояния зависит от материала, принтера и настроек, так у PLA мосты могут быть длиннее (вплоть до 40 мм), без деформации.

• Жесткие поддержки потом нужно удалять вручную, они оставляют следы на поверхности моделей, которые почти не видно на белом пластике, но очень заметно на цветных, сером и черном
• Иногда поддержки очень сложно удалять, не повредив модель или вовсе невозможно удалить или удалить до конца, так как они расположены, например, в труднодоступных местах
• Печать поддержек занимает время и расходует материал, их удаление и зачистка поверхности требует времени, соответственно увеличивает стоимость работ

Чтобы уменьшить количество поддержек или вовсе избавиться от них, можно делить модель на части, предусмотрев места соединений в паз (если нужно), или для склейки. Вы не только экономите на печати (иногда очень существенно), но после сборки получаете изделие лучшего вида, отдельные части которого имеют свойства (например, прочностные) которые Вам нужны.

1. Направление слоев

Здесь стоит выделить 2 интересных нам момента:

• Слоистость поверхности: когда Вы прикасаетесь к боковой поверхности рукой, Вы чувствуете шероховатость, визуально ее так же видно (лесенка), это может выглядеть особенно неаккуратно при печати на некачественной или не отлаженной технике. Слоистость становиться особенно заметна там, где угол отклонения горизонтальной поверхности в сторону вертикальной повышается. Хорошим примером является шар, на боку у которого слои идут как обычно, но ближе к верху становятся очень заметны и ощутимы.

• Прочность: разница в прочности вдоль и поперек слоев при 3d печати пластиком может достигать 5 и более раз. При изготовлении макетов это может быть не очень актуально, однако если Вы печатаете тонкие вертикальные столбики вертикально, они могут ломаться у Вас в руках, при попытке приклеить их, или при легком касании.

На обе эти особенности можно влиять, по-разному располагаю объект на платформе: лежа, стоя под углом. Особенно тонко и эффективно это можно использовать в связке с делением модели.

1. Минимальный размер деталей

• Особенности технологии заключаются в том, что размер отдельно стоящей детали/стенки должен быть не менее 1 мм, минимум 0.8, но лучше 1.2 мм. Это продиктовано стандартным размером выходного отверстия сопла 3д принтера – 0.4 мм, это значение кратно ему и не может быть менее двух «стенок», а лучше трех. Чем большие стенка модели по размеру (от 30-50 мм), тем толще она должна быть.
• Колонны следует делать не менее трех мм в толщине/диаметре.
• Заостренные края должны оканчиваться минимум толщиной 1 мм, чтобы напечатать корректно и не быть очень ломкими.
• Детали, находящиеся на поверхности (рельеф), могут быть меньших размеров - от 0.4 мм на боковой поверхности и от 0.8 мм на горизонтальной поверхности.
• Минимальная высота углубления– 2 мм, минимальный диаметр отверстий 2 мм.

ВАЖНО. Все размеры указаны для масштаба, в котором будет сделан Ваш макет, не путайте с размерами реального объекта. Масштаб должен быть правильным.

Резюмируя – если Вы сразу правильно определили масштаб и делаете в нем детали не менее трех мм размером – все должно печататься хорошо, независимо от того, на чем Вы печатаете и по какой технологии.

1. Деформация

Есть 2 вида деформации: деформация габаритных размеров и размеров элементов и деформация формы.

• Деформация размеров. В любой технологии изготовления существуют допуски, для обсуждаемой нами технологии 3д печати пластиком допуски зависят от типа оборудования и материала, в среднем, они могут составлять от 0.2 до 1 мм на размер. Этот момент желательно уточнять заранее у того, кто будет осуществлять 3D печать

Наши допуски по размерам:
АБС – 0.15 – 0.6 мм на 200 мм, при этом размеры отдельных элементов обычно меняются не более чем на 0.2 мм.
ПЛА – 0.2-0.8 мм на 200 мм. Иногда могу доходить до 1 мм.

Размеры отдельных элементов важны, потому что при делении деталей, для удобства и/или частоты сборки, одна часть может вставляться в другую, т.е. одна деталь имеет отверстие, другая – выступающую часть по форме отверстия. При совмещении этих частей НЕОБХОДИМО делать зазор (оставлять между ними пустоту), чтобы они без проблем входили друг в друга. Этот зазор зависит от размера частей, наши размеры зазоров:
АБС – 0.2-0.3 мм на размер/диаметр
ПЛА -0.4-0.8 мм на размер/диаметр

• Деформация формы. Если Вы печатаете квадрат со стороной 100 мм, углы квадрата снизу (прилегающие к печатной платформе), отклеятся от платформы и задерутся вверх – это простое описание деформации формы. Так же, если Вы хотите напечатать на 3d принтере узкую (или не очень) длинную и высокую стенку, ее углы по краям загнуться, а если стенка очень тонкая, и ее поверхность может деформироваться

Величина деформации, какие формы и размеры будут ей подвержены, также зависит от оборудования и материала. Так АБС более склонен к деформации, ПЛА менее склонен.
Однако в той или иной форме или степени деформация все равно будет при печати определенных форм.

Для борьбы с этим явлением мы делим модели на части, располагаем при печати определенным образом, а потом собираем их. При проектировании учитывать это не обязательно, но держать в уме стоит.

1. Размеры

Размер рабочей камеры 3d принтера. Есть разные принтеры с разными размерами камер, особенно в последнее время начали развиваться принтеры с большими камерами, однако лучше всегда ориентироваться на условно средний размер 200х200х200 мм.
Если Ваша деталь больше или у нее сложная форма (речь о деформации), ее нужно делить (большие модели делаются именно так, они редко печатаются целиком). При проектировании этого учитывать не обязательно – но держать в уме стоит.
Размеры наших камер на странице материалы.

1. Заполнение

В вкратце коснемся темы заполнения, так как для макетирования она большой роли не играет, но знать стоит: это регулируемый параметр, от 10 до 100%, для иллюстрации возьмем 4 куба с заполнениями 12.5, 25, 50 и 75%



Кубы имеют боковые стенки, верх и низ минимум 1.2 мм (толщина стенок так же как правило, является регулируемым параметром). Внутри стенок располагается сетчатая/сотовая структура, которая занимает % от внутреннего объема, остальное пространство занимает пустота.

Уточняйте этот момент и просите минимальное заполнение (5-10%), в результате чего будет затрачено меньше времени на печать и уйдет меньше материала, соответственно, это будет дешевле.


В заключении разберем пример созданного нами макета, пусть он довольно простой, но включает все упомянутые особенности.


Цветами обозначено деление модели, каждый цвет - отдельная модель.


Мы предусматриваем пазы для отдельных частей. Это не только помогает в сборке, но и фиксирует взаимное расположение частей, исключая ошибку. Не забываем о зазорах 0.2 мм на диаметр отверстий (отверстие больше чем стойка, которая в него вставляется).

Выше показано, как именно мы располагаем модели на платформе, чтобы уменьшить количество поддержки, нивелировать деформацию и улучшить качество поверхности.

В итоге готовая модель с минимальным количеством обработки.

Стериолитография и/или направленная световая обработка(SLA , DLP итд)


Послойное (слой от 0.4 до 0.025 мм по высоте) отверждение жидкого полимера под воздействием светового или лазерного излучения. Поверхность на выходе лучше по качеству(гладкая) а точность может быть выше (зависит от оборудования).Помимо более качественной, гладкой поверхности, размеры и качество небольших деталей выше. Печать 1 цветом. Как правило, нормально обрабатывается и краситься (зависит от материала).

Все требования к печати пластиком подходят и сюда, включая поддержку (она здесь немного другая – точечная), но также оставляет следы и иногда ее тяжело или невозможно удалить. Так же есть вымываемая поддержка, но печать этим полимером очень дорогая (до 20-40 раз дороже пластика). Небольшие отличия/особенности:

• Разница в прочности вдоль и поперек слоев есть, но она не такая большая
• Размеры камеры здесь, как правило, меньше, в среднем лучше ориентироваться на 120х120х120 мм, хотя лучше знать, на каком оборудовании будет осуществляться 3д печать и исходить из его параметров, это же касается допусков по размерам, которые могут быть в диапазоне от 0.0,5 до 0.4 мм.
• Размер отдельно стоящей детали и стенки также лучше не делать менее 1 мм.
• Размеры «не несущих» конструкций могут быть от 0.4-0.6 мм, как и размеры деталей, рельефа
• Колонны и стержни могут быть по толщине от 0.6 мм (все равно лучше не делать менее 1 мм – иначе могут быть ломкими)
• Выпуклые и вдавленные элементы – 0.3-0.5 мм минимум
• Минимальный диаметр отверстий – 0.5 мм.
• И последнее, но не по значению – 3д печать из фотополимера стоит на порядок (или несколько порядков) дороже печати из пластика. В целях экономии времени печати и материала (а значит и стоимости), большие тела/модели, можно делать полыми внутри (стенка не менее 2-3 мм, конкретный размер зависит от модели), оставляя «дренажные» отверстия (диаметр минимуму 10 мм), чтобы можно было извлечь материал из полости. Эти отверстия потом могу быть заклеены «люком» напечатанных из того же материала по размеру отверстия (здесь зазор можно не делать или сделать отверстие со ступенькой)

Эта технология хорошо подойдет для печати небольших, детализированных моделей и/или отдельных частей макета.

Выборочное лазерное спекание (SLS)


Лазерный луч выборочно спекает порошок по контуру, после чего поднимается на слой , как правило 0.1 мм. Все то же самое, но нет поддержек, поэтому можно делать изделия почти любой сложной формы целиком и качество поверхности со всех сторон будет одинаковым – немного шероховатым. Может обрабатываться с небольшим трудом, нормально краситься (красками не на водной основе), как правило, белого цвета (бывает черного). Особенности:

• Разница в прочности вдоль и поперек слоев есть, но она не такая большая
• Размеры камеры в целом больше , например у нас: 196/242/300 мм. Лучше знать, на каком оборудовании будет осуществляться 3д печать и исходить из его параметров, это же касается допусков по размерам, которые могут быть в диапазоне от 0.05 до 0.2 мм, цвета порошка (белый, черный), а также прочности и прочих характеристик. Точность размеров у нас 0.1-0.15 мм.
• Минимальные размеры стенок/отдельных элементов, колонн и отверстий – 2 мм. Стенки и отдельные элементы могут быть менее 2 мм (минимум 1 мм), но, в зависимости от формы, может возникнуть риск выгибания/деформации формы, поэтому лучше не делать менее 2 мм.
• Выпуклые и вдавленные элементы – минимум 1 мм глубиной и шириной
• Так же как и в Стереолитографии – 3д печать по технологии SLS стоит на порядок (или несколько порядков) дороже печати из пластика. В целях экономии времени печати и материала (а значит и стоимости), большие тела/модели, можно делать полыми внутри (стенка не менее 2-3х мм, конкретный размер зависит от модели), оставляя «дренажные» отверстия (диаметр минимуму 10 мм), чтобы можно было извлечь порошок из полости. Эти отверстия потом могу быть заклеены «люком» напечатанным из того же материала по размеру отверстия (здесь зазор можно не делать или сделать отверстие со ступенькой)
• Материал пористый и без обработки боится воды или влажности

В целом, данный материал используется, как правило, для определенных технических нужд, однако также может подойти для печати моделей или их частей с особо сложной формой, когда обработка или очень сложна или невозможна.
CJP или «печать гипсом»

И последняя технология, для которой справедливы особенности SLS – CJP или «печать гипсом», по сути, тоже спекание порошка, только теперь гипсового слой. Как правило 0.15 мм, у нее есть собственные особенности:

• Первая и главная – возможно полноцветная печать (300 000 цветов) по отдельно прикладываемым к модели цветовым текстурам. Важно, что текстуры должны соответствовать модели по масштабу. Цветовая текстура, как правило, получается более тусклой, чем оригинальная текстура, поэтому есть смысл делать ее более яркой.
• Модели получаются ломкими, поверхность сильно шероховатой (даже хуже пластика)

В целом это довольно старая технология, качество поверхности, точность и прочность которой оставляют желать лучшего. Единственное преимущество – полноцветная печать, если она необходима – эта технология Вам поможет.

Общие требования к трехмерным моделям

У всех технологий есть также общие требования к трехмерным моделям (целым или уже разделенным на части), которые нужно учитывать:
1) Все поверхности должны образовывать замкнутый объем (solid), без отверстий, дыр, разомкнутых граней и прочего.
2) В файле не должно быть отдельных поверхностей. Избегайте наслоения поверхностей (дублей).
3) Модель должна быть целиком с положительными нормалями (если применимо).
4) Следует заранее убедиться в достаточном количестве полигонов (треугольников)/качестве/разрешении экспорта моделей (такая опция в основной массе ПО). В противном случае округлые и цилиндрические поверхности получатся «гранеными».

5) Модели нужно экспортировать сразу в правильном масштабе, особенно это касается поделенных заранее моделей (сборок).
6) Вспомним еще раз про минимальную толщину стенок и отдельных деталей, а также о том, что заостренные края должны оканчиваться минимум толщиной 1 мм, чтобы напечатать корректно и не быть очень ломкими.
7) И последнее, но очень важное – нужно экспортировать Ваши модели в один из форматов с которыми может работать оборудование: STL (только binary, не ACII) – основной формат, с ним работают все ПО оборудования, OBJ, STP, STEP.
!!НЕ ПРИСЫЛАЙТЕ ИСХОДНИКИ!! Даже если исходник идеально сделан и подготовлен, его обработка это дополнительная работа, которая в любом случае будет стоить денег, может быть сделана неправильно, или вовсе может быть невозможна, так как нужного ПО у исполнителя нет.

Программное обеспечение для 3д печати
Коротко коснемся ПО, которое может быть использовано для создания моделей, его очень много, вот некоторые примеры с условным делением:

• Бесплатное: Blender, Google SketchUp, Tinkercad...
• Художественное - общее: 3dsmax, Zbrush...
• Инженерное: Solidworks, Autodesk Inventor, Fusion 360, Компас…
• Дизайн-архитектурное: ARCHICAD, SketchUP…

Существуют также программы которые помогают подготовить модели для 3д печати, проверить их на ошибки и тд. Как правило эти ПО платные, но есть очень функциональные ПО, которые дают бесплатный доступ для студентов, например Autodesk Netfabb – позволяет сканировать модели на ошибки, автоматически лечить некоторые из них (например целостность-замкнутость контуров), делать модели полыми внутри, делить их на части и многое другое.
Ссылка для студентов – https://www.autodesk.com/education/free-software/netfabb-premium
Если Вы не владеете ПО или у Вас нет возможности им воспользоваться. Есть браузерный сервис, позволяющий бесплатно создавать простые модели для 3д печати или лазерной резки – TinkerCAD.

Также упомянем ПО для проектирования (с инженерным уклоном), также бесплатное для студентов, мы еще коснемся одной из его функций позже – Autodesk Fusion 360.


Итоги
Для успешного применения трехмерной печати, как инструмента для изготовления архитектурных ,и не только, макетов и моделей, нужно изначально правильно проектировать модель, делить ее на части, учитывая особенности технологии (материала), которую Вы собираетесь использовать для каждой части. Если Вы будете проектировать Ваши модели под технологию печати пластиком, все остальные технологии также можно использовать без проблем, без переделывания модели.

Ваш макет, как конструктор, может состоять из частей, который могу быть произведены посредством разных технологий и материалов.

На этом мы завершаем краткий обзор технологии трехмерной печати. Использовать ее в сфере создания макетов можно почти для всего, но нужно принять во внимание ограничения, а также тот факт, что эта не дешевая технология и лучше использовать ее для особо сложных, непрямых, не линейных, или небольших объектов.

Держа это в уме мы плавно переходим к другой, более доступной по цене технологии, изготовления.