Технология 3D печати

технология
3D-печать
Сложность
2/5
Навыки
знание технологии
прототипирование
Время
1 час
Как продолжить?
Марафоны на этом сайте
Собственный проект
В этом уроке вы:
- узнаете различные виды 3D-печати
- познакомитесь с устройством
FDM-принтеров
- получите подробную последовательность
подготовки 3D-моделей к печати

Содержание:
обучающий материал, 3 теста и 2 видео
(оценка до 10 баллов).

пролистайте урок, познакомьтесь с технологией
смотрите видеоуроки о 3D печати
Начнём с основ: что такое 3D печать и как это работает
3D-печать – общее название для семейства аддитивных производственных технологий.

Часто с помощью 3D-печати производятся изделия, которые нельзя получить, используя традиционные производственные технологии.

3D-печать относится
к технологиям быстрого прототипирования

МЕТОДЫ 3D-ПЕЧАТИ
В первую очередь, стоит поговорить о существующих методах аддитивного производства:
они различаются используемыми технологиями моделирования и материалами.
SLA
(стереолитография) – первая появившаяся технология 3D-печати, где основным материалом для производства объектов
служат жидкие фотополимерные смолы, которые затвердевают при засвечевании.

Для отверждения смолы используется
лазер (SLA) или проектор (DLP).

Стол перемещается снизу вверх.
Особенности SLA:
– высокая детализация (стандарт качества в области 3D-печати)
– высокая стоимоcть расходных материалов по сравнению с FFF
– необходимость строить поддержки под нависающими элементами
– возможность работы только с материалами на основе полимеров (фотополимеров)
SLS/SLM (селективное лазерное спекание/плавление) – печать с использованием
мощных лазеров, применяемых для спекания мелкодисперсного порошка (полимерного
или металлического).

Стол перемещается сверху вниз.
Особенности SLS/SLM:
– длительный процесс моделирования
– шершавая поверхность напечатанных объектов
– высокая стоимость расходных материалов
– отсутствие необходимости строить поддержки (эту функцию выполняет порошок)
– возможность использования различных материалов (металлы, сплавы, полимеры)
LDM (печать пластичными массами)
В данной технологии используются пастообразные материалы, а нагревательные элементы (чаще всего) заменены пневматической системой, которая
под давлением выдавливает материал
из контейнера.

Стол перемещается сверху вниз,
либо статичен при передвигающемся
вверх экструдере
Особенности LDM:
– длительный процесс моделирования
– низкая степень детализации
– необходимость поддерживать определенные параметры материала
– необходимость моделировать объекты, не требующие поддержек
– возможность использования различных материалов (глина, фарфор, шоколад и т.д.)
FDM/FFF (метод послойного наплавления) –
самый популярный и доступный метод печати.
В качестве материала используются полимеры в виде прутков, смотанных в катушку. Проходя через нагревательный элемент, полимер расплавляется, наносится определенным образом на поверхность стола и застывает.

Стол перемещается сверху вниз,
либо статичен при передвигающемся
вверх экструдере
Особенности FDM/FFF:
– более высокая скорость печати в сравнении с другими технологиями
– средняя степень детализации
– относительно невысокая стоимость машин и расходных материалов
– необходимость строить поддержки под нависающими элементами
– возможность использования только материалов на основе полимеров (термопластов)
УСТРОЙСТВО ОБОРУДОВАНИЯ
3D-принтер – машина, реализующая перемещение печатающей головы,
стола и экструзию в автоматическом режиме. Перемещения осуществляются
при помощи системы из моторов и механических подвижных деталей, управляемых
контроллером (привет, Arduino!). Механика может значительно отличаться.

Возможны следующие варианты:
Cartesian
(Картезианская система)

– Стол перемещается по 2м осям
– Голова перемещается по 1 оси

либо

– Cтол не двигается
– Печатающая голова перемещается
в трех перпендикулярных осях




Delta

– Cтол не двигается
– Печатающая голова перемещается
в 3х параллельных осях


Polar

– Стол вращается
– Печатающая голова перемещается
по 2м осям
Robotic Arm

– Стол не двигается
– Печатающая голова крепиться к конечному эффектору и представляет из себя своеобразную робо-руку, имеющую несколько
степеней свободы

FDM/FFF ТЕХНОЛОГИЯ
Поскольку FDM/FFF технология печати является наиболее
распространенной, остановимся на ней подробнее.
Печатающая голова
состоит из нагревательного блока (здесь материал плавится), радиатора, термобарьера, сопла
и вентиляторов.
Сопло – металлический наконечник с отверстием (может быть разного диаметра).

Сопло может изготавливаться из латуни, стали (закаленной, нержавеющей) или меди.

Диаметр сопла часто указан на самом сопле
От диаметра сопла
зависит максимальная высота слоя, которую можно установить
(до 70% от диаметра).

От высоты слоя зависит:

Качество поверхности (чем больше высота, тем ниже качество)

Время печати
(сопло бОльшего диаметра наносит более широкий слой, тем самым сокращая количество периметров/времени, необходимого
для достижения заданной толщины стенки).


Диаметр филамента
(толщина прутка)

3D-принтеры обычно сконструированы
под один из двух
диаметров филамента:
1.75 мм (Prusa)
или 2.85 мм (Ultimaker).


Экструдер – часть
3D-принтера, которая отвечает за подачу филамента в печатающую голову.

Экструдер состоит из:

– мотора (или двух)
–зубчатых шестеренок, которые врезаются
в материал и толкают
его вперед.
Существует несколько разновидностей экструдеров:
Direct

Экструдер закреплен непосредственно
на печатающей голове

(например, 3d-принтер Prusa)


Bowden

Экструдер закреплен на неподвижной части
и соединен с печатающей головой трубкой,
по которой проталкивается филамент

(например, 3d-принтер Ultimaker)


Hybrid

Это вариант Bowden, но с короткой трубкой.
Сам экструдер подвешен на эластичных жгутах.



МАТЕРИАЛЫ
Для того, чтобы расплавить пластик, FDM-принтеры работают на высоких температурах.
Поэтому в процессе печати и механизмы, и стол, и сама модель достаточно горячие – можно обжечься!

В зависимости от предназначения и требований к печатаемой модели можно использовать различные материалы.
Давайте рассмотрим некоторые из них...
PLA – самый популярный материал для печати. Изготавливается из кукурузы и сахарного тростника. Считается экологичной альтернативой ABS. Не имеет запаха.
Плохо поддается механической обработке.

Температура печати: 200-250°C
Температура стола: 0-80°C
Обдув: желателен
ABS – самый популярный материал
для 3D-печати до появления PLA.
Хорошо поддается механической обработке. Максимальная температура эксплуатации выше, чем у PLA. Значительная термоусадка.
Имеет запах. Вредный.

Температура печати: 230-250°C
Температура стола: 90-110°C
Обдув: не рекомендуется
Flex – эластичный материал.
Не поддается механической обработке. Совместим с принтером Prusa.
Прямой экструдер.

Температура печати: 230-250°C
Температура стола: 90-110°C
Обдув: не рекомендуется


PVA – поливиниловый спирт.
Используется для печати поддержек. Растворяется в теплой воде.

Температура печати: 190-240°C
Температура стола: 50°C
Обдув: желателен

HIPS – высокопрочный полистирол. Применяется для печати поддержек.
Растворим в цитрусовом масле (D-Limonene).

Температура печати: 220-235°C
Температура стола: 90-110°C
Обдув: желателен не рекомендуется
CAST – материал на основе полиметилметакрилата с добавлением специальных пластификаторов. Материал подготовлен специально для печати объектов, применяемых в литье по выжигаемым моделям.

Температура печати: 220-235°C
Температура стола: 90-110°C
Обдув: желателен не рекомендуется
Тест №1
Начать тест
К какому семейству производственных технологий относится 3D печать?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Какой из перечисленных методов 3D печати был изобретен первым?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Самым доступным методом 3D печати на данный момент является?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Тебе стоит посмотреть
видео еще раз!
Неплохой результат!
Хороший результат!
Отличный результат!
Молодец!
ПОДГОТОВКА ФАЙЛА
Шаг 1: 3D-модель
Создайте 3D-модель в CAD-программе и сохраните ее в формате .STL или .OBJ
либо скачайте готовую модель с thingiverse.com.
Для сохранения 3D-модели в программной среде OnShape:

В левом нижнем углу рабочего пространства
во вкладке "Parts" нажмите правой кнопкой мыши на необходимый объект и выберите
опцию "Export".
В появившемся окне даем название файлу,
затем обязательно выбираем формат STL
и единицы измерения Millimeter.
Выберите необходимые параметры
разрешения Resolution.

Нажмите OK – файл скачается на ваш компьютер
Для сохранения 3D-модели в программной среде Fusion 360:

С левой стороны рабочего пространства
в дереве модели во вкладке "Bodies" нажмите правой кнопкой мыши на необходимый объект
и выберите опцию "Save As STL"
В появившемся окне убедитесь,
что вы сохраняете "Выбранное" (Selection),
и настройте необходимые параметры разрешения Refinement.

Нажмите OK – файл сохранится в место,
которое вы укажете
ПОДГОТОВКА К ПЕЧАТИ
Шаг 2: импорт в программу
После получения объекта необходимо подготовить файл для печати на 3D-принтере.
Подготовка файла осуществляется с использованием программ-слайсеров.

Для принтеров Ultimaker используется программа Cura
(1.5.x для Ultimaker 2 и старше; Cura 3.x, 4.x для моделей Ultimaker 3, 5)

Для принтеров Prusa используется Prusa Slicer.

В зависимости от фирмы и модели принтера настройки и особенности печати могут быть разными.
В данном случае рассмотрим настройки для 3D-принтера Ultimaker2...

Выберите нужный 3D-принтер из списка из меню Machine
(или добавьте 3D-принтер через Machine -> Add new machine)
.
Загрузите 3D-модель
в формате .STL, .OBJ, .DAE или AMF через меню File -> Load model file...
.
Вращение, масштабирование, дублирование, отражение, сдвиг модели можно осуществлять с помощью кнопок в нижнем левом углу окна.
.
При масштабировании модели можно задать размер в мм или в долях от исходного размера.

.
Дублирование можно вызвать через контекстное меню (правая кнопка мыши) Multiple object
.
Cura позволяет оценить примерное время печати
и расход материала
(инфо появляется в левом верхнем углу после загрузки модели).

Переключение режима отображения детали доступно при нажатии
на кнопку в правом
верхнем углу.

Шаг 3: настройка параметров
Следующим этапом рассмотрим подробнее настройку конкретных параметров печати.
Изделие/модель состоит из 3 частей:
стенка (Shell thickness),
заполнение (Fill Density)
и основания (Top/Bottom)

Обозначения:
SI – влияние параметра на прочность.
TI – влияние параметра на время печати.
QI – влияние параметра на качество поверхности.
Nozzle size (диаметр сопла)

Обычно составляет 0,4 мм

SI: наиболее вероятно,
что чем больше сопло,
тем меньше периметров приходится на стенку
– следовательно будет меньше полостей,
а прочность станет выше
(но не всегда)
TI: чем больше, тем меньше времени затрачивается
на печать.
QI: чем больше, тем ниже качество поверхности
.
Shell thickness (толщина стенки)

Толщина стенки должна быть кратна диаметру сопла. (на изображении
мы видим, что если изменить "nozzle size"
на 0,6 , то параметр
"shell thickness"
выдаст ошибку)

SI: чем больше,
тем прочнее.
TI: чем больше, тем дольше. QI:
.
Layer height (высота слоя)
Обычно составляет 0.1 - 0.25 мм для сопла диаметром 0.4 мм.

SI: наиболее вероятно, что чем больше отношение диаметра сопла к высоте слоя, тем прочнее (но не всегда)
TI: чем больше, тем меньше времени затрачивается на печать.
QI: чем больше, тем ниже качество.

Bottom/Top thickness (толщина оснований)

SI: чем больше, тем прочнее (но стенка важнее).
TI: чем больше, тем дольше.
QI:

Print speed (cкорость печати)

SI: чем выше, тем прочнее до момента, когда достигается предел производительности экструдера
(на изделии начинают появляться дефекты).
TI: чем выше, тем меньше времени затрачивается.
QI: зависит от площади изделия (если площадь маленькая, есть риск значительного снижения качества).
Fill density (заполнение)

SI: чем выше процент заполнения, тем прочнее
TI: чем больше, тем дольше
QI: –.


Platform adhesion type (увеличение адгезии между платформой и деталью через печать периметров вокруг детали)

Эту настройку стоит применять при малой площади соприкосновения детали со столом.

* Адгезия – сцепление поверхностей разнородных твёрдых и/или жидких тел
.
3D-принтер не может печатать по воздуху,
а в местах наклонных
или нависающих
поверхностей нагретый пластик может начать провисать, поэтому
для создания правильной геометрии модели придуманы поддержки (дополнительные опорные конструкции при печати).
.
Support type
(тип поддержки)

SI: с появлением поддержек периметр печати слоя увеличивается: следовательно, пока один слой печатается, предыдущий слой остывает и адгезия между этими слоями снижается,
а прочность падает.
(то же самое, если печатать сразу несколько деталей)
TI: время печати увеличивается
QI:
.
Отображение поддержек, генерируемых автоматически
.
Шаг 4: выбор сценария
В зависимости от предназначения печатаемой модели, необходимы разные настройки печати.
Рассмотрим, несколько сценариев...
Сценарий 1:
"Объект для демонстрации/прототип"
.
Сценарий 2:
"Очень быстрый прототип"
.
Сценарий 3:
"Прочное изделие"
.
Шаг 5: слайсинг
Программы для подготовки файлов к печати называются слайсерами, поскольку
они осуществляют слайсинг – разделение 3D-модели на слои для печати.
Кнопка "Layers" запускает
режим просмотра сгенерированных слоев.

Перемещение ползунка
в полосе прокрутки, расположенной в правом нижнем углу, позволяет увидеть, как будет пошагово происходить печать модели (по слоям).
.
Режим просмотра слоев
показывает строение детали с помощью цветов:

Красный цвет – внешний периметр;
зеленый цвет –стенка; сплошная желтая заливка – основания;
сетчатая желтая заливка – заполнение
Можно перейти в меню расширенных настроек
с помощью вкладки Export и затем "Open expert setting..."
.
Расширенные настройки

например:

Shallow /spiral
(печать по спирали; без перехода на новый слой)

Solid infill bottom/top (убрать основания)
.
Шаг 6: GCode

G-code — это язык программирования устройств с числовым программным управлением, который адаптирует
файл под 3D-принтер. В файле с расширением .gcode содержатся подготовительные команды, команды перемещения, затем выбора режимов обработки и технологические команды.
Для сохранения вашей
модели в формате GCode,
нажмите на вкладку File
и выберите опцию
"Save GCode..."
.
Тест №2
Начать тест
В каком формате нужно сохранить 3D модель, чтобы её можно было напечатать?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Какая толщина стенки должна быть, если диаметр сопла 0.4мм?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Какое утверждение является верным?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Тебе стоит посмотреть
видео еще раз!
Неплохой результат!
Хороший результат!
Отличный результат!
Молодец!
ПЕЧАТЬ
Шаг 7: проверка оборудования
Перед началом печати проверьте наличие необходимого количества филамента
и чистоту стола. Чем чище стол, тем крепче
будет держаться модель (можно протереть спиртом или специальным чистящим средством).

Также для улучшения адгезии модели
и стола используют лак для волос
либо различные виды клея (но с этим
не стоит экспериментировать самостоятельно).
Шаг 8: запуск печати
Полученный из модели GCode-файл сохраните
на SD карту. Вставьте ее в 3D-принтер.
Выберите в предложенном меню ваш
файл и нажмите Print.

Управление принтером осуществляется
с помощью колеса управления (справа).

Вращение колеса позволяет выбрать
настройку или наименование файла.
Нажатие – подтверждает выбор.
Шаг 9: контроль
После запуска печати стол и печатающая голова начнут нагреваться. После того, как они нагреются до необходимой температуры, начнётся печать.

Дождитесь завершения печати первого слоя
– он основополагающий. Если возникли
какие-то ошибки или дефекты,
перезапустите печать.


ВО ВРЕМЯ РАБОТЫ ПЕРИОДИЧЕСКИ ПРОВЕРЯЙТЕ ПРИНТЕР!

В процессе печати могут возникать некоторые проблемы, модель может оторваться от стола,
зацепиться за экструдер, может забиться
сопло и тд.

Поэтому контролируйте процесс и вовремя регулируйте настройки! Принтер можно оставлять работать на ночь, но в таком
случае вы рискуете увидеть картину,
как на приведенном изображении.
Шаг 10: извлечение детали
Когда модель напечатана, не спешите
ее снимать – дайте полностью остыть столу
(модель будет проще отлепить от стола).

Снимая напечатанный объект, прилагайте разумное усилие и будьте осторожны
с хрупкими деталями
.

Также можно использовать заостренные плоские предметы или нити. Для большего удобства существуют гибкие съёмные
подложки на стол.
ОБРАБОТКА ИЗДЕЛИЯ
Шаг 11: удаление поддержек
Для удаления поддержек
вам могут понадобиться:

– макетный нож или скальпель
– кусачки
– стамеска
– надфили

Не торопитесь выбрасывать удаленные поддержки из PLA – их можно переработать!


Шаг 12: сглаживание
Финальная обработка пластика после
3D-печати бывает механической и химической.

Наиболее популярными методами доводки распечатанных 3D-объектов являются:

– шлифовка
– пескоструйная обработка
– обработка парами растворителей
(даёт глянцевый эффект)
G-code — это язык программирования устройств с числовым программным управлением, который адаптирует
файл под 3D-принтер. В файле с расширением .gcode содержатся подготовительные команды, команды перемещения, затем выбора режимов обработки и технологические команды.
Тест №3
Начать тест
Чем чище стол, тем ...
Дальше
Проверить
Узнать результат
После запуска печати нужно...
Дальше
Проверить
Узнать результат
Для чего нужно полностью остудить стол?
Дальше
Проверить
Узнать результат
Тебе стоит посмотреть
видео еще раз!
Неплохой результат!
Хороший результат!
Отличный результат!
Молодец!
ПРИМЕРЫ ИЗДЕЛИЙ
Что сделано (получите баллы)
отметьте выполненное и мы зачислим вам баллы за прохождение и выполнение задания - а баллы вы можете менять на 3D-печать или другие бонусы в фаблаб.
(! баллы начисляются после вашей записи в кружок №1028968 на mos.ru или после заполнения анкеты здесь)