3D-печать для начинающих: начало работы с 3D-печатью

Начало работы с 3D-принтерами не должно быть пугающим. Мы создали это простое руководство по 3D-печати для начинающих, чтобы помочь всем новичкам разобраться в основных терминах.

3D-печать – это очень общий термин. Средства массовой информации, особенно мейнстрим-маркетинг, изображают 3D-печать как волшебную технологию будущего, способную воспроизводить сложные объекты. 

Но такой подход затрудняет понимание того, что такое 3D-печать с технической точки зрения. 

В реальности существует множество различных технологий 3D-печати, но наиболее распространенным для начинающих является метод послойного моделирования (FDM или FFF), на котором сосредоточена данная статья.

Ender 3 V2 - один из самых популярных 3D-принтеров для любителей.

FDM печатает детали с использованием термопластика, который в основном представляет собой нить  из материала, способного плавиться, охлаждаться и застывать. Детали строятся путем наложения слоев друг на друга.

Эта технология была создана потому, что людям нужен был способ быстро создавать прототипы деталей. Даже сегодня быстрое производство прототипов является одним из самых больших преимуществ FDM и 3D-печати в целом. Неудивительно, что 3D-печать также постепенно становится мощным производственным решением.

Прежде чем мы перейдем к деталям того, как работает FDM, стоит упомянуть еще одну вещь. Если вы уже провели некоторое исследование FDM, вы могли заметить, что некоторые источники используют термин «FFF» (метод наплавления нитей) вместо FDM, когда речь идет о технологии. Это объясняется тем, что FDM - это термин, изначально запатентованный Stratasys, а FFF – это незапатентованное общее сокращение. Помните, это одна и та же технология, только названия разные. Сегодня большинство людей используют термин FDM.

3D-печать FDM. Как это работает? 

1. Интерфейс управления 3D-принтера
2. Пластик для 3D-печати (филамент)
3. Экструдер
4. Хотенд (горячий конец)
5. Вентилятор (кулер)
6. Печатная платформа (стол)
7. 3D-печать

Самый простой способ понять, как работает FDM, - это изучить детали 3D-принтера FDM. Однако прежде чем мы поговорим о конкретных деталях, стоит упомянуть, что большинство 3D-принтеров могут выполнять движения по трем осям: X, Y и Z. Оси X и Y отвечают за движение влево, вправо, вперед и назад, в то время как ось Z отвечает за вертикальное перемещение.

Теперь рассмотрим основные компоненты 3D-принтера:

Интерфейс управления: некоторые современные 3D-принтеры имеют сенсорный экран, который используется для управления 3D-принтером. На старых принтерах вместо сенсорного интерфейса может присутствовать простой ЖК-дисплей с физической прокруткой и колесом управления. В зависимости от модели также могут присутствовать слот для SD-карты и порт USB.

Печатная платформа:  Платформа или стол 3D-принтера - это, по сути, поверхность, на которой изготавливаются детали. Платформы чаще всего изготавливают с подогревом, чтобы улучшить адгезию детали, но об этом позже.

Экструдер(ы): Экструдер - это компонент, ответственный за плавление и постепенное осаждение пластиковой нити  для построения модели.

На самом деле экструдер состоит из двух подкомпонентов: горячего и холодного. Горячий конец или хотенд содержит нагреватель и сопло, которое фактически расплавляют филамент, в то время как холодный конец состоит из двигателя, приводных шестерен и других мелких компонентов, которые проталкивают нить в хотенд для расплавления.

Между горячим и холодным концом находятся радиатор и вентилятор, потому что необходимо, чтобы холодный конец оставался холодным во избежание заклинивания.

В дополнение к вентилятору радиатора обычно есть, по крайней мере, еще один вентилятор, предназначенный для охлаждения расплавленной нити после того, как она выходит из экструдера - он обычно называется вентилятором охлаждения деталей.

Печатающая головка: на печатающей головке установлен один или несколько экструдеров (стандартные 3D-принтеры имеют один экструдер). В верхней части печатающей головки находится трубка, по которой нить подается в печатающую головку.

Как печатает 3D-принтер. 

Процесс начинается, когда вы отправляете файл 3D-модели на принтер. После запуска задания на печать сопло начинает нагреваться. Когда сопло достигает температуры, необходимой для плавления нити, экструдер втягивает нить в горячий конец для подготовки к моделированию методом наплавления.

Теперь принтер готов приступить к 3D-печати детали. Печатающая головка опускается на рабочую поверхность (платформу) и начинает наплавлять филамент, который охлаждается и затвердевает вскоре после выхода из сопла благодаря вентиляторам охлаждения детали. 

Пластик наносится по одному слою за раз, и после того, как один слой будет завершен, печатающая головка перемещается вверх по оси Z на небольшое расстояние, и процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена.

Создание, скачивание и покупка 3D-моделей. 

Естественно, если вы хотите напечатать деталь на 3D-принтере, у вас должна быть трехмерная модель этой детали. Трехмерные модели создаются с использованием программного обеспечения для трехмерного моделирования, которое обычно называют программным обеспечением САПР (автоматизированное проектирование). Вот несколько примеров популярных программ для 3D-моделирования:

• Autodesk's Fusion 360 (бесплатно для некоммерческого использования) 
• Блендер (бесплатно)
• ZBrush (платная, но есть бесплатная пробная версия)

Однако большинство новичков в 3D-печати не имеют навыков, необходимых для использования такого программного обеспечения. Если это так, не волнуйтесь, потому что есть и другие решения.

Во-первых, есть более простые варианты программного обеспечения САПР, такие как Tinkercad , программа, которую может использовать почти каждый без какого-либо предварительного опыта. Это онлайн-приложение, разработанное Autodesk, одним из ведущих разработчиков программного обеспечения САПР.

Скачивание файлов

В связи с тем, что в последние годы очень много людей получили доступ к 3D-принтерам, несколько сайтов стали репозиториями для 3D-моделей. 

Вот некоторые из самых популярных:

• Thingiverse (бесплатно)
• MyMiniFactory (многие бесплатные, часть платные)
• Cults3D (бесплатная и платная)
• CGTrader (несколько бесплатных и большинство платных)
• PrusaPrinters (все бесплатно)

Таким образом, любой желающий может получить в свои руки модель без каких-либо навыков моделирования.

Подготовка моделей.

3D-модели необходимо подготовить для 3D-печати с помощью специального программного обеспечения, которое переводит модель в машинные инструкции. Это делается с помощью программного обеспечения для нарезки, также называемого слайсером. 3D-модели импортируются в слайсер, который затем фактически «разрезает» модель на слои. Полученные файлы состоят из G-кода, который, по сути, представляет собой длинный список инструкций, которым следует 3D-принтер для построения модели.

G-код - это «язык» 3D-принтеров и станков с ЧПУ. Эти файлы содержат важные параметры, необходимые для создания модели, такие как скорость и температура печати, толщина стенки, процент заполнения, высота слоя и многие другие. Другими словами, 3D-печать невозможна без файлов G-кода!

Поддержки (опорные структуры)

Еще одна из основных функций слайсера - генерирование опорных структур (поддержек). В частности, поддержки нужны для деталей с навесными частями. 

Слайсер позволяет вам выбрать, где поставить опоры и насколько плотными вы хотите их видеть. Некоторые слайсеры даже предлагают пользователям возможность выбирать различные типы поддерживающих структур для более легкого удаления или прочности.

Подготовка принтера.

Перед началом печати на 3D-принтере нужно сделать несколько обязательных шагов:

Загрузка пластика: Экструдер должен быть готов выдавливать нить до начала печати. Процесс загрузки начинается с нагревания хотенда до температуры расплава, а затем непосредственно нить загружается в нагретый экструдер.

Выравнивание платформы: Для того чтобы принтер успешно напечатал объект, стол должен быть максимально ровным. 

В зависимости от принтера калибровка платформы может выполняться ручным, полуавтоматическим и автоматическим способами. 

Выравнивание платформы очень важно, потому что, например, если сопло находится слишком далеко от стола, первый и самый важный слой не будет прилипать к поверхности, в результате чего вы не сможете напечатать объект.

Материалы для FDM 3D-печати.

Как мы уже упоминали, 3D-принтеры FDM используют катушки с пластиком в качестве материала для деталей. Филамент - это в основном термопластик, специально разработанный для расплавления и охлаждения при сохранении своей структурной целостности.

Нити для 3D-печати обычно бывают двух диаметров: 1,75 мм и 3 мм (или 2,85 мм). Большинство 3D-принтеров используют пластик диаметром 1.75, именно поэтому разнообразие типов и оттенков филамента 1,75 существенно превышает 2.85.

Рекомендуем перед тем, как купить 3D-принтер, обязательно уточнить, с каким филаментом он работает.

Переделать экструдер с 2.85 на 1.75 возможно, но требует возни, времени и дополнительных аксессуаров.

Одна из лучших особенностей 3D-принтеров FDM заключается в том, что они могут работать с широким ассортиментом пластиков. 

Вот лишь некоторые из различных типов, которые используются в 3D-печати FDM:

Стандартные:

• PLA
• ABS
• PETG

Инженерные:

• Гибкие (TPU, TPE)
• Нейлон
• С добавками (дерево, металл и т.д.)
• Поликарбонат (PC)

Для поддержек:

• HIPS
• PVA

Помимо прочего, филамент для FDM является одним из самых дешёвых материалов, используемых в мире 3D-печати.

Постобработка напечатанных изделий.

Постобработка - это заключительные действия, которые вы должны предпринять для завершения вашего объекта.

Ниже мы перечислили некоторые шаги постобработки 3D-печатной детали. Вам не обязательно нужно выполнять каждый из этих шагов. 

Чаще всего постобработка завершается на этапе удаления поддержек.

Удаление поддержек: После печати опорные структуры удаляются механическим путем, вы просто их отламываете. В результате вы можете увидеть следы, оставленные на поверхности детали.

Если вы купили 3D-принтер с двумя экструдерами, вы можете использовать специальные растворимые пластики для печати поддержек. В этом случае, вам просто необходимо поместить объект в воду, если вы печатали PLA+PVA или в лимонен, если вы печатали ABS+HIPS.

Шлифовка: На вашей детали могут остаться дефекты (например, после удаления поддержек). В этом случае, в дело вступает шлифовка. Легкая шлифовка деталей, напечатанных на 3D-принтере, может сделать поверхность более гладкой.

Окрашивание: Часто вы будете печатать одним цветом. Чтобы добавить больше цветов, деталей или защиты, вы можете раскрасить свою модель!

Полировка или сглаживание: Эпоксидное покрытие является одним из способов сглаживания поверхности печатной детали. Для ABS часто используют ацетоновую паровую баню. Под воздействием паров ацетона ABS начинает растворяться и, если вовремя остановить этот процесс, вы получите гладкую и глянцевую деталь.

Склейка: если вы хотите напечатать большую 3D-модель, которая не умещается в камере построения вашего принтера, вы можете распечатать деталь из двух или более частей, а затем склеить их.

Распространенные проблемы с 3D-принтером.

Давайте обсудим некоторые из наиболее распространенных проблем, с которыми могут столкнуться новички при использовании 3D-принтера.

Деформация: Эта проблема возникает из-за разницы температур в процессе 3D-печати. Расслоение 3D-печати - 5 советов и хитростей, чтобы избежать деламинации. 

Просачивание пластика (сопли): тонкие дополнительные нити пластика на вашей модели могут быть вызваны неправильными настройками температуры или ретракта. Некоторые типы пластика, например, PETG более подвержены свободному вытеканию из сопла.

Засорение сопла: Засорение сопла - одна из самых неприятных проблем 3D-принтеров FDM. 

Если вы слышите странный звук печатающей головки, и пластик не выходит из сопла, возможно, сопло забито. Это может быть вызвано, в частности, плохим качеством филамента или неправильными температурными настройками. 

Смещение слоя: эта проблема может быть вызвана вибрациями и колебаниями вашего принтера, недостаточным натяжением ремней по осям Х и Y, а также чрезмерно высокой скоростью печати.

Недоэкструзия: Недостаточная экструзия возникает, когда во время печати выдавливается недостаточное количество пластика. Это может привести к пропускам, отсутствию слоев и даже небольшим точкам или дыркам в слоях. При недостаточном выдавливании ухудшается качество, и даже прочность деталей.

Переэкструзия: Как следует из названия, чрезмерная экструзия возникает, когда ваш 3D-принтер выдавливает слишком много материала. Это может привести к провисанию слоев, нарушению геометрии и плохому качеству ваших отпечатков. Проверьте диаметр вашего филамента, поиграйте с настройками скорости печати и текучести в слайсере.