Введение в 3D печать, Часть 1: Принципы работы, пластики, выбор принтера

Данная статья имеет очень большой размер, потому она была разбита на несколько постов по рекомендации администрации для удобства чтения. В первой части речь пойдет о конструкциях принтеров и экструдеров, типах пластиков, принципах печати и непосредственно покупке принтера. Во второй рассмотрим подготовку моделей, работу со слайсерами, разные аспекты печати и борьба с типовыми проблемами. Третья часть будет посвящена постобработке модели, ее склейке и окраске. Статья написана в середине 2015 года мною, Игнатом Погудиным, на основании своего собственного опыта работы с 3D печатью и собранной в этой области информацией, а потому местами довольно субъективна и в некоторых вопросах, например, выбор принтера или подход к выбору слайсера, может не совпадать с мнением большинства. Сайт 3DToday выбран в качестве площадки для выкладывания данной статьи, авторство которой я оставляю за собой. В статье используется некоторое количество графических материалов, автором которых я не являюсь. В большинстве случаев это изображения типовых или отсутствующих у меня изделий и обычно я указываю это непосредственно в тексте. К сожалению, я не нашел метода масштабирования для изображений, потому местами их размер может быть избыточным по отношению к тексту.

Введение

В моей предыдущей статье про создание в подарок архитектурного макета церкви, в комментариях была просьба рассказать про сам принтер. Несмотря на то, что рассказов «я купил себе 3Д принтер» уже довольно много, я подумал: а почему бы и нет. Ведь можно написать этакое эссе на тему «как я купил принтер и какими именно методами уговаривал его печатать». Что-то вроде рассказа про 3д печать вообще и принтер в частности, плавно переходящий в небольшое введение в практику пластиковой печати. Большинство «немного интересующихся» знают в основном только то, что принтер печатает какими-то пластиками, а также смотрели напоминающие скринсейверы видео с принтерами, которые плавно заполняли слои пластика, выводя при печати своеобразные трели, смахивающие на какую-то очень странную электронную музыку. Собственно, на этом все и заканчивалось.

С этим, я приступил к созданию статьи. Но получилось так, что по ходу появилось желание пояснить различные нюансы печати, чтобы любой чайник в данном вопрос мог понять саму тему 3Д печати в той мере, которая потребуется ему, если он все-таки решит купить себе принтер и заняться любительской 3Д печатью. В результате из отзыва о принтере с пояснениями на тему 3Д печати получилась, такое вот странное сочетание слов, «любительская фундаментальная» статья, охватывающая широкий спектр вопросов 3Д печати, с небольшими включениями отзыва о покупке конкретного принтера. Вариант «все в одном», что-то вроде «малая настольная книга начинающего печатника», в которую лишь немного вплетен рассказ о покупке 3Д принтера и работе с ним. Статья для чайников с попыткой объять необъятное.

В статье будет вестись речь не о всех разновидностях 3Д принтеров и печати на них, а только о FDM (Fused Deposition Modelling), т.е. печать путем последовательной укладки слоев нагретым пластиком. Эта технология сейчас наиболее распространена, в отличие от SLS или SLA принтеров, которые, несмотря на схожесть аббревиатур, являются совершенно разными устройствами – селективное лазерное спекание и стереолитографическая печать – данные принтеры пока слишком дорогие и потому малораспространенные в категории условно домашних устройств.

Данная статья может быть интересна как далеким от темы людям, которые хотят в ней немного разобраться, так и уже начинающим и не только, чтобы осмыслить уже знакомые аспекты и узнать что-то новое. Статья написана в плавающем стиле, с переходами от вольного к энциклопедическому и обратно. Небольшой дисклеймер: часть используемых в статье изображений взята с интернета, т.к. у меня нет дельта-принтера для фотосессии, и многочисленные тесты пластиков на одной и той же модели я не проводил, также я использовал фотографии из интернета типовых изделий вроде резиновых шпателей и баночек суперклея. Итак, приступим…

1. Немного нудной теории

Здесь я собрал описание некоторых нюансов технологии печати, по которому можно более менее определиться с «понятиями и определениями» пластиков и кинематик принтеров.

Что вы все знаете, это то, что принтер печатает нагретым до температуры плавления пластиком. Что их, пластиков, есть вроде как несколько разновидностей, а дальше идет магия медленного и постепенного «вырисовывания» результата под печатные трели самого принтера. Потому я приведу общую информацию для понимания процесса.

1.1. Некоторые принципы печати

Кроме очевидного «печать разогретым пластиком через сопло», стоит обратить внимание на несколько фундаментальных для 3Д печати моментов. Например, сильно нависающие или же вообще висящие в воздухе на момент печати нижних слоев элементы печатаются с помощью выстраиваемых поддержек, но они не позволяют сделать нижнюю поверхность печатаемого элемента гладкой. В случае, когда вы печатаете поверхность сложной формы, эту нижнюю поверхность часто вообще невозможно обработать до получения достаточно качественного результата. Здесь требуется выстраивание поддержек другим типом пластика так, чтобы слой поддержки образовывал ровную поверхность со сплошным заполнением перед укладкой уже «конструкционного» слоя.

Не следует рассчитывать на очень высокую скорость печати, т.к. это ощутимо снижает качество конечного отпечатка – на углах появляется «звон» – появление небольших затухающих волн, являющихся следствием инерции печатающей каретки и растяжения управляющих ремней, на прочих участках начинают проступать микролюфты механики.

Качественная печать долгая… Да, «осторожно, кофе горячий», но это банальность, которая становится суровой реальностью после восьмого часа печати сложной модели. И вы понимаете это, когда одну и ту же маленькую фигурку вы отправляете на печать типичным «быдло-слоем» в районе 0.25 мм и когда вы печатаете в два с лишним раза дольше, но слоем 0.1 – разница в качестве таких отпечатков будет видна далекому от 3Д печати человеку.

Кстати о сложных и крупных моделях… Их невозможно напечатать, просто нажав кнопку Печать. Требуется разбиение вручную на множество элементов, учет масштабов так, чтобы элементы не оказались слишком тонкими (когда речь идет о дизайнерской печати, где исходная модель делается без поправки на печать в масштабе 1/50-1/100) и прочие элементы предпечатной подготовки.

Изучение софта и тонких настроек. Когда вы покупаете свой первый автомобиль, зная только, что где-то там у него находится инжектор и стойки, т.е. без опыта эксплуатации и ремонта машин друзей и родственников, но когда при этом год выпуска машины сравним с годом выдачи вашего школьного аттестата, то вы в глубине души надеетесь, что вам не придется в ближайшее время знакомиться с автомехаником и что вы будете лишь заливать в машину бензин. Но как показывает практика, как неизбежно знакомство с механиком с обращением вида в лучшем случае «у меня там немного брякает, гляньте, пожалуйста», в худшем «а почему у меня уже неделю горит вот эта красная лампочка с масленкой», так неизбежно и изучение чисто технических нюансов, касаемых скоростей и толщин слоев. Они будут отвлекать вас от процесса творчества, но на данный момент отрасль 3д печати недостаточно развита, чтобы можно было свести всю технологию печати к нажатию двух кнопок.

Для получения качественного, а часто и вообще хотя бы приемлемого результата придется вникать в различные и при этом многочисленные настройки слайсеров.

1.2. Пластики

Уже сейчас их существует огромное количество, включая резиноподобные, токопроводящие, «стеклянные», «деревянные» и даже гипсоподобные, но «канонично» есть три типа пластика, от которых уже можно плясать дальше в понимании процесса:

1) ABS. Это типовой инженерный «all purpose» пластик. Он прекрасно обрабатывается и клеится, и им напечатана большая часть моделей, которые вы видели вживую или в интернете. Им печатают при средней (плюс-минус в зависимости от конкретного пластика и предпочтений печатающего) температуре 230 градусов. Т.к. у этого материала сравнительно высокий коэффициент термического расширения, он требует наличия у принтера подогреваемой платформы (heatbed), без которой печать им очень усложняется вплоть до полной невозможности. Самая известная проблема с данным пластиком – деламинация – отклеивания краев модели от стола из-за неоднородности остывания модели при печати. Скажу только, что война с деламинацией напоминает вечную борьбу добра и зла.

Как и PLA, ABS пластик выпускается во всем спектре цветов. У разных цветов может отличаться качество печати из-за различия в используемых красителей. Отмечу одну особенность: есть белый и натуральный ABS. Они похожи, но натуральный идет без матирующего красителя. Если вы планируете печатать для показа, не крася при этом модель, то лучше использовать белый, т.к. в отличие от него, натуральный немного прозрачный, потому мелкие детали будут скрадываться.

2) PLA. Тоже очень популярный для печати пластик, производимый на основе продуктов переработки кукурузы или сахарного тростника. Разлагается бактериями со временем, хотя я не видел ни одной разложившейся в обычных условиях модели из него. Имеет очень слабое термическое расширение, в результате чего им можно печатать объекты практически любых размеров. Но он более сложен в последующей обработке и мною не использовался. Скажу, что большинство «деревянных» и прочих подобных пластиков делаются на основе PLA.

3) PVA. Водорастворимый пластик, использующийся для создания поддержек нависающих элементов. Используется вторым экструдером. Довольно дорогой, а потому, а также по причине меньшей распространенности двухэкструдерных принтеров, на текущий момент малопопулярный. На момент написания наши производители (не буду заниматься рекламой) запускают в производство данный пластик по предположительно разумной цене, будем посмотреть. Добавлю, что получить гладкую нижнюю «подвешиваемую» поверхность при использовании суппортов из ABS пластика практически нереально без подъедающей детали химической обработки, потому для некоторых моделей сейчас сам смотрю в направлении этого материала.

1.3. Кинематика

Дабы не расписывать на три страницы, упрощенно скажу, что их две: ортогональная и цилиндрическая. Ортогональные, есть нескольких исполнений, сводящихся к тому, с какой стороны бить яйцо, т.е. подвижна ли платформа, а если подвижна, то по какой оси. Цилиндрическая – так называемая «delta» кинематика – позиционирование печатающей головки производится с помощью трех расположенных по форме трехлучевой звезды тяг. При этом, они позиционируют головку как по X и Y, так и по высоте, а потому подложка может быть жестко закреплена на корпусе. Данная механика более требовательна к качеству исполнения, но обычно (по моему непроверенному мнению) позволяет реализовывать бОльшие скорости перемещения и печати, по причине частого использования bowden экструдеров и контроля положения головки посредством трех тяг (осей), а не двух, как в обычных «ящиках». Забегая вперед, скажу, что мой принтер использует ортогональную кинематику, использующуюся в Makerbot Replicator.

Для примера обычных «кубиков» взят не каноничный Makerbot Replicator, а FlashForge просто по причине того, что новые Мейкерботы идут в темных металлических корпусах и потому их фотографии хуже для понимания, что это вообще такое.

1.4. Экструдеры

Их существует множество конструкций, но, как и принтеры, их можно разделить на два основных типа: wade и bowden. На фото приведен «двухголовый» вариант wade экструдера.

В первом случае мотор подачи пластика находится непосредственно рядом с подающим соплом, во втором закреплен на раме принтера (в редких случаях закреплен висящим в воздухе над печатающей головкой), а пруток подается от мотора до сопла по тефлоновой трубке.

Преимущество wade экструдера: малое расстояние от мотора до сопла, а потому существенно меньше проблемы с «соплями» – остатками вытекающего из сопла пластика при прекращении подачи при переходах между отдельными участками печати, что особо существенно при использовании PLA пластика, т.к. он более текучий.

Преимущество bowden экструдера: значительно меньшая масса печатающей каретки (мотор составляет большую часть веса экструдера), позволяющая увеличить скорость печати в сравнении с wade, которой, скорости, и так постоянно не хватает, без снижения качества.

2. «Муки выбора»

Началось все с процесса изучения темы, переходящего в выбор конкретной модели или группы моделей, из которых уже можно было бы выбирать при заказе. Таким образом, я набрел на некий Робофорум, на тот момент являющийся чуть ли не единственным русскоязычным ресурсом, где был настоящий действующий форумный раздел, посвященный 3Д печати, с множеством активных пользователей, которых можно почитать и/или задать им вопрос.

Несколько дней я просто читал форум, что начало формировать конкретные мысли. Насколько я смог понять, большинство принтеров являются самоделками на основе различных условно серийных (назвать действительно серийными модели, состоящие из кучи тяг и отпечатанных на принтере же шестеренок все же сложно) моделей. Не буду подробно останавливаться на названиях и кинематиках этих принтеров (кратко я их описал выше), т.к. у каждой из них есть свои преимущества применительно к какому-то размеру, точности и качеству исполнения и кошельку. На текущий момент идеальный FDM принтер еще не изобретен.

Ниже больше расскажу про свой собственный выбор принтера, но, говоря о выборе принтера вообще, нельзя не упомянуть наиболее популярный вариант – кит для самостоятельной сборки на основе конструкции Mendel Prusa. Выглядит он приблизительно следующим образом – на паре фотографий из интернета изображен сам принтер и один из вариантов китов:

Данные фотографии взяты с разных сайтов, потому модификации принтеров могут немного отличаться. Киты данного принтера продаются в разных комплектациях: нередко это просто набор пластиковых деталей, а моторы, электронику, подшипники, шпильки и ремни требуется искать отдельно.

Этот принтер очень популярен из-за дешевизны, имеет множество вариантов исполнения, в чем особо преуспели китайцы, может идти как с нагреваемой кроватью, так и без нее (напоминаю, нагреваемая кровать обязательна для печати ABS пластиком). Основными недостатками лично я считаю открытый корпус и, следовательно, подверженность всем сквознякам, невысокая жесткость в большинстве исполнений, не слишком большое поле печати и подвижная по горизонтали платформа, что может сказаться на качестве печати элементов малой жесткости – например, тонких высоких столбиков. Но, повторяю, это один из самых доступных принтеров, позволяющий получить вполне приличное качество печати.

Изучение форума привело меня к одной простой мысли: нет, я не пойду по пути, по которому пошел большой процент пользователей – не буду брать разумно недорогой кит у китайцев для последующей сборки, браться будет готовый собранный принтер. На это есть несколько причин:

1) Мне желательно найти принтер с разумно большим полем печати, тогда как большинство китов на момент покупки ограничивали поле печати в районе 12х12 см;

2) Требуется не открытый «реечный» вариант, а «ящик» – то, что можно содержать в обычной квартире, закрыв кожухом и потому не слишком воняя парами пластика и изолировав область печати от сквозняков;

3) Желательна двухэкструдерная модель для печати поддержек PVA пластиком. Нельзя знать заранее, понадобится это или нет, но пусть будет;

4) Обязательно наличие подогреваемой кровати, т.к. в первую очередь я планировал печатать ABS пластиком;

5) Прочтение множества тем на форуме заронило в меня каверзную мысль, что часто самоделки сводятся к созданию принтера, который продолжительно доводится до ума, а на нем печатаются детали для постройки более совершенного принтера, таким образом замыкая цикл производства. Т.е. постройка принтера для постройки принтера. Я же изначально планировал брать принтер для печати чего-то конкретного, потому постарался от темы замкнутого круга самоделок уйти.

С этими вводными круг потенциальных моделей сузился до одной уже конкретной модели Makerbot Replicator 2, точнее до его китайских клонов, т.к. цена на «оригинал» категорически негуманна, а качество печати китайцев по тестам вызывают в памяти известную фразу «зачем платить больше».

[IMG ID=17937 WIDTH=502 HEIGHT=480]

На рынке, а точнее, чего уж, на Aliexpress, на момент покупки было несколько производителей данного клона: уже сделавший себе имя и «забуревший» Wanhao, менее известный CTC и только появившийся там FlashForge. На тот момент я еще сомневался – «а надо ли мне оно», т.е. принтер вообще, но при появлении предложения двухэкструдерного FlashForge Creator с двумя бобинами ABS пластика за 29 тысяч рублей (сентябрь 2014 года) – «они сделали мне предложение, от которого я не смог отказаться».

Здесь заканчивается первая часть Введения в 3D печать. Во второй части мы перейдем к знакомству со слайсерами, подготовкой модели и к самой печати.