Особенности моделирования под 3D печать

Всем привет! Сегодня буду показывать как оптимизировать модели под 3д печать и с точки зрения увеличения качества деталей, и с точки зрения уменьшения времени на их выкладку 3д принтером. Делать всё буду в Компас-3D, но так как объяснять буду общие принципы, то всё то же самое будет актуально и для других CAD.

Первый совет очень общий, но невероятно важный. Заключается он в том, что вы должны в каждый момент моделирования чётко понимать как будет печататься ваша деталь. Как будут выкладываться её слои, где будет низ, а где верх, откуда будет дуть система охлаждения, если она на принтере установлена с одной стороны только, и так далее. Это очень важно чтобы уже на этапе проектирования закладывать конструктивные элементы так, чтобы они потом доставляли как можно меньше проблем при нарезке.

Также вам нужно понимать пределы вашего принтера. Если у вас стоит слабое охлаждение, например, то вам будет недоступна печать длинных мостов и нависаний под большими углами. Ну и, конечно же, диаметр сопла влияет: в общем случае вы будете печатать шириной линии около этого диаметра. А значит можно хотя бы примерно представлять как будут печататься разные тонкие элементы.

Ладно, с философией покончили, переходим к моделированию. В первую очередь разберёмся с скруглениями. У этого элемента есть огромное количество применений, но именно связанных с 3D печатью два. Первое — избавление от выпирающих углов. Суть в том, что на большом количестве принтеров эта проблема актуальна, а Linear Advance применить никак. Поэтому можно просто скруглить углы. В итоге голова будет проходить поворот быстрее и плавнее, а значит и давление внутри сопла не будет скакать резко. Костыль, конечно, но работает.

По поводу скруглений, кстати, ходит мнение, что они уменьшают время печати. Типа голове быстрее пройти окружность небольшого диаметра, чем угол под 90 градусов или острее. Я решил провести очень простой тест: распечатал 4 кубика с ребром 20 миллиметров с абсолютно одинаковыми настройками: скорость 60 мм/с, ускорение 1000 мм/с². В верхнем левом углу обычный кубик, без каких-либо скруглений. У кубика в правом верхнем углу вертикальные рёбра скруглены радиусом 1 миллиметр. Под ним тоже скруглённые рёбра, радиусом уже пол миллиметра. Ну а в нижнем левом углу миллиметровая фаска, просто для сравнения. Как вы видите, даже на очень маленькой модели, у которой все вертикальные рёбра были скруглены, разница во времени печати микроскопическая. А если ускорения поставить не такие мелкие, то разница еще меньше будет. Так что можно ничего не скруглять для экономии времени — толку очень мало.

Отдельно отмечу скругление горизонтальных рёбер. Дело в том, что многие допускают ошибку и такое скругление рисуют на рёбрах между боковыми гранями и нижней плоскостью. В итоге в нижней части такого скругления образуется нависание под очень большими углами, на которые принтер не способен. А поддержки под эту грань можно поместить только растворяемые, что можно делать только на многоэкструдерных принтерах. Поэтому хорошим методом решения проблемы будет создание эскиза, который ограничит угол нависания предельным для принтера. Потом этот эскиз следует вытянуть вдоль всего такого скругления и получится печатаемая модель. Получившийся угол в последствие проще удалить, например, ножом, чем неспёкшуюся волосню, образующуюся если так не делать.

Дальше отверстия. Вертикальные, обычно, печатаются хорошо, если у принтера оси не наперекосяк стоят. А вот с горизонтальными проблемы похожи на таковые с скруглениями. В верхней части отверстий в любом случае будут сильные нависания, которые в любом случае хоть чуть чуть, но сделают отверстие овальным. Поэтому если вам нужно, чтобы оно было ровным и цилиндрическим, то проще смоделировать его чуть чуть меньше, буквально на 2-3 десятки, а потом рассверлить на готовой модели. Только не забывайте увеличить толщину стенок, крышки и дна для этого отверстия при слайсинге.

Кстати, часто в отверстиях делают резьбу. На англоязычном канале CNC Kitchen есть прекрасное видео с испытаниями прочности резьбовых соединений пластиковых деталей. Если есть возможность, то очень рекомендую посмотреть, а если нет, то кратко вывод: моделировать резьбу вообще не имеет смысла. Проще нарезать её метчиком или плашкой. Главное не забывайте толщину стенок и крышки с дном увеличить.

Дальше необдуманное применение в конструировании печатных деталей приёмов, характерных для литья, фрезерования и других не аддитивных методов производства. Например, часто очень люди делают выборку материала из ненагруженной зоны. Этот приём служит для уменьшения массы цельной детали, то есть литой, фрезерованной и так далее. В 3д печати эти элементы просто увеличивают сложность перемещений, вызывают большее количество ретрактов, большее количество циклов разгона и торможения и так далее. При этом количество пластика и массу детали если и экономят, то совсем незначительно, так как рыхлое заполнение меняется на плотные толстые периметры.

То же самое с рёбрами жёсткости. Допустим, есть простой уголок с ребром жёсткости. Для 3д печати такое решение имеет смысл только тогда, когда по-другому никак с компоновочной точки зрения. Но если это не так, то надо просто сделать уклон на всю ширину уголка. В итоге на всех слоях в зоне печати этого уголка уменьшится количество поворотов и ретрактов. И я напоминаю, что каждый лишний угол — это дополнительный цикл разгона и торможения, при котором печатная голова движется не с полной скоростью. Жёсткость при этом всём повысится, так как, по факту, это такое же ребро, только сильно больше.

Но есть исключение из этого правила. Опять вспомним канал CNC Kitchen и видео, где испытывалась прочность деталей исходя из шаблона и плотности заполнения, а так же количества периметров. Если кратко, то выгоднее увеличивать количество периметров, чем плотность заполнения. А, значит, можно делать выборки или прорези в деталях таким образом, чтобы заполнение менять на периметры в плоскости приложения нагрузки. 

Например, на такой держалке пластика цилиндрическая часть может иметь отверстие в центре. Оно, по факту, удалит пластик из зоны, которая при изгибе вообще не работает, и перенесёт его в виде периметров в зону, которая при изгибе работает. Ножка же работает на изгиб только в одном направлении и имеет прямоугольное сечение. Так что может быть выгодно сделать длинные тонкие прорези, которые будут работать примерно как диафрагмы в полумонококе. Иными словами, увеличивать жёсткость и прочность в плоскости, в которой они располагаются.

Теперь поговорим о поддержках. Вообще, все они являются достаточно косячной вещью. Они требуют на себя довольно много материала и требуют времени на печать. Нерастворяемые поддержки еще и ухудшают качество поверхности на которую опираются, если строятся не со стола, а так же дают довольно посредственное качество поверхности, которая печатается на них. Так что очень хочется модели делать таким образом, чтобы они печатались без поддержек вообще, или, по крайней мере, с малым их количеством.

Первый шаг в этом — уменьшение угла нависания элементов насколько это возможно. Допустим, у вас есть какой-нибудь выступающий элемент на вертикальной стенке. Такое случается очень часто: это могут быть упоры, крепёжные уши, местные расширения деталей и так далее. И в большинстве случаев по крайней мере в моей практике, на нижней части этих элементов можно сделать уклон так, чтобы они нормально печатались.

Проще всего при моделировании посмотреть расстояние от базовой плоскости стенки до дальнего края выступающего элемента и сделать фаску такой величины. Если у вас принтер хорошо печатает нависания градусов под 60, например, то не обязательно фаску даже делать симметричной. С округлыми элементами типа ушей лучше справится эскиз. В нём вы сможете задать и угол нависания, и касательность к окружности. Потом вытягиванием или протяжкой по траектории создаёте нужной формы элемент и всё.

Еще один эффективный способ борьбы с поддержками — это печать мостиков. Они представляют собой натянутые между двумя уже напечатанными частями модели горизонтальные прямые дорожки. На такое способен почти что любой принтер, имеющий систему охлаждения модели. Главное чтобы воздушного потока хватало для охлаждения пластика по ходу его экструдирования. Это значит что система охлаждения должна дуть хорошо, а голова двигаться медленно, буквально 10-20 миллиметров в секунду. Тогда можно без провисаний натягивать дорожки миллиметров до 50 длиной почти на любом принтере, а часто умельцы и длиннее мосты печатают.

Вернёмся к моделированию. Три требования к поверхностям, чтобы их можно было напечатать мостами:

1. Поверхность должна быть параллельна той, на которой будет печатать модель. Иными словами, мост может печататься только полностью горизонтальный. 

2. Поверхность должна быть ограничена с двух противоположных сторон параллельными друг другу прямыми. Примеры на экране: слева мост напечатается. Справа есть вогнутый и выпуклый участок, которые не получится натянуть между островками.

На поверхности не должно быть вырезов, так как любой вырез потребует печати периметров в воздухе и разорвёт дорожки мостика. 

И если с первыми двумя правилами всё довольно однозначно: если какое-то из них не получается выполнить, то от поддержек не уйти, то от третьего есть возможности отстроиться конструктивно.

Обычная совершенно ситуация: у нас есть какая-то базовая деталь с плоскостью, из которой точит какой-нибудь конструктивный элемент. В нашем случае это головка резьбовой заклёпки. Мы хотим спроектировать пристыковаемую к этой плоскости деталь, и она по каким-нибудь соображениям обязательно должна печататься вниз именно частью, которая будет сюда прислоняться. Может показаться, что случай натянутый и поддержки всё решат, но на деле подобные элементы встречаются реально часто и могут находиться на значительной высоте.

Итак, в первую очередь мы спроектируем углубление под головку заклёпки. Тут всё просто, оно распечатается мостами без каких-либо проблем. Но в заклёпку то еще винт должен быть вкручен, иначе зачем она нам тут? И получается отверстие в середине печатаемого мостами элемента. Казалось бы, от поддержек не уйти. Но я покажу два способа, как можно схитрить:

Первый довольно прост и банален: нам надо закрыть это отверстие на глубину 1-2 слоёв. Это создаст диафрагму, которая будет нормально печататься мостами без каких-либо проблем. Сверху на неё спокойно выложатся периметры отверстия и заполнение. Ну а после печати её будет легко удалить сверлом нужного диаметра или даже просто подрезать ножом. Это основной способ, который следует использовать в таких случаях. Интересно в нём то, что он одинаково хорошо работает с отверстиями разной формы совершенно, просто подрезать диафрагму придется не сверлом, а ножом.

Второй способ изящнее и сложнее, но позволит получать сразу готовое изделие. Суть в том, что эту поверхность можно представить для слайсера в виде нескольких, и каждая будет печататься своими мостами. Делаем эскиз и вытягиваем его так, чтобы подрезать деталь на глубину 1 слоя. Это превратит зону вокруг отверстия в два обычных моста. После этого делаем еще одну подрезку, которая сделает форму отверстия ближе к окружности.

Как оно будет печататься: сначала 2 простых моста, потом выложится прямоугольный периметр, две стенки которого лежат на мостах, а еще две сами являются мостами. И на следующем слое ребра восьмигранника опять выложатся как локальные мостики. На практике такое печатается весьма неплохо, можно смело применять.

Спасибо за внимание!