ZASADY DRUKU 3D

 

PRECYZYJNY DRUK 3D, FDM

 

Niniejszym przedstawiamy kilka zasad dotyczących precyzyjnego druku 3D w technologii FDM. Zapoznanie się z poniższymi zagadnieniami pomoże użytkownikowi rozwiązać pewne trudności z wydrukiem, a przyszłemu  użytkownikowi dokonać wyboru zakupu właściwej drukarki 3D.

1. WYSOKOŚĆ WARSTWY A WYSOKOŚĆ PRZEDMIOTU

ZASADA 1. Wysokość warstwy POWINNA BYĆ dzielnikiem bez reszty oczekiwanego wymiaru.
ZASADA 2. Wysokość warstwy powinna wynosić maksymalnie połowę średnicy dyszy.

 

Spełnienie obu zasad jest niezbędne przy wydrukach precyzyjnych.

Wydruki z drukarek 3D z dedykowanym oprogramowaniem i stałą dyszą 0,4 mm, w którym określenie wysokości warstwy ograniczone jest do wyboru z listy (np.: 0,09 mm; 0,14 mm; 0,19 mm; 0,24 mm; 0,29 mm; 0,34 mm; 0,38 mm) będą obarczone błędem wymiarowym wynikającym z niezastosowania się do zasady nr 1.

Przykład 1.
Chcemy wydrukować przedmiot o wysokości 100 mm dyszą 0,4 mm. Jaka powinna być optymalna wysokość warstwy?
Wybieramy jedną z możliwych pozycji na liście wysokości warstw np. 0,19 mm. Liczba warstw będzie wynosiła:
100 mm / 0,19 mm = 526,3157894736 … mm
Drukarka 3D może wydrukować tylko skończoną liczbę warstw. Zatem wysokość wydrukowanego przedmiotu będzie wynosiła:
                  0,19 mm x 526 (warstw) = 99,94 mm
lub
                  0,19 mm x 527 (warstw) = 100,13 mm
Dla wysokości warstwy 0,19mm i dyszy 0,4 mm spełniona jest jedynie zasada nr 2.
 

W drukarkach 3D ze stała dyszą 0,4 mm, z ogólnodostępnym lub licencjonowanym oprogramowaniem, w których można ustawić dowolną liczbę określającą wysokość warstwy spełniona będzie zasada nr 1.

Przykład 2.
Zadanie jak z przykładu nr 1.

Wymiar jaki chcemy osiągnąć czyli 100 mm dzielimy przez wysokość warstwy np. 0,2 mm tak, by osiągnąć liczbę bez reszty. W ten sposób zostanie spełniona zasada nr 1. Ilość warstw jaka zostanie wydrukowana wynosi 500.

Wysokość wydrukowanego przedmiotu będzie wynosiła:
                  0,2 mm x 500 (warstw) = 100 mm
Dla dyszy 0,4mm zostanie spełniona również zasada nr 2.  

Co się stanie, gdy zmienimy dyszę na 0,2 mm?

Przykład 3.

Zadanie jak z przykładu nr 2, lecz zmienimy dyszę na 0,2 mm. Wymiar jaki chcemy osiągnąć czyli 100 mm dzielimy przez wysokość warstwy np. 0,1 mm tak, by osiągnąć liczbę bez reszty. W ten sposób zostanie spełniona zasada nr 1. Ilość warstw jaka zostanie wydrukowana wynosi 1000.

Wysokość wydrukowanego przedmiotu będzie wynosiła:
                  0,1 mm x 1000 (warstw) = 100 mm
Dla dyszy 0,2 mm zostanie spełniona również zasada nr 2, a wydrukowany przedmiot będzie miał gładszą powierzchnię w dotyku i mniej widoczne ułożenie warstw.


2. ŚREDNICA DYSZY A MINIMALNA GRUBOŚĆ ŚCIANKI PRZEDMIOTU

Sposób druku 3D
Rys. 1. Sposób wydruku z tworzywa sztucznego (filamentu) w drukarkach FDM (FFF). Opis: 1- dysza, 2- warstwa filamentu (ścieżka), 3- platforma (stół) ruchoma w osi Y lub Z (źródło).

 

ZASADA 3. Minimalna grubość ścianki nie powinna być mniejsza niż średnica dyszy lub jej dwukrotność.

 

Przykład 4.
Rozważmy następujące zagadnienie: czy możliwe jest wydrukowanie ścianki 0,7 mm dyszą 0,4 mm?
Co zrobi program generujący g-code dla drukarek 3D ze stała dyszą 0,4 mm? A co wykona drukarka 3D?
Możliwe jest  jedno z poniższych rozwiązań:

A. W ogólnodostępnym lub licencjonowanym programie wpisujemy grubość ścianki 0,7 mm, średnicę dyszy 0,4 mm, generujemy kod. Na podglądzie widać, że program pominął ściankę gdyż, jej szerokość jest większa niż średnica dyszy, a mniejsza niż dwukrotność średnicy dyszy. Dzieje się tak, gdyż dla drukarki 3D niemożliwe jest położenie warstw jak na rysunku 2B.

Minimalna szerokość ścianki

Rys. 2. Zasady precyzyjnego wydruku ścianki o minimalnej szerokości. A – dwa perymetry; B – niewłaściwa szerokość ścianki. 

B. Dla przypadku A wykonamy pewien zabieg, gdyż na to pozwala nam oprogramowanie. Zmienimy ustawienia średnicy dyszy na 0,35 mm (choć fizycznie mamy dyszę 0.4 mm) oraz zmieniamy parametr flow (wypływ filamentu). Program wygeneruje kod na drukarkę i pokaże ściankę o wymiarze 0,7 mm składającą się z dwóch perymetrów (0,35 mm każdy). Ten przykład pokazuje jeden ze sposobów radzenia sobie z drukarką, która ma niewymienną dyszę o średnicy 0,4 mm. Jest to jeden z przykładowych algorytmów działania dedykowanego programu

Co to oznacza w praktyce? Przeprowadziliśmy doświadczenie dla przypadku B. Drukarka 3D z dyszą o średnicy 0,4 mm wydrukuje ściankę o szerokości 0,73 mm, a nie 0,7 mm jakbyśmy tego oczekiwali. Warstwy będą słabiej sklejone co może doprowadzić do rozwarstwienia się ścianki (rys. 3A).

Zasady precyzyjnego druku 3D

Rys. 3. A – słabe sklejenie warstw przy wymuszonym wydruku ścianki o szerokości 0,7 mm dyszą o średnicy 0,4 mm. Wydruk możliwy przy ingerencji w parametry średnicy dyszy i  flow – działanie nie zalecane dla precyzyjnych wydruków. Rzeczywista szerokość wydrukowanej ścianki wynosiła 0,73 mm. Ingerując w parametr flow zmniejszamy kontrolę wypływu filamentu, co powoduje, że o powtarzalności wydruków decyduje przypadek. B – prawidłowe ułożenie i sklejenie warstw przy rzeczywistym zastosowaniu dyszy 0,35 mm.

Jeśli chcemy wydrukować grubość ścianki o wymiarze dokładnie 0,7 mm powinniśmy drukować dyszą 0,7 lub 0,35 mm lub cieńszą (wykorzystując wypełnienie).

Przykład 5.
Czy możliwe jest wydrukowanie ścianki 1 mm dyszą 0,4 mm?

Tak, gdyż w tym wypadku nie naruszana jest zasada nr 3. W przekroju ścianki będzie widać dwie warstwy 0,4 mm, a pomiędzy nimi wypełnienie, które można regulować w zakresie 0-100 %. Przy większych wymiarach grubości ścianki możliwe jest również ustawienie kilku perymetrów („obwódek”) obok siebie.
  


3. skurcz materiału A WYMIAROWANIE

Tworzywa sztuczne przeznaczone dla druku 3D to niekiedy te same tworzywa, które są  stosowane w formowaniu wtryskowym. Tworzyw sztucznych o dużym skurczu (np. ABS) nie poleca się do wydruków wielkogabarytowych. Przy wydrukach precyzyjnych możemy napotkać na przeszkody w postaci nietolerancji wymiarowej, choć częściej spotkamy się z rozwarstwieniem oraz wyginaniem się bryły.

Najczęstszymi sposobami radzenia sobie ze skutkami skurczu są:

A.     Dla wyginania się bryły:

a.     większy „brim” (szeroka „obwódka” dla pierwszej/szych warstw), aby wydruk się nie wygiął i nie oderwał od stołu
b.     wypełnienie w kształcie plastra miodu

B.     Dla rozwarstwiania:

a.     zwiększenie temperatury ekstruzji, ale należy uważać, aby nie osiągnąć temperatury degradacji tworzywa. Grozi to zatkaniem głowicy i koniecznością jej czyszczenia.

C.     Dla nietolerancji wymiarowej - wydrukowanie przedmiotu, zmierzenie wymiarów i wykonanie korekty w celu osiągnięcia oczekiwanej wielkości. Korektę dokonuje się:

a.     albo poprzez procentowe powiększenie obiektu w programie (najczęściej stosowane)
b.     albo poprzez zmiany w rysunku.


4. wymiana głowic

Niektórzy producenci zapewnili użytkownikowi możliwość wymiany modułu głowicy na inny, z inną średnicą dyszy. Najczęściej zabieg ten stosuje się aby:

  • zapewnić dokładność wymiarową (patrz punkt 1 i 2)
  • zapewnić wygodę pracy. Drukując z różnych rodzajów tworzyw sztucznych (filamentów) możliwe jest zatkanie dyszy, co w konsekwencji doprowadzi do konieczności wyczyszczenia głowicy, a w najgorszym wypadku do serwisowania drukarki 3D. Zjawisko to może wystąpić przy zamiennym drukowaniu z filamentów o dużej różnicy temperatury ekstruzji (większej niż 40° C). W celu ograniczenia częstości występowania tego zjawiska można stosować wymienne moduły głowic, dla filamentów o niższej temperaturze ekstruzji i o wyższej.

5. różne średnice dyszy

ZASADA 4. Grubsza dysza - szybszy wydruk kosztem dokładności.
ZASADA 5. Cieńsza dysza - wolniejszy wydruk, ale bardzieJ dokładny.

 

Mocno pochylone, cienkie ścianki lepiej jest drukować cienką warstwą, grubą dyszą ze względu na lepsze sklejenie się warstw dzięki ich większemu zachodzeniu na siebie (rys. 4C).
Zasady druku 3D pod dużym kątem

Rys. 4. Druk ścianki pod ostrym kątem. C - zalecany sposób nakładania warstw. Opis: wymiar 0,4 mm i 0,8 mm – szerokość warstwy; wymiar 0,2 mm i 0,1 mm - wysokość warstwy.


6. szczelność wydruków 3D

Dla uzyskania szczelnego wydruku producenci filamentów zalecają stosowanie odpowiednich tworzyw sztucznych takich jak PET, ABS z jego odmianami (PC/ABS, HABS, itp.) czy guma (TP, Flex, itp.). Jeśli szczelność wydruku jest zbyt mała można stosować dodatkowe zabiegi w postaci powlekania powierzchni żywicami, chromowanie lub kąpiele w roztworze acetonu. Jednakże pierwszym krokiem przy szczelnych wydrukach jest odpowiednie dobranie wysokości drukowanej warstwy. Czasami - jeśli to możliwe - zwiększamy ilość perymetrów lub regulujemy parametr flow (wypływ materiału z dyszy).

Uwagi: PET nie jest tworzywem odpornym na stężone kwasy. Dla gazów polecany jest PET i ABS z jego odmianami.


7. DEDYKOWANE OPROGRAMOWANIE, OPEN SOURCE CZY LICENCJONOWANE

Każde rozwiązanie maj swoje zalety i wady. Zaletą oprogramowania dedykowanego jest bardzo prosta obsługa, najczęściej ograniczona do wyboru opcji przypisanych do konkretnych parametrów (rodzaj filamentu, wysokość warstwy, procent wypełnienia). Z dedykowanym oprogramowaniem wiążą się ograniczenia w postaci dedykowanych, dużo droższych filamentów oraz uzależnienie od dystrybucji producenta drukarki 3D. Aktualnie dostępne na rynku drukarki 3D z dedykowanym oprogramowaniem posiadają głowice ze stałą średnicę dyszy, najczęściej 0,4 mm. Brak możliwości druku z różnymi średnicami dyszy uniemożliwia precyzyjne wydruki (patrz punkt 1, 2).
 

Największą zaletą oprogramowania typu open source (Slic3r, Cura, Skeinforg, itp.) jest jego bezpłatne używanie przez użytkowników i rozwijanie przez społeczność związaną ze środowiskiem druku 3D. Oprogramowania te dają możliwość ustawiania znacznie większej ilości parametrów wpływających na jakość wydruku. Jako minus tych rozwiązań można wymienić obsługę, do której potrzebna jest wiedza dotycząca zasad drukowania 3D, w przeciwnym wypadku może upłynąć trochę czasu zanim wykonamy poprawny wydruk.

 

Płatne programy przygotowane przez wyspecjalizowane firmy uchodzą za najlepsze na rynku. Dają znacznie większe możliwości niż programy dedykowane np. umożliwiają wydruk przedmiotu z różnym wypełnieniem, na różnych wysokościach co znacznie skraca czas wydruku i ogranicza zużycie materiału oraz wagę przedmiotu.