Оптимальная ориентация 3D модели перед 3D печатью
Решение, как сориентировать деталь на платформе для 3D печати, требует внимательного подхода. В этой статье мы расскажем, как лучше всего ориентироваться и какие преимущества вы сможете получить.
Лучшая ориентация моделей для 3D-печати — это та, которые уменьшает высоту Z, сводят к минимуму наличие выступов, т.е. требуется меньшего кол-ва поддержек, и учитывает, где может возникнуть структурная слабость по осям X, Y и Z. Это позволит сократит время печати и количество используемого материала, а также получить более прочные и качественные отпечатки.
Итак, вы нашли или создали 3D-модель своей мечты для печати. Но как только вы импортировали его в выбранный слайсер, вы не знаете, как лучше всего сориентировать его на платформе для 3D печати.
Проще говоря, ориентация 3D модели — это вращательная ориентация детали или способ, которым деталь контактирует с платформой для 3D печати. Пример ориентаций сборки:
В этой статье мы будем использовать PrusaSlicer для изучения трех различных ориентаций детали из коллекции Pegboard Wizard на Thingiverse, чтобы проиллюстрировать, как ориентация может повлиять на время печати, прочность и качество поверхности. Но сначала мы рассмотрим некоторые ключевые моменты, чтобы определить оптимальную ориентацию детали.
Факторы влияющие на ориентацию 3D модели
Давайте рассмотрим некоторые факторы, которые следует учитывать при определении ориентации 3D модели:
- Лучшая грань для устойчивости и сцепления с поверхностью стола 3D принтера. Они должны быть достаточно большими по площади, чтобы обеспечивать стабильность на протяжении всего процесса 3D печати. Хотя в слайсер можно добавить юбки, поля или подложку, вам следует использовать этот вариант только в том случае, если есть веская причина выбрать маленькую грань в качестве основания, поскольку их придется удалять.
- Учитывайте механическое напряжение. Если ваша деталь будет испытывать нагрузку, ее следует сориентировать так, чтобы направление минимального приложенного напряжения совпадало с направлением построения 3D-печати (обычно это вертикальное направление). Причина этого в том, что вертикальное направление сборки обычно является самым слабым, поскольку оно зависит от прочности связи между слоями, а не от собственной прочности материала .
- Ориентация сборки ограничена размером области печати 3D принтера. Например, высокая деталь, которая расположена вертикально, может уместиться и в тоже время не поместиться на столе принтера, если ее положить на бок. Если вы печатаете несколько деталей, сориентируйте их так, чтобы наибольшее количество деталей поместилось столе 3D принтера.
- Сведите к минимуму время печати. Время печати должно быть сведено к минимуму, чтобы максимизировать производительность.
- Минимизируйте кол-во поддержек. Как правило поддержки увеличивают время и стоимость 3D печати, к тому же может быть проблематично их удаление, есть риск повреждения поверхности готового отпечатки и необходимость постобработки. Сориентируйте деталь так, чтобы свесов менее 45 ° было как можно меньше, ориентируйте модель таким образом, чтобы центр масс был ближе всего к центру стола 3D принтера.
- Максимальная точность размеров. Элементы детали, которые должны соответствовать жестким допускам , могут печататься лучше при одних ориентациях, чем при других. Например, цилиндрические элементы печатаются более точно в вертикальном направлении, чем в горизонтальном.
Как ориентация 3D модели влияет на результат 3D печати?
Точность детали
Рассмотрим цилиндр с отверстием (внешний диаметр 10 мм, внутренний диаметр 6 мм, длина 30 мм), напечатанный на FDM 3D принтере в вертикальном положении. 3D принтер сконструировал эту деталь как серию концентрических кругов, наслоенных друг на друга. В результате получился бы конечный цилиндр с относительно гладкой внешней поверхностью.
Если один и тот же цилиндр переориентировать так, чтобы его центральная ось стала расположена горизонтально, деталь будет построена в виде серии прямоугольников, наложенных друг на друга. Кроме того, поверхность цилиндра, соприкасающаяся с платформой для сборки, будет плоской, т.к. основания будет напечатан в качестве первых слоев.
Ориентируя деталь в разные стороны, можно получить существенную разницу в качестве печати, что видно на фото ниже.
Время 3D печати
Ориентация также может существенно повлиять на время печати.
3D принтеры экструдируют с более высокими скоростями по осям X и Y. Сдвиги, которые происходят, когда экструдер движется по оси Z, должны происходить медленно, потому что эти движения требуют большей точности.
За счет минимизации движений по оси Z или ориентации когда высота вашей модели минимальна, ваш 3D-принтер сможет более эффективно перемещаться по платформе, что приведет к более быстрой 3D печати вашей модели.
Используя в качестве примера цилиндр, горизонтальная ориентация займет значительно меньше времени для печати, чем вертикальная, так как общее количество слоев значительно уменьшается: при высоте слоя 100 мкм при горизонтальной ориентации, будет напечатано 100 слоев, когда в вертикальной — 300. Это может привести к значительной разнице во времени, особенно для крупных 3D моделей.
Прочности готового отпечатка
Некоторые технологии 3D-печати (особенно FDM) создают детали, которые по своей сути обладают анизотропными свойствами, то есть они намного прочнее в направлении XY, чем в направлении Z.
Для функциональных деталей важно учитывать приложение и направление нагрузок. Например, детали FDM с большей вероятностью расслаиваются и ломаются при растяжении в направлении Z по сравнению с направлениями XY (разница в прочности на разрыв до 4-5 раз).
Поддержки
Вспомогательный материал увеличивает время и стоимость 3D-печати. Идеальная 3D-печать — которой не требуются опоры, потому что это не только экономия на используемом материале, но и на времени печати.
Часто много времени уходит на оптимальную ориентацию детали, чтобы снизить вероятность ошибки во время 3D печати и уменьшить объем материала необходимой на создание поддержек.
Используя определенную ориентацию для вашей 3D модели, возможно минимизировать кол-во свесов и как следствие уменьшить кол-во опор. Если вы все сделаете правильно, сможете сэкономить много материала и снизить время 3D печати.
Угол, под которым начинают применяться опоры, превышает отметку 45 °, установленную по умолчанию для слайсера Cura. В некоторых случаях возможно наклонять отпечатки под углом менее 45 ° и располагать все другие стороны под достаточным углом для качественной печати.
Также учитывайте, что после удаления поддержек остаются дефекты на поверхности готового отпечатка.
Адгезия первого слоя со столом 3D принтера
Вы должны учитывать не только высоту или наличие поддержек. Еще один важный фактор — это адгезия первого слоя.
- Чтобы первый слой имел лучшее сцепление со столом 3D принтера, ориентируем модель так, что бы выбрать в качестве основания наибольшую грань 3D модели
- При необходимости используйте подложки, юбки и поля, который обеспечат лучшее сцепление со столом 3D принтера
Качество поверхности отпечатка
Как правило, обращенная вверх поверхность детали, напечатанной на 3D-принтере, будет иметь лучшее качество поверхности, но это сильно зависит от процесса:
- Для FDM верхняя поверхность сглаживается соплом, поверхность, контактирующая со столом 3D принтера, будет глянцевой, а поверхности над опорными конструкциями будут иметь некоторые дефекты, которые останутся после удаления поддержек.
- Для SLA поверхности будут иметь дефекты после удаления поддержек и потребовать постобработки, а нижние грани детали будут гладкими.
- Детали, напечатанные с помощью процессов 3D-печати, таких как SLS и Binder Jetting, будут иметь более зернистую поверхность на своих нижних гранях.
- Детали, напечатанные с помощью струйной печати материалов, будут иметь матовую поверхность, напечатанную на опорах или глянцевую поверхность
Ориентация детали в зависимости от технологии 3D печати
Эмпирические правила
- Ориентируйте цилиндрические элементы вертикально для получения более гладкой поверхности.
- При выборе ориентации функциональной части учитывайте направление нагрузки.
- Ориентация детали наиболее важна для технологии 3D печати FDM и SLA / DLP
Пример # 1
В этой ориентации наилучшие шансы получить точные размеры отверстий
Первый вариант ориентирован на максимальный контакт со столом 3D принтера.
- Максимальная адгезия со столом 3D принтера
- Максимальная прочность перпендикулярна направлению построения
- Деталь удобно размещается на столе 3D принтера
- Время печати: 268 минут (19 минут для опор)
- Расположение поддержек: по сравнению с другими ориентациями, наименьшее кол-во опор
- Отверстия в детали, печатаются вертикально и должны иметь наиболее точные размеры
Пример # 2
В этом случае деталь поворачивается на 90 ° вокруг оси Y.
- Такая ориентация детали обеспечивает большую площадь соприкосновения со столом 3D принтера
- Максимальная прочность перпендикулярна направлению построения
- Деталь удобно размещается на рабочей пластине.
- Время печати: 226 минут (57 минут для опор)
- Отверстия в детали, печатаются горизонтально и будут менее точными, чем в первом примере. Опорный материал поможет сохранить допуски на размеры, но дефекты, оставленные после удаления опор, может ухудшить характеристики детали.
Пример # 3
В этом случае деталь поворачивается на 90 ° вокруг оси X.
- Небольшая площадь поверхности детали, контактирующей со столом 3D принтера, делает такую ориентацию детали менее оптимальной для адгезии со столом 3D принтера, но поддерживающий материал обеспечивает достаточную стабильность для печати.
- Максимальная прочность параллельна направлению построения, что сделает деталь более хрупкой
- Деталь удобно размещается на рабочей пластине.
- Время печати: 250 минут (62 минуты для опор)
- Потребуется удаление поддержек после печати и значительная работа по улучшению качества поверхности.
- Отверстия детали, будут не такими точными как в первом примере
Первый вариант, вероятно, лучше всего подходит для печати этой детали. Он обеспечивает хорошую адгезию со столом 3D принтера, максимизирует прочность детали и имеет минимальное количество поддерживающего материала. Во втором варианте используется много вспомогательного материала, что ухудшает характеристики поверхности. Наконец, третий вариант грозит механическим повреждением детали.
Как видите, выбор ориентации сборки требует учета ряда факторов. Иногда решение неочевидно и вы должны различать «обязательные» и «достаточно хорошие» характеристики. В конце концов, для достижения желаемого результата печати лучше всего устранить ориентации сборки, которые не соответствуют необходимым характеристикам, а затем оптимизировать другие факторы.
Как определить лучшую ориентацию детали?
Теперь, когда мы определили, что следует учитывать, давайте посмотрим, как использовать эту информацию для лучшей ориентации ваших моделей.
Это требует некоторой практики и критического мышления, но, просто взглянув на деталь, вы можете довольно быстро решить, какая ориентация будет лучше.
Однако выбор может осложниться, когда присутствует сложный дизайн, поэтому главное, что вам нужно учитывать, — это первый слои и высоту модели. Это довольно хорошая отправная точка, прежде чем принимать во внимание другие факторы.
У вас есть доступ к модулю «Предварительный просмотр» вашего отпечатка и его просмотру структуры его слоев во время 3D печати, обязательно примите к сведению эту информацию, чтобы убедиться, что они правильно ориентированы.
Программные модули, помогающие определить оптимальную ориентацию 3D модели
На самом деле существуют программные инструменты, которые помогают людям определить лучшую ориентацию модели, но это обычно проприетарное ПО дорогих 3D принтеров.
Например, слайсер Sunata, которое работает с DMLS 3D принтерами. Он автоматически определяет наилучшую ориентацию детали, а также оптимальное кол-во поддерживающих конструкций.
Он работает, разделяя модель САПР на сегменты, затем просматривая около 100 возможных ориентаций деталей и поддерживающих структур, прежде чем выбрать идеальную.
Факторы на которые влияет ориентации 3D модели перед 3D печатью на фотополимерных SLA и DLP принтерах
Минимизация видимости линий слоев на поверхности отпечатка
Грамотно ориентированная модель может минимизировать присутствие видимых линий слоев, поскольку они в основном отображаются по оси Z.
Это очень похоже на уменьшение секции опорных материалов, где вам нужен угол менее 45 °, но с использованием меньшей высоты слоя. Вы должны думать о слоев как о лестничном марше: чем меньше лестница, тем больше шагов вы должны сделать.
Но вместо того, чтобы иметь лестницы, которые имеют разные уровни, лестницы просто накладываются друг на друга, чтобы создать ощущение плавности и гладкости, которое вам нужно.
Ориентация в целях снижения вероятности ошибки во время 3D печати
Когда дело доходит до больших 3D моделей, их разделение является необходимым шагом, поскольку вся модель не может поместиться на платформе 3D принтера за одину итерацию.
Модель ориентирована субоптимально по горизонтали с большой площадью поперечного сечения по оси Z. В этой ориентации объем поддержек минимален, но вероятность ошибка во время печати достаточно высока. Объем печати = 33,39 мл, время печати = 2 часа 27 минут
Модель переориентирована под углом, уменьшающим площадь поперечного сечения оси Z, что привело к увеличения объема поддержек, но снижена вероятность ошибки при печати. Объем печати = 36,95 мл, время печати = 4 часа 7 минут
Важно понимать, почему ориентация детали влияет на качество печати SLA. Необходимость ориентировать компоненты таким образом, чтобы площадь поперечного сечения по оси Z была уменьшена, часто приводит к необходимости добавления в модель значительного количества опор. В некоторых случаях модель может нуждаться в таком большом кол-ве поддержек, что печать на SLA принтерах уже не будет являться рентабельной или сильно отразиться на внешнем виде отпечатка, после удаления поддержки, что конечный результат визуально будет неудовлетворительным.
При ориентации детали для SLA наибольшее беспокойство вызывает площадь поперечного сечения по оси Z. Адгезия отпечатка к резервуару, прямо пропорциональны двумерной площади поперечного сечения отпечатка. Из-за этого деталь печатается под углом к пластине и уменьшение кол-ва поддержек не является первоочередной задачей. Минимизация площади поперечного сечения по оси Z — лучший способ ориентировать детали для печати SLA.
Изотропия
Отпечатки SLA изотропны, потому что слои химически связываются друг с другом во время печати, что приводит к почти идентичным физическим свойствам в направлениях X, Y и Z. Независимо от того, напечатана ли деталь параллельно или перпендикулярно рабочей пластине, на конечные свойства материала детали это не повлияет, в отличии от FDM 3D печати.
