Jak poprawnie przygotować plik do wyceny i druku 3D

Druk 3D to szereg technik wytwórczych, różniących się od siebie gatunkami używanych materiałów oraz sposobami ich selektywnego spajania warstwa po warstwie. Jest jednak jedna rzecz, która jest dla wszystkich metod taka sama: .STL – format pliku w jakim dostarcza się modele 3D do oprogramowania drukarek 3D. W niniejszym artykule opisujemy czym jest to rozszerzenie, jakie są jego cechy oraz wymieniamy kilka najważniejszych błędów pojawiających się podczas ich generowania.

Bez względu na rodzaj technologii druku 3D, proces powstawania wydruków 3D przebiega zawsze w tych samych pięciu krokach. Najpierw należy stworzyć model 3D drukowanej części w oprogramowaniu klasy CAD. Do produkcji przyrostowej lub przygotowania wyceny usługi druku 3D nie nadają się rysunki płaskie – każdy obiekt który ma trafić do drukarki 3D musi posiadać trzy wymiary XYZ. Model może być wykonany w dowolnym oprogramowaniu do projektowania 3D – płatnym lub darmowym.

Gdy model jest już gotowy, należy go wyeksportować do rozszerzenia .STL (chociaż wybrani producenci drukarek 3D dopuszczają też pliki zapisane w innych formatach: .STP, .OBJ, .3MF, a od niedawna także pliki natywne wybranych programów klasy CAD). Trzeci krok to przygotowanie procesu druku 3D w oprogramowaniu drukarki 3D, do którego wgrywamy plik .STL. Czwarty – najważniejszy, to sam wydruk 3D. Piąty – często pomijany w różnych opracowaniach, to tzw. post-processing, czyli oczyszczanie wydruków 3D z resztek materiału i struktur podporowych oraz ewentualne szlifowanie, lakierowanie lub barwienie.

Format .STL powstał w połowie lat 80’tych XX wieku wraz z pierwszą techniką przyrostową na świecie – stereolitografią (druk 3D z żywic utwardzanych wiązką lasera). Od nazwy stereolitografia pochodzi zresztą jego skrót (sporadycznie używane są też inne rozwinięcia jak „Standard Triangle Language” lub „Standard Tessellation Language”). Rozszerzenie zostało opracowane przez firmę 3D Systems i udostępnione za darmo. Aktualnie jest obsługiwane przez każde oprogramowanie klasy CAD i do modelowania 3D – po stworzeniu modelu wystarczy go wyeksportować do .STL.

Każdy model 3D podczas eksportu do .STL jest zamieniany na siatkę trójkątów, które tworzą jego geometrię. Proste bryły geometryczne, jak np. sześcian składają się z zaledwie kilkunastu trójkątów, jednakże powierzchnie obłe muszą mieć ich wygenerowanych bez porównania więcej aby przy pomocy trójkątów odtworzyć wszystkie zaokrąglenia:

Im więcej trójkątów, tym obiekt będzie bardziej dokładny, ale plik będzie dużo więcej ważył i może pojawić się problem podczas próby jego przesłania pocztą elektroniczną. Równocześnie jednym z najczęściej popełnianych błędów przy eksporcie plików .STL jest wygenerowanie zbyt małej liczby trójkątów co skutkuje bardzo ostrymi („kanciastymi”) krawędziami. Innymi słowy model 3D w oprogramowaniu CAD może być doskonale okrągły, ale po eksporcie zmieni się w wielokąt…

Na podstawie pliku .STL oprogramowanie drukarki 3D generuje instrukcje dla urządzenia, które w zależności od typu wykonuje określone operacje swoim oprzyrządowaniem. Drukarka 3D nie wie co drukuje – drukarka 3D wykonuje instrukcje z pliku. Jeżeli plik będzie źle przygotowany – drukarka 3D źle go wydrukuje. Drukarka 3D nie wie że ma wydrukować kulę, tylko w którym kierunku ma poruszać głowicą drukującą lub wiązką lasera spiekającą proszek.

Oprogramowanie drukarki 3D przeprowadza symulację wydruku 3D określając m.in. czas produkcji i ilość zużytego materiału. Na podglądzie wydruku 3D można dostrzec wszystkie ewentualne wady projektowe i wcześniej zareagować. Gdy korzysta się z usług drukarni 3D, fachowe firmy sprawdzą to przed uruchomieniem wydruku 3D i poinformują klienta o potencjalnych błędach lub zagrożeniach. Niemniej jednak w końcowym rozrachunku odpowiedzialność za występowanie tego typu wad ponosi zawsze projektant / klient – drukarnia 3D może spróbować się domyślić, że fragment projektu jest wadliwy, ale to nie ona jest twórcą projektu?

Wydruk 3D z poliamidu PA12 w technologii SLS (źródło: www.ta.parts)

Druk 3D jest oparty o bryły. Jednym z często popełnianych przez projektantów błędów jest projektowanie obiektów przy pomocy płaszczyzn (dot. to szczególnie makiet architektonicznych). Przykładowo, jeżeli projektant za pomocą sześciu płaszczyzn zbuduje sześcian, to o ile w programie będzie on wyglądał poprawnie, tak po eksporcie do formatu .STL będzie to po prostu zbiór sześciu powierzchni, których grubość nie została nigdzie określona i będzie dążyła do nieskończoności. Taki model nie nadaje się do druku 3D i oprogramowanie drukarki 3D nie odczyta go prawidłowo (lub nie odczyta wcale).

Inne często występujące wady projektowe to m.in.:

zbyt cienkie ścianki modelu, niemożliwe do poprawnego wydrukowania przez drukarkę 3D (np. w technologii SLS teoretycznie możliwe jest osiągnięcie ścianki o grubości 0,5 mm, ale istnieje wysokie ryzyko, że zdeformuje się w podczas pracy lub uszkodzi w trakcie post-processingu; bezpieczna granica to 0,8 mm)
zbyt mały rozmiar modelu 3D lub zbyt duża szczegółowość jak na wybraną technologię druku 3D
złe wymiary – podczas eksportu projektant albo źle ustawił skalę i część zamiast 10 centymetrów ma 10 milimetrów, albo pomylił jednostki i zamiast w centymetrach wygenerował plik w calach; teoretycznie modele można powiększyć w oprogramowaniu drukarki 3D, ale skalowanie w górę zawsze kończy się pogorszeniem jakości – zwiększając rozmiar powiększają się odcinki łączące wierzchołki trójkątów, ale nie generują się nowe; np. kula po przeskalowaniu stanie się kanciasta.

Format .STL to doskonały format wymiany, jednakże ma też kilka niedoskonałości. Jako że został opracowany w latach 80-tych XX wieku, tj. w czasach gdy większość technik druku 3D jeszcze nie istniała, nie posiada kilku dość istotnych informacji:

kolor
tekstura lub jakość powierzchni
dedykowany materiał
wymiarowanie (tak jak zostało to opisane powyżej – dopiero po sprawdzeniu w oprogramowaniu wiadomo jakie są wymiary, ale nie wiadomo czy są poprawne?).

Wydruki 3D z poliamidu PA12, barwione na kolor pomarańczowy techniką zanurzeniową (źródło: www.ta.parts)

Ostatnia ważna rzecz w kwestii formatu .STL, to to, że jest to format „zamknięty”. Modeli 3D nie można dowolnie edytować lub rozkładać na części składowe – można je co najwyżej ciąć lub drążyć przy użyciu prostych geometrii – przeciąć płaszczyznowo lub np. wydrążyć otwór przy użyciu walca. Można je też łączyć lub spajać z innymi modelami 3D. Niemniej jednak modele 3D zapisane jako .STL są bardzo ograniczone pod względem późniejszych modyfikacji – nie są to obiekty złożeniowe. Oczywiście istnieją programy do modelowania („rzeźbienia”) modeli .STL, ale są one drogie, specjalistyczne i mają więcej wspólnego z modelowaniem ręcznym niż projektowaniem parametrycznym typu CAD.