O drukowaniu złożonych modeli

Technologia druku 3D  – FDM / FFF – mimo ogromnych możliwości posiada spore ograniczenia odnośnie rodzajów drukowanych przedmiotów. Niektórych modeli po prostu nie da się wykonać tą metodą, lub trzeba się mocno napracować dzieląc obiekt na części czy wykorzystując ogromną ilość materiału podporowego. Istnieją jednak przedmioty, które bez większego problemu da się wykonać na drukarce 3D, a które z kolei są niemożliwe do uzyskania za pomocą tradycyjnych przemysłowych metod wytwarzania. Przykładem takich obiektów są modele złożone z wielu ruchomych części, których nie można oddzielić od siebie ani wydrukować osobno i złożyć w jedną całość.

Proces, w którym powstaje przedmiot przy druku przestrzennym jest kompletnie odmienny niż w przypadku metod przemysłowych (np. formowania wtryskowego), i co za tym idzie, posiada zupełnie inne wymagania odnośnie konstrukcji samych modeli.  Jako że druk FDM polega na nanoszeniu po kolei warstw roztopionego plastiku, dość kłopotliwe jest wykonywanie fragmentów, które nie są odpowiednio podparte na niższych warstwach. W niektórych sytuacjach, np. dla niewielkich przewieszeń lub mostów, drukarka jest jednak w stanie sobie poradzić z zachowaniem w miarę przyzwoitej jakości wydruków. Jest to wykorzystywane m.in. w wieloczęściowych modelach, drukowanych w formie złożonej.

Poniżej opiszę kilka ciekawszych przedmiotów znalezionych na Thingiverse. Są to głównie proste zabawki lub modele demonstracyjne – bez specjalnej wartości użytkowej, mające za cel przede wszystkim pokazać, że w ogóle da się je wykonać za pomocą drukarki 3D. Niemniej jednak, mogą stanowić źródło inspiracji przy projektowaniu bardziej przydatnych przedmiotów, gdzie można odejść od szablonowych konstrukcji i lepiej wykorzystać specyfikę druku 3D. Wszystkie poniższe modele wykonane były z filamentu PLA bez użycia wsporników.

Gear Bearing

Zębate łożysko – jeden z pierwszych i zarazem ciekawszych złożonych modeli jakie miałem okazję wydrukować. Dostępny na Thingiverse z opcją dostosowania parametrów – m.in. zewnętrznych wymiarów, liczby zębatek oraz odstępów między elementami. Jest to przedmiot niemożliwy do rozłożenia na czynniki pierwsze i zwykle robi dość duże wrażenie jako demo „co można zrobić na drukarce 3D„.

Pierwszym problemem na jaki się natknąłem przy drukowaniu tego modelu było podwijanie się zębów wewnątrz łożyska, przez co wychodziły zbyt zniekształcone żeby całość mogła się swobodnie obracać. Użycie brimu nic tu nie pomogło jako że był on drukowany tylko na zewnątrz przedmiotu. W końcu zdecydowałem się podłożyć pod spód modelu okrągłą powierzchnię grubości 0.2 mm, którą z gotowego obiektu usunąłem za pomocą szlifierki. 

Jak można przeczytać w instrukcji na Thingiverse – w otwór w środku przedmiotu pasuje standardowej wielkości sześciokątny bit od wiertarko-wkrętarki. Jest bardzo pomocne do rozruszania zębatek, tak żeby obracały się z mniejszymi oporami.

Źródło: http://www.thingiverse.com/thing:53451

Rotating Rings Toy

Jest to zestaw kilku pierścieni umieszczonych jeden w drugim. Pierścienie mają zewnętrzne krawędzie zawinięte w taki sposób że nie można ich oddzielić od siebie, za to można je swobodnie obracać we wszystkich płaszczyznach. Przedmiot ma podobne gabaryty jak wcześniej opisane zębate łożysko. Jest nieco prostszy do wydrukowania – choć również w moim wypadku nie obyło się bez kilku nieudanych podejść.  Bardzo ciekawy efekt daje zmiana koloru filamentu w trakcie druku.

Źródło: http://www.thingiverse.com/thing:251118

Loggerhead Sea Turtle

Model żółwia morskiego, zaprojektowany jako dwie oddzielne części, które można złączyć ze sobą za pomocą specjalnego zatrzasku. Zarówno przednie jak i tylne łapy są umieszczone na przegubach kulowych, znajdujących się na swoim miejscu już w drukowanym obiekcie. Dla mocniejszego połączenia dwóch części żółwia zdecydowałem się skleić je Poxipolem, który dość dobrze się nadaje do klejenia PLA. W trakcie druku miałem pewne problemy z podwijaniem i odklejaniem niezabezpieczonych brimem fragmentów (jak widać na pierwszym zdjęciu) – na co pomogło podłożenie dodatkowej warstwy 0.2 mm tak jak w przypadku dwóch poprzednich przedmiotów.

Model zawiera w sobie wsporniki podtrzymujące przeguby tylnych łap podczas druku. Przed złożeniem modelu w całość należy je usunąć – mają one formę kilkucentymetrowych rurek, dających się wyłamać za pomocą długich kombinerek.

Źródło: http://www.thingiverse.com/thing:164317

Hex chain mail

Jest to przedmiot o strukturze przypominającej kolczugę, gdzie sześciokątne płytki są połączone ze sobą za pomocą oczek i wystających nitów. Wbrew moim obawom model udało się wydrukować bez problemów już za pierwszym razem – choć z niewiadomych przyczyn Slic3r zawieszał się podczas dzielenia go na warstwy, i w końcu posłużyłem się KISSlicerem. Połączenia między płytkami są dość delikatne i trzeba je nieco rozruszać po zdjęciu z drukarki. Wydrukowanie tego 8-gramowego przedmiotu zajęło około godziny.

Źródło: http://www.thingiverse.com/thing:255924

Elephant

Figurka słonia z ruchomymi nogami i (w niewielkim zakresie) ruchomą głową. Choć słoń drukuje się na leżąco i nie wymaga użycia materiału podporowego, kilka miejsc sprawia drukarce nieco kłopotów. Za trąbą występuje duże przewieszenie (ok. 60 stopni w stosunku do pionu). którego mimo kilku prób nie udało mi się ładnie wydrukować. Również dolne, zaokrąglone fragmenty boków oraz powierzchnie nad łapami są dość trudne do wykonania.

Źródło: http://www.thingiverse.com/thing:257911

The Little Digger

Jako ostatni model wydrukowałem niewielką koparkę, z kręcącymi się kołami, obracaną kabiną oraz ruchomym ramieniem. Bardzo ładny model do pokazania, jak złożone obiekty można drukować „na raz„. Mam co prawda pewne wątpliwości czy jego konstrukcja wytrzyma kontakt z młodym użytkownikiem – może warto byłoby ściągnąć STLa z większą, wzmocnioną wersją. Wydrukowanie przedmiotu jest stosunkowo proste – model ma sporo przestrzeni w przegubach, dzięki czemu nie powinno być problemu ze sklejaniem się elementów. Niestety całość po wydrukowaniu ma trochę za duże luzy.

Źródło: http://www.thingiverse.com/thing:208315

Kilka słów o problemach ze złożonymi modelami

Drukowanie tego typu złożonych przedmiotów jest nieco bardziej wymagające i warto przy tym zwrócić uwagę na kilka rzeczy. Czasem zdarza się, że fragmenty które w modelu miały się poruszać, są ze sobą sklejone. Efekt taki może występować przy niektórych projektach, tam gdzie przestrzenie między częściami są odrobinę za małe jak na możliwości naszej drukarki. Można sobie z tym poradzić na kilka sposobów. Na początku  warto upewnić się, czy problem nie dotyczy jedynie pierwszej warstwy – jeśli stół w pozycji zerowej jest za blisko głowicy, pierwsza warstwa będzie miała mniejszą grubość niż zadana, i w efekcie filament będzie się minimalnie rozlewał na boki sklejając części będące w bliskim sąsiedztwie. Jeśli sklejanie elementów następuje na dalszym etapie drukowania, warto zweryfikować, czy faktyczna średnica filamentu nie jest większa od wartości ustawionej w slicerze, i co za tym idzie, czy drukarka nie podaje zbyt dużo materiału. Można na próbę zwiększyć tą wartość, lub odrobinę zmniejszyć parametr Flow w drukarce (o ile dane urządzenie wspiera zmianę ogólnej ilości wyciskanego filamentu). Warto też poeksperymentować z innymi parametrami slicera. Dla przykładu, kolejność rysowania obrysów („External perimeter first” dla Slic3ra, „Loops go from Inside to Perimeter” w KISSlicerze) może minimalnie wpływać na zewnętrzne wymiary elementów. Również sama prędkość drukowania obrysów może mieć tutaj pewne znaczenie. Jeśli żadna z powyższych metod nie pomaga, można po prostu przeskalować model przed pocięciem na warstwy, tak żeby przestrzenie między fragmentami również były większe. Na koniec dodam, że niektóre modele udostępniane w internecie występują w wariantach z przerwami o różnej wielkości. Jednak minusem dużych przerw są większe luzy w gotowym obiekcie, i trzeba się z tym liczyć przy przeskalowywaniu modeli.