3D spausdinimo pradžiamokslis: žingsnis po žingsnio vadovas pradedantiesiems

3D spausdinimo technologijos pagrindai

3D spausdinimas, dar vadinamas adityvine gamyba, per pastarąjį dešimtmetį iš nišinės technologijos išaugo į tikrą revoliuciją gamybos sektoriuje. Priešingai nei tradiciniai gamybos metodai, kurie pašalina medžiagą (subtraktyvi gamyba), 3D spausdinimas kuria objektus pridedant medžiagą sluoksnis po sluoksnio. Tai leidžia sukurti sudėtingos geometrijos objektus, kuriuos būtų sunku ar net neįmanoma pagaminti tradiciniais metodais.

3D spausdinimo kelionė prasideda nuo skaitmeninio modelio, kuris dažniausiai kuriamas naudojant kompiuterinio projektavimo (CAD) programinę įrangą. Šis modelis vėliau konvertuojamas į STL formatą, kurį supranta 3D spausdintuvai. Specialia programine įranga modelis „supjaustomas” į horizontalius sluoksnius, o spausdintuvas seka šiuos nurodymus, dėdamas medžiagą sluoksnis po sluoksnio, kol sukuriamas fizinis objektas.

Pradedantiesiems svarbu suprasti, kad egzistuoja keletas skirtingų 3D spausdinimo technologijų:

FDM (Fused Deposition Modeling) – labiausiai paplitusi technologija, kai plastikas išspaudžiamas per įkaitintą antgalį ir klojamas sluoksniais.
SLA (Stereolithography) – naudoja ultravioletinę šviesą skystai dervai kietinti.
SLS (Selective Laser Sintering) – lazeriu lydomas miltelių pavidalo medžiagos.
DLP (Digital Light Processing) – panaši į SLA, bet naudoja skaitmeninį projektorių vietoj lazerio.

Pradedantiesiems rekomenduočiau pradėti nuo FDM technologijos, nes ji yra pigiausia, lengviausiai prieinama ir paprasčiausia naudoti.

Pirmojo 3D spausdintuvo pasirinkimas

Pirmojo 3D spausdintuvo pasirinkimas gali kelti nemažai klausimų. Rinkoje yra šimtai modelių, kurių kainos svyruoja nuo 200 iki kelių tūkstančių eurų. Štai keletas aspektų, į kuriuos verta atkreipti dėmesį:

Spausdinimo technologija

Kaip jau minėjau, FDM technologija yra geriausias pasirinkimas pradedantiesiems. Ji paprastesnė, pigesnė ir reikalauja mažiau priežiūros nei kitos technologijos. Populiariausi FDM spausdintuvai pradedantiesiems yra Creality Ender 3, Prusa Mini, Anycubic i3 Mega ir Artillery Genius.

Spausdinimo plotas

Tai maksimalus objekto dydis, kurį galite atspausdinti. Pradedantiesiems pakanka 220x220x250 mm spausdinimo ploto, kurio užtenka daugumai projektų. Didesnis spausdinimo plotas reiškia didesnį spausdintuvą ir aukštesnę kainą.

Surinktas ar rinkinys?

Kai kurie spausdintuvai parduodami jau surinkti, kiti – kaip rinkiniai, kuriuos reikia surinkti patiems. Rinkinio surinkimas užima laiko, bet suteikia vertingų žinių apie spausdintuvo veikimą, kas labai pravers sprendžiant problemas ateityje. Jei turite laiko ir mėgstate techniką, rekomenduoju rinktis rinkinį.

Kaina ir kokybė

Nebūtina išleisti tūkstančius eurų pirmajam spausdintuvui. Yra puikių variantų už 200-300 eurų, kurie tiks pradedantiesiems. Vis dėlto, venkite labai pigių, nežinomų gamintojų spausdintuvų, nes jie gali sukelti daugiau problemų nei malonumo.

Mano rekomendacija pradedantiesiems būtų Creality Ender 3 V2 arba Prusa Mini. Abu šie spausdintuvai turi didelę naudotojų bendruomenę, todėl lengva rasti pagalbą ir patarimus internete.

Medžiagos ir jų ypatybės

3D spausdinimui naudojama daugybė skirtingų medžiagų, kiekviena su savo privalumais ir trūkumais. Pradedantiesiems rekomenduoju susipažinti su šiomis pagrindinėmis:

PLA (polilaktinė rūgštis)

Tai biologiškai skaidus plastikas, gaminamas iš kukurūzų krakmolo ar cukranendrių. PLA yra puikus pasirinkimas pradedantiesiems dėl kelių priežasčių:

Žema lydymosi temperatūra (190-220°C)
Nereikalauja kaitinamo pagrindo (nors rekomenduojama 50-60°C)
Minimalus deformavimasis vėstant
Malonus, saldus kvapas spausdinant
Didelis spalvų ir efektų pasirinkimas

PLA trūkumai: jis nėra atsparus aukštai temperatūrai (minkštėja virš 60°C) ir ilgainiui gali suirti drėgnoje aplinkoje.

PETG (polietileno tereftalato glikolis)

Kai įgausite daugiau patirties, verta išbandyti PETG – tai universali medžiaga, jungianti PLA paprastumą su ABS atsparumu:

Spausdinimo temperatūra: 230-250°C
Kaitinamo pagrindo temperatūra: 70-80°C
Geresnis mechaninis atsparumas nei PLA
Atsparesnis temperatūrai (minkštėja apie 80°C)
Atsparus vandeniui ir chemikalams

ABS (akrilonitrilo butadieno stirenas)

ABS yra stipri medžiaga, naudojama LEGO kaladėlėms gaminti, tačiau ji sudėtingesnė spausdinti:

Spausdinimo temperatūra: 230-250°C
Kaitinamo pagrindo temperatūra: 100-110°C
Reikalauja uždaros spausdinimo erdvės (kad neatvėstų per greitai)
Išskiria nemalonius garus, reikalinga gera ventiliacija
Linkęs deformuotis vėstant (warping)

Pradedantiesiems rekomenduoju pradėti nuo PLA ir tik įgijus patirties pereiti prie sudėtingesnių medžiagų. Įsigykite kelis skirtingų spalvų PLA ritinėlius ir eksperimentuokite!

Modeliavimas ir paruošimas spausdinimui

Prieš pradedant spausdinti, reikia turėti 3D modelį. Yra trys pagrindiniai būdai jį gauti:

Atsisiųsti iš interneto

Tai paprasčiausias būdas pradedantiesiems. Yra daugybė svetainių, kuriose galima rasti tūkstančius nemokamų 3D modelių:

Thingiverse – didžiausia nemokamų 3D modelių bendruomenė
Printables (buvęs PrusaPrinters) – aukštos kokybės modelių biblioteka
MyMiniFactory – patikrinti, spausdinimui paruošti modeliai
Cults3D – tiek nemokamų, tiek mokamų modelių rinkinys

Kurti patiems

Kai įgausite daugiau patirties, galite pradėti kurti savo modelius. Pradedantiesiems rekomenduoju šias programas:

Tinkercad – nemokama, naršyklėje veikianti programa, ideali pradedantiesiems
Fusion 360 – profesionali CAD programa su nemokama licencija asmeniniam naudojimui
Blender – nemokama 3D modeliavimo programa, labiau orientuota į meninį modeliavimą

3D skenavimas

Galite nuskenuoti realius objektus naudodami 3D skenerį arba fotogrammetrijos programinę įrangą, kuri sukuria 3D modelį iš nuotraukų serijos.

Modelio paruošimas spausdinimui

Turint modelį, reikia jį paruošti spausdinimui naudojant „slicer” programą. Šios programos konvertuoja 3D modelį į G-kodą – instrukcijų rinkinį, kurį supranta spausdintuvas. Populiariausios „slicer” programos:

Ultimaker Cura – nemokama, lengva naudoti, tinka daugumai spausdintuvų
PrusaSlicer – nemokama, sukurta Prusa spausdintuvams, bet tinka ir kitiems
Simplify3D – mokama, bet su pažangesnėmis funkcijomis

Pagrindinis „slicer” programos darbas – suskaidyti modelį į sluoksnius ir sugeneruoti spausdintuvo judėjimo trajektorijas. Čia galite nustatyti įvairius parametrus:

Sluoksnio aukštis – kuo mažesnis, tuo detalesnė spauda, bet ilgiau spausdinama
Užpildymo tankis – kiek medžiagos bus viduje (20-25% pakanka daugumai projektų)
Spausdinimo greitis – kuo lėčiau, tuo geresnė kokybė
Temperatūra – priklauso nuo naudojamos medžiagos
Atramos – struktūros, palaikančios iškyšas spausdinimo metu

Pradedantiesiems rekomenduoju naudoti numatytuosius nustatymus ir keisti juos tik įgijus daugiau patirties.

Pirmasis spausdinimas ir dažniausios problemos

Atėjo laikas pirmajam spausdinimui! Štai keletas žingsnių sėkmingam pradžios projektui:

Pasirinkite paprastą modelį be sudėtingų detalių ar iškyšų (pvz., kubą, žetoną ar paprastą figūrėlę)
Įsitikinkite, kad spausdintuvo pagrindas yra tinkamai išlygintas
Įdėkite PLA filamentą ir įsitikinkite, kad jis tinkamai tiekiamas
Nustatykite tinkamą temperatūrą (apie 200°C antgaliui ir 60°C pagrindui)
Pradėkite spausdinimą ir stebėkite pirmąjį sluoksnį – jis yra kritiškai svarbus

Dažniausios problemos, su kuriomis susiduria pradedantieji, ir kaip jas spręsti:

Neprilimpa prie pagrindo

Jei pirmasis sluoksnis neprilimpa prie pagrindo, bandykite:

Iš naujo išlyginti pagrindą (bed leveling)
Padidinti pagrindo temperatūrą 5-10°C
Sumažinti pirmojo sluoksnio spausdinimo greitį
Naudoti klijus ar specialią juostą geresniam sukibimui
Nuvalyti pagrindą izopropilo alkoholiu

Užsikimšęs antgalis

Jei filamentas nustoja tekėti, gali būti užsikimšęs antgalis:

Padidinkite temperatūrą 10-15°C ir pabandykite rankiniu būdu pastumti filamentą
Atlikite „cold pull” procedūrą – įkaitinkite antgalį, įstumkite filamentą, leiskite atvėsti iki 90°C ir staigiai ištraukite
Naudokite valymo adatą antgaliui išvalyti

Sluoksnių atsiskyrimas

Jei sluoksniai nesukimba tarpusavyje:

Padidinkite spausdinimo temperatūrą 5-10°C
Sumažinkite aušinimo ventiliatoriaus greitį
Sumažinkite spausdinimo greitį

Stringing (siūlai tarp dalių)

Jei tarp atskirų dalių formuojasi ploni plastikiniai siūlai:

Padidinkite retrakcijos atstumą ir greitį
Sumažinkite spausdinimo temperatūrą 5-10°C
Įjunkite „combing” funkciją slicer programoje

Nepamirškite, kad 3D spausdinimas yra procesas, reikalaujantis kantrybės ir eksperimentavimo. Net patyrę spausdintojai susiduria su problemomis, todėl nesijaudinkite, jei ne viskas pavyks iš pirmo karto.

Modelių tobulinimas ir apdaila

Atspausdinus modelį, dažnai reikia papildomų veiksmų, kad gautume galutinį, kokybišką produktą. Štai keli būdai, kaip patobulinti savo spaudinius:

Atraminių struktūrų šalinimas

Jei jūsų modelis buvo spausdinamas su atraminėmis struktūromis (supports), jas reikia pašalinti. Naudokite:

Mažas replytes smulkioms detalėms
Nedidelį peiliuką ar skalpelį
Smulkius dailidės įrankius

Būkite atsargūs, kad nepažeistumėte paties modelio. Geriausia pradėti nuo vietos, kur atrama jungiasi su modeliu, ir atsargiai ją atlupti.

Šlifavimas

Norint pašalinti sluoksnių linijas ir suteikti modeliui glotnesnį paviršių:

Pradėkite nuo stambesnio švitrinio popieriaus (150-220 grūdėtumo)
Palaipsniui pereikite prie smulkesnio (320, 400, 600, 1000 grūdėtumo)
Šlifuokite po vandeniu, kad sumažintumėte dulkes ir pagerintumėte rezultatą

PLA yra gana kietas, todėl šlifavimas užima laiko. PETG šlifuojasi šiek tiek lengviau, o ABS – dar lengviau.

Cheminis apdorojimas

Kai kurias medžiagas galima apdoroti chemiškai, kad paviršius taptų glotnesnis:

ABS galima apdoroti acetono garais (atsargiai – acetonas yra degus!)
PLA galima apdoroti tetrahydrofuranu (THF) arba dichlormetanu, tačiau šie chemikalai yra pavojingi ir reikalauja specialių saugos priemonių

Pradedantiesiems rekomenduoju vengti cheminių apdorojimo būdų ir koncentruotis į mechaninį šlifavimą.

Dažymas

3D spaudinius galima dažyti, kad jie atrodytų profesionaliau:

Prieš dažymą užgruntuokite paviršių specialiu plastiko gruntu
Naudokite akrilinius dažus – jie gerai sukimba su plastiku
Dažykite plonais sluoksniais, leiskite kiekvienam sluoksniui išdžiūti
Užbaikite matine arba blizgia apsaugine danga

Airbrush įrankis gali padėti pasiekti ypač profesionalų rezultatą, tačiau pradedantiesiems užtenka ir paprastų teptukų.

Ateities perspektyvos: kur link keliauti toliau

3D spausdinimas atveria begalę galimybių, ir pradėjus šią kelionę, norėsis žengti vis toliau. Štai keletas krypčių, kuriomis galite tobulėti:

Pažangesnės medžiagos

Įgijus patirties su PLA, galite pereiti prie sudėtingesnių medžiagų:

TPU/TPE – lankstūs, gumai panašūs plastikai
Nylon – itin stipri ir atspari medžiaga
PC (polikarbonatas) – labai atsparus karščiui ir smūgiams
Kompozitiniai filamentai – su medienos, metalo ar anglies pluošto priedais

Kiekviena medžiaga turi savo spausdinimo ypatumus ir pritaikymo sritis, todėl plėskite savo žinias palaipsniui.

Spausdintuvo modifikacijos

Daugelis 3D spausdintuvų gali būti modifikuojami, siekiant pagerinti jų galimybes:

Geresnės kokybės antgaliai (pvz., hardened steel, ruby)
Geresnė ekstruzijos sistema (direct drive vietoj bowden)
Automatinis pagrindo išlyginimas
Uždaras korpusas spausdinant ABS ir kitas medžiagas
Dvigubas ekstruderis dviejų spalvų/medžiagų spausdinimui

Modifikacijos ne tik pagerina spausdinimo kokybę, bet ir leidžia geriau suprasti, kaip veikia spausdintuvas.

Funkcinis projektavimas

Vietoj dekoratyvinių objektų, pabandykite sukurti funkcionalius daiktus:

Namų apyvokos daiktai (kabliukai, laikikliai, organizatoriai)
Įrankiai ir jų dalys
Elektronikos korpusai (Arduino, Raspberry Pi projektams)
Mechaninės dalys (krumpliaračiai, svirtys, jungtys)

Funkcinis projektavimas reikalauja tikslaus matavimo ir inžinerinių žinių, bet rezultatai gali būti itin naudingi kasdieniame gyvenime.

Kūrybiškumo ir technologijos sintezė

3D spausdinimas yra unikali technologija, suteikianti galimybę paversti skaitmenines idėjas apčiuopiama realybe. Pradėję nuo paprastų modelių, greitai pastebėsite, kaip keičiasi jūsų mąstymas – pradėsite visur matyti galimybes kurti ir tobulinti daiktus. Tai ne tik hobis, bet ir nauja pasaulėžiūra, kai suvokiate, kad daugelį dalykų galite sukurti patys.

Svarbiausia šioje kelionėje – kantrybė ir nuolatinis mokymasis. Kiekviena nesėkmė yra vertinga pamoka, o kiekvienas sėkmingas spaudinys – žingsnis į priekį. Nesistenkite aprėpti visko iš karto – pradėkite nuo paprastų projektų, įgykite pasitikėjimo ir palaipsniui judėkite pirmyn.

Prisijunkite prie 3D spausdinimo bendruomenių, dalinkitės savo patirtimi ir mokykitės iš kitų. Facebook grupės, Reddit forumai, vietiniai makerspace’ai – visa tai yra puikūs šaltiniai žinioms ir įkvėpimui. Nepamirškite, kad geriausi mokytojai dažnai yra tie, kurie ką tik išsprendė problemą, su kuria jūs dabar susiduriate.

Galiausiai, leiskite sau eksperimentuoti ir žaisti. 3D spausdinimas – tai ne tik techninė disciplina, bet ir kūrybinė išraiška. Kartais netikėčiausi eksperimentai veda prie įdomiausių atradimų. Tegul jūsų pirmas 3D spausdintuvas tampa ne tik įrankiu, bet ir kūrybinio potencialo išlaisvinimo priemone, atveriančia duris į pasaulį, kuriame ribas nustato tik jūsų vaizduotė.