07.09.2019 в 12:35   printmen

Поддержки в 3D-печати

3D печать может осуществляться различными методами, но на данный момент в основе каждого их них лежит послойное формирование т.е. каждый объект выращивается определенным образом и состоит из множества горизонтальных слоев склеенных собственным или связующим материалом. Если ваша модель имеет выступ или свесы, которые не поддерживаются в процессе печати, вам необходимо добавить дополнительные структуры, чтобы обеспечить успешную печать, в противном случае каждый следующий слой «висящий в воздухе» будет провисать и качество отпечатка будет неприемлемо. Поддержки в большинстве случаев не требуются в 3D печати методом спекания или связывания порошковых материалов в частности технология SLS, DLMS, SLM, CJP, SHS, т.к. свесы и выступы поддерживаются материалом окружающим модель во время печати.

Несущие конструкции считаются неизбежным злом в 3D-печати. С одной стороны, они абсолютно необходимы для моделей с критичными свесами, выступами или мостами. С другой стороны, они увеличивают расход материала, увеличивают время последующей обработки и могут сильно повредить поверхность модели. Поэтому правильное создание поддерживающих структур 3D-печати является очень важным аспектом 3D-печати сложных моделей. В этой статье мы рассмотрим все, что вам нужно знать о поддержках в 3D-печати.

В предыдущей статье мы рассмотрели рекомендации по проектированию 3D моделей, где рассматривается каких минимальных толщин и углов нужно придерживаться. 

Когда нужно создавать поддержки для 3D печати?

Вот несколько примеров выступов и мостов, проиллюстрированных с помощью букв Y, H и T.

Выступы и мосты проиллюстрированы на классическом примере букв Y, H и T.

Не все свесы нуждаются в опорах — правило 45 градусов

Однако не все свесы должны поддерживаться. Общее практическое правило: если свес наклоняется под углом менее 45 градусов от вертикали, вы можете смело печатать модель, не используя опорные конструкции

Для свесов под углом более 45 градусов от вертикали требуются поддержки для 3D-печати

Оказывается, что 3D-принтеры используют очень небольшое горизонтальное смещение (едва заметное) между последовательными слоями. Таким образом, слой не укладывается идеально поверх предыдущего слоя, а складывается с небольшим смещением. Это позволяет принтеру печатать свесы, которые не слишком сильно отклоняются от вертикали. Все, что ниже 45 градусов, может поддерживаться предыдущими слоями.

Этот аспект лучше всего иллюстрируется буквами Y и T. Два выступа в букве Y имеют угол менее 45 градусов относительно вертикали. Поэтому, если вы хотите напечатать букву Y, вы можете это делать без использования каких-либо структур.

Выступы в форме буквы Y не требуют поддержек, между тем при печати буквы Т они необходимы

С другой стороны, выступы в букве Т имеют угол 90 градусов от вертикали, поддержки просто необходимы, в противном случае результат будет неудовлетворительным, как показано ниже.

Не всем мостам требуется поддержка — правило 5 мм

Точно так же как свесы, не все мосты нуждаются в поддержках. Здесь действует следующее правило: если длина моста меньше 5 мм, принтер может распечатать его, без поддержек.

Для этого принтер использует технику, называемую шунтированием — когда он растягивает горячий материал на короткие расстояния и печатает его с минимальным провисанием.

Однако, если длина моста больше 5 мм, этот метод не работает. В этом случае вам необходимы опоры.

Мосты длиной более 5 мм не могут быть напечатаны без поддерживающих структур для 3D-печати

Протестируйте ваш 3D принтер на возможность свесов

Как было описано выше свесы от вертикали под углом менее 45 градусов, не нуждается в поддержках. Этот угол может варьироваться и он очень сильно зависит от вашего принтера, его состояния и материала, который вы используете. Принтеры в плохом состоянии могут даже не печатать без поддержек, свесы под углом 35 или 40 градусов от вертикали.

Выявить оптимальный угол довольно просто. Просто скачайте эту модель Massive Overhang Test и распечатайте ее. Эта модель имеет ряд выступов от 20 градусов до 70 градусов с шагом 5 градусов.

Тест на свесы

Определите угол, в котором слои начинают провисать. Это максимальный угол наклона, который ваш принтер может печатать без поддержки.

Недостатки использования поддержек для 3D печати

Увеличение расхода материала

Несущие конструкции требуют дополнительного материала они удаляются и выбрасываются после печати.

Если вы используете 3D-печать в коммерческих целях, то скорее всего, вы заботитесь о стоимости модели и конечно же стоимость отпечатка с наличие поддержек в себестоиомсти будет дороже, чем печать без оных.

Увеличенние времени 3D печати

Поддержки несмонено увеличивают время 3D-печати, в связи с большим объемом используемого материала.

Дополнительная постобработка 3D модели

Вспомогательные структуры требуют дополнительную постобработку

Поддержки не являются частью модели. Это означает, что после завершения печати у вас есть дополнительная задача — удалить структуры до того, как модель будет использоватся по назанчению.

В производственных условиях, дополнительная работа означает увеличение себестоимости 3D модели.

Риск повреждения модели

Слева: поддержка удалена без особых повреждений, В середине: удаление поддержки вызвало повреждение, Справа: печать с поддержками

Структуры поддержки соприкасаются и часто прилипают к стенкам моделей. Осторожны удаляйте структуры поддержек, в проивном случае они могут оставить повреждния на поверхности модели. В худшем случае часть модели может сломаться вместе с поддержкой.

В целом, есть существенные недостатки использования дополнительных несущих конструкций для 3D-печати. Поэтому — еще одно практическое правило: минимизируйте использование поддержек при 3D-печати ваших моделей и добавляйте их только при необходимости. В последующих разделах мы покажем вам, как применять это правило прямо на этапе проектирования, вплоть до печати.

Геометрия поддержек

Существует два распространенных типа поддержек для 3D-печати: древовидная (точечная) и линейная / аккордеонная.

Древовидные (точечные) поддержки

Древовидная поддержка — это древовидная структура, которая поддерживает выступы 3D модели. Этот тип поддержки для 3D-печати касается только выступов в определенных точках.

Древовидные структуры поддержек 3D-модели

Преимущество использования древовидной поддержки 3D-печати состоит в том, что ее легче удалить, не повредив соприкосающиеся части выступа и расходуется меньше материала. Но обратите внимание, что они подходит только для неплоских выступов, таких как кончик носа, кончик пальца или дуги. Они не обеспечивает достаточной устойчивости для горизонтальных, плоских выступов.

Линейная или Аккордеонная Поддержка

Это наиболее распространенный тип поддержки, используемый в 3D-печати. Этот тип поддержки состоит из вертикальных столбиков, которые касаются всего свеса, выступа или моста. Этот тип поддержки работает практически для каждого выступа и моста. Тем не менее, их гораздо сложнее удалить и они гораздо чаще приводят к повреждению поверхности модели, к тому расход материала много выше, чем при использовании древовидных поддержек.

Структуры поддержки линейной 3D-печати (источник: Flashforge)

Поддержки и 3D модель из разных материалов 

Если у вашего 3D принтера один экструдер, используется один и тот же материал для печати модели и поддержек. Поскольку модель и опорные конструкции для 3D-печати сделаны из одного и того же материала, единственный способ отделить их — либо отломать поддержки вручную, либо аккуратно отрезать их ножом, к тому адгезия собственного материала лучшая, по сравнение с использованием разных, что для поддержек не является плюсом.

Альтернативный вариант — использование 3D принтеров с двойными экструдерами.

Растворимые поддержки 3D-печати

Растворимые поддержки легче удалить, но они требуют двойного экструдера

Если у вас есть принтер с двумя экструдерами, есть отличный вариант. Вы можете заправить один экструдер PLA нитью для печати модели, а другой водорастворимым материалом, такими как PVA или HIPS, растворимым в лимонене. После завершения печати просто смойте опорную конструкцию, погрузив модель в растворитель.

Этот метод удаления снижает риск повреждения модели и облегчает последующую обработку. Идеально подходит для сложных отпечатков!

Как правильно удалить поддержки для 3D-печати

Поскольку поддержки 3D-печати зачастую сложно удалить и они могут повредить модель, рассмотрим несколько проверенных приемов, чтобы правильно их удалить.

  1. Во-первых, определите несущие конструкции 3D-печати, которые полностью открыты и легко удаляются пальцами рук. Если вы все сделаете правильно, большая часть структуры поддержек должна легко оторваться.
  2. Используйте инструмент для удаления структур поддержек 3D-печати, в трудно доступных местах. Есть много мнений о том, какие инструменты работают лучше всего. Вы можете использовать плоскогубцы, шпатель,кусачки или канцелярский нож.
  3. При использовании ножа или шпателя рекомендуется слегка нагреть лезвие. Это облегчает нарезку структур поддержки 3D-печати. Бутановая горелка может помочь, не переусердствуйте, убедитесь, что вы не повредите модель.
  4. Многие люди не одобряют использование ножей, потому что это довольно острый и опасный инструмент. Один промах и вы можете получить отрезанный палец, вместо отрезанной опоры.
  5. Наждачная бумага также отличный инструмент для удаления. Шлифование наждачной бумагой с высокой зернистостью (от 220 до 1200) удалит структуры, а также отполирует модель. Для достижения наилучших результатов нанесите на деталь воду и шлифуйте ровными легкими движениями до тех пор, пока не получите желаемое качество поверхности.
  6. Модели на основе PLA могут образовывать напряжения, когда несущие конструкции 3D-печати отрываются от них, что приводит к появлению царапин и дефектов. Лак для ногтей является отличным инструментом для исправления или маскировки.

Минимизация объема поддерживающих структур для 3D печати благодаря продуманному дизайну 3D модели

Интегрируйте поддержки в 3D-модель

Один из способов избежать использования поддержек — добавить в модель элементы, которые могут выполнять ту же работу. Этот трюк использовался скульпторами на протяжении веков. Например, посмотрите на эту скульптуру Антонио Кановы «Венера Витрикс».

Венера Витрикс Антонио Канова

Здесь правая рука — это выступ, но она поддерживается подушками. Левая нога — еще один выступ, но на этот раз сгруппированный тог выступает в роли опоры.

Следующий пример — модель «The Guardian» от дизайнера @fantasygraph. Ноги и ягодицы модели поддерживаются платьем. Копье, прикрепленное к основанию, служит опорой для левой руки.

The Guardian от @fantasygraph показывает, как опоры могут быть интегрированы в модель.

Интеграция структуры поддержки 3D-печати в дизайн — это больше искусство, чем наука. Вам нужно придумать элементы, которые одновременно вписываются в общий дизайн и могут поддерживать выступы или мосты. Если все сделано правильно, это увеличивает красоту модели и освобождает процесс печати от использования поддержек — экономя время, деньги и труд.

Фаски

Еще один способ устранить необходимость в структурах поддержки — это фаски. Фаски — отличный способ превратить отвратительные выступы в безобидные выступы с углами менее 45 градусов.

Ломанную вы можете заменить на прямую, в итоге получится угол до 45 град. который не требует поддержки. Такой дизайн называется фаской.

      Слева: постепенно скругленный край, требующий поддержки. Справа: прямой край, который можно печатать без структур поддержки

Точно так же, если у вас есть отверстие в модели, вы можете преобразовать его в граненное отверстие, например в форме капли. В большинстве случаев это не повлияет на общую эстетику модели. Но это поможет вам уменьшить количество поддерживающих структур, необходимых для печати модели.

Отверстие в форме слезы

Минимизация структур поддержек 3D-печати путем переориентации

Иногда свести к минимуму необходимые структуры поддержки так же просто, как переориентировать модель на печатной платформе. Например, намного лучше напечатать открытую коробку, показанную ниже, с открытой гранью сверху.

Минимизация использование структур поддержки, искусно переориентировав модель на столе 3D принтера

Вот более нетривиальный пример, опять же от дизайнера @fantasygraph. Это модель персонажа с горизонтальной рукой..

Если вы напечатаете модель как есть, нам нужно будет создавать поддержки для левой руки.

После удаления опор, скорее всего, останутся небольшие дефекты на нижней стороне руки. Чтобы избежать этого, вы можете повернуть всю модель на 45 градусов и просто добавить поддержку для основания модели. Качество основы модели не имеет большого значения в любом случае. Таким образом, вы можете напечатать модель с меньшим количеством структур поддержки.

[img 21]

Печать свесов и мостов без поддержек 3D печати

В предыдущих разделах мы подчеркивали, что вы должны по возможности минимизировать использование структур поддержки 3D-печати. Чтобы минимизировать этот риски, вот несколько общих приемов:

  1. Убедитесь, что ваш 3D-принтер находится в оптимальном и исправном состоянии.
  2. Убедитесь, что охлаждение вашего экструдера как можно лучше. Чем дольше будет охлаждаться ваш материал, тем больше вероятность того, что ваш мост или свес деформируются или разрушатся. Агрессивно используйте свои охлаждающие вентиляторы. Кроме того, максимально снизьте температуру печати.
  3. Снижение скорости печати также помогает охлаждать и особенно помогает при печати более длинных мостов и хитрых свесов.
  4. Если возможно, попробуйте использовать минимальную толщину слоя. Более низкая толщина слоя означает меньшую массу, нанесенную за цикл прохождения печатающей головки к тому же это помогает быстрее охлаждать материал слоя.

Настройки поддерживающих структур в слайсере CURA

Иногда невозможно избежать использования поддержек. Но даже в этом случае вы должны стараться гарантировать, что структуры поддержек стабильны, и тратят оптимальное количество материала, легко удаляются и не повреждают поверхность модели.

Программное обеспечение слайсеров предоставит вам множество дополнительных способов настройки структур поддержек. Большинство программ для нарезки могут генерировать структуры поддержки автоматически, но они также предоставляют ручной режим, в котором вы можете добавлять или удалять их в любом месте. Кроме того, слайсеры предоставляет множество различных настроек, которые дадут возможность управляют следующими аспектами 3D печати:

  • Размещение структур поддержки 3D-печати
  • Плотность и прочность структур поддержки
  • Площадь соприкосновения поддержки и 3D модели
  • Легкость удаления после печати

В этой статье мы решили сосредоточиться на Cura, потому что это самый популярный бесплатный слайсер на данный момент.

Cura предлагает множество настроек, связанных с поддержками, в разделе «Поддержки» пользовательских настроек. 

Включите автоматически созданные структуры поддержки 3D-печати для нестабильных моделей

Перво на перво — проверьте, нуждается ли ваша модель в дополнительных поддержках?

Cura делает это автоматически. После того, как вы импортировали свою модель в Cura и разместили ее на виртуальной платформе, обратите внимание на участки, окрашенные в красный цвет. Это те части, где Cura обнаружил нестабильность.

Если вы видите красный цвет в нижней части детали, где модель касается платформы, вам не нужно беспокоиться о том, что эта область не поддерживается.  

Если есть другие части, выделенные красным, то вам нужно принять меры по созданию поддерживающих структур. Для начала вам нужно включить автоматически сгенерированные структуры поддержек 3D-печати, чтобы гарантировать, что эти области выделенные красным напечатаются успешно. Для этого просто установите флажок «Создать поддержку» в разделе «Поддержки».

Итак, теперь вы включили автоматическую генерацию структур поддержки, но вероятно, не увидели изменений в представлении модели. Это связано с тем, что Cura не отображает структуры поддержки 3D-печати в режиме Solid по умолчанию. Чтобы увидеть созданные структуры поддержки 3D-печати, измените представление на Layer View. Теперь материал поддержки (линии и объем) отображается. 

Выбор между древовидной или линейной формой поддержки

[img 22]

Несущие конструкции в виде дерева в Cura

Cura по умолчанию создает структуры поддержки в линейной форме. В бета-версии 3.2 Cura представила возможность использовать древовидную поддержку вместо линейной поддержки по умолчанию.

Контроль размещения структур поддержки

[img 23]

Два типа размещения опорных конструкций в Cura: везде и избирательно

При включении структуры поддержки параметр под названием «Размещение» автоматически появляется в разделе «Поддержка». Настройка размещения позволяет грубо контролировать позиционирование опорной конструкции. Есть два варианта: Везде и Избирательно сборка. Везде выбран по умолчанию.

Когда выбран везде, Cura пытается строить структуры там, где они необходимы. Это означает, что у вас есть не только опорные конструкции для 3D-печати, установленные на рабочей пластине, но и опорные конструкции для 3D-печати, которые используют часть модели в качестве основания. В большинстве случаев это разумный вариант, поскольку он гарантирует, что все нестабильные области будут иметь необходимую поддержку.

Однако, если для очень сложных моделей выбрать «Везде», модель может оказаться полностью покрытой вспомогательным материалом. Если вы не хотите этого, просто измените настройку размещения на Touching Buildplate. Это создаст структуры поддержки 3D-печати под нависающими секциями модели только между рабочей пластиной и моделью.

Включить поддержки крыши может улучшить чистоту поверхности свесов, но по цене

Поскольку выступ модели всегда печатается поверх структур поддержки 3D-печати, вы не всегда получаете наилучшую чистоту поверхности этих деталей. В этом может помочь скрытая настройка Enable Support Roof.

Когда вы включите этот параметр в Cura 3D с помощью флажка, вы получите лучшее качество поверхности. Но это усовершенствование обходится дорого, так как этот вариант затрудняет удаление структур поддержки, чем при обычном применении. Используйте эту опцию, только если обработка поверхности нависающей детали имеет решающее значение для готовой детали.

Предотвращение повреждения структур поддержки внешними стенками модели с помощью параметра «X / Y Distance»

[img 24]

Иногда структуры поддержки 3D-печати строятся слишком близко к внешней стенке модели и оставляют следы на внешней поверхности модели. Вы можете предотвратить это, используя скрытый параметр поддержки X / Y Distance.

X / Y Distance в Cura по существу контролирует минимальное допустимое расстояние между вертикальными стенками модели и опорной конструкцией в плоскости XY. Если ваша структура поддержки прилипает к стенке, вы можете увеличивать значение с шагом 0,2 мм, пока стенки не станут гладкими. Однако, убедитесь, что на наружных стенах не торчат небольшие выступы, которые останутся без поддержки, если вы измените расстояния между опорой и стенками. Если такие небольшие выступы существуют, вам возможно, даже придется уменьшить расстояние X / Y вместо увеличения. В противном случае вы получите неудачный отпечаток.

Параметр Z Distance позволяет упростить удаление структур поддержки 3D-печати.

[img 25]

Для того, чтобы материал поддержки аккуратно разрывался без отрыва слоев модели, соединение между материалом подложки должно быть более слабым, чем соединение между слоями модели. Cura создает это более слабое соединение, оставляя пространство между верхней и нижней частью опорной конструкции и моделью — и это пространство известно как Z-Distance.

Вы можете облегчить отсоединение структур поддержки 3D-печати, управляя скрытыми настройками Z-Distance в разделе «Поддержка». Значение по умолчанию для этого параметра соответствует высоте слоя. Таким образом, если высота слоя равна 0,1 мм, то по умолчанию расстояние Z будет также равно 0,1 мм.

Если ваш материал поддержки трудно оторвать от вашей модели, увеличивайте это значение с шагом высоты вашего слоя, пока не достигнете оптимальных результатов. К сожалению, «поддержки на половину слоя» не существует. Так что, если настройка Z в 0,2 мм для отпечатка с высотой слоя 0,1 мм слишком велика, а Z расстояние 0,1 мм не достаточно, других вариантов у вас не будет.

Выберите правильную структуру поддержки 3D-печати для баланса между прочностью и простотой удаления

[img 26]

Рисунок структуры поддержки в Cure

Cura создает структуры поддержки 3D-печати по одному из семи шаблонов. Вы можете изменить шаблон, используя скрытый параметр «Шаблон поддержки» в разделе «Настройки».

В большинстве случаев шаблон по умолчанию, Zig Zag, создаст наилучший баланс между прочностью и простотой удаления. Другие параметры шаблона: треугольники, линии, сетка, концентрические, концентрические 3D и кресты. Если вы недовольны шаблоном по умолчанию, вы можете поэкспериментировать с другими параметрами. Каждый из них даст вам различный баланс между прочностью и легкостью удаления.

Заключение

Несущие конструкции — необходимое зло в 3D-печати. Они нужны вам для печати сложных свесов, выступов и мостов в вашей модели. Но если вы не можете использовать растворимые структуры, то стоит попытаться свести их к минимуму. Мы обсудили ситуации, когда вам не нужны структуры поддержки 3D-печати, и упомянули несколько творческих приемов для печати без них.

Но часто бывают свесы, выступы или мосты, которые по геометрии таковы, что без использования поддержек не обойтись. В этом случае вам нужно поиграть с настройками слайсера, чтобы не тратить слишком много материала и не повредить модель во время удаления структур.

Комментарии: