3D spausdintuvo sluoksniavimo technologija

Kaip iš nieko gimsta kažkas: pirmasis žingsnis į 3D pasaulį

Kai pirmą kartą pamačiau veikiantį 3D spausdintuvą, atrodė kaip magija – mašina tiesiog kūrė objektą iš oro. Bet žinoma, jokios magijos čia nėra, tik protinga technologija, kuri paverčia skaitmeninį modelį į fizinį daiktą. Visa paslaptis slypi sluoksniavime – procese, kuris sudėtingą objektą skaido į šimtus ar net tūkstančius plonutėlių horizontalių sluoksnių.

Įsivaizduokite, kad norite nulipdyti tortą. Jūs gi nedėsite viso tešlos kiekio iš karto – kepsite sluoksnius po sluoksnio, juos sudėsite vieną ant kito, užtepsite kremą tarp jų. 3D spausdinimas veikia labai panašiai, tik vietoj biskvito naudojamas plastikas, metalas ar net betonas, o vietoj jūsų rankų – preciziškai valdomas spausdintuvo mechanizmas.

Nuo kompiuterio iki realybės: kaip failas virsta instrukcija

Viskas prasideda nuo 3D modelio – tai gali būti CAD programoje sukurtas dizainas, nuskenuotas objektas ar net iš interneto parsisiųstas failas. Bet spausdintuvas negali tiesiog „perskaityti” šio modelio ir pradėti spausdinti. Čia į žaidimą įsijungia sluoksniavimo programinė įranga, dar vadinama „slicer” programa.

Ši programa daro tai, kas jos pavadinime – ji pjauna jūsų 3D modelį į plonučius horizontalius pjūvius. Kiekvienas toks pjūvis yra kaip viena nuotrauka iš labai storo albumo. Jei jūsų objektas 5 cm aukščio, o sluoksnio storis 0,2 mm, programa sukurs 250 tokių „nuotraukų”. Kiekviena iš jų nurodo spausdintuvui, kur tiksliai tame aukštyje turi būti medžiaga, o kur – tuščia erdvė.

Bet tai dar ne viskas. Programa taip pat apskaičiuoja daugybę kitų dalykų: kokiu greičiu turėtų judėti spausdinimo galvutė, kokia temperatūra turėtų būti lydomas plastikas, kur reikia atramų konstrukcijų, kad objektas nenugriūtų spausdinimo metu. Rezultatas – G-code failas, kuris yra kaip labai detalus receptas spausdintuvui.

Sluoksnio storis: kodėl milimetro dešimtosios dalys turi reikšmę

Vienas svarbiausių parametrų sluoksniavime yra sluoksnio storis. Tai atstumas tarp vieno sluoksnio ir kito, paprastai matuojamas milimetrais. Dažniausiai naudojami storiai svyruoja nuo 0,1 mm iki 0,3 mm, nors kai kurie spausdintuvai gali dirbti su dar plonesniais ar storesniais sluoksniais.

Plonesniai sluoksniai reiškia gražesnį paviršių ir smulkesnes detales. Jei kada nors žiūrėjote į 3D atspausdintą objektą iš arti, tikriausiai pastebėjote tas charakteringas „pakopas” ant paviršiaus – tai kaip tik atskirų sluoksnių ribos. Kuo plonesnis sluoksnis, tuo šios pakopos mažiau pastebimos. 0,1 mm sluoksniu atspausdintas objektas atrodys žymiai lygesnis nei tas pats objektas su 0,3 mm sluoksniais.

Tačiau yra kompromisas – plonesni sluoksniai reiškia ilgesnį spausdinimo laiką. Jei su 0,3 mm sluoksniais objektas atspausdinamas per 3 valandas, tas pats objektas su 0,1 mm sluoksniais gali užtrukti 9 valandas ar net ilgiau. Todėl reikia pagalvoti, kas jums svarbiau: greitis ar kokybė. Funkcinėms dalims, kurios bus paslėptos ar mechaniškai apdorotos, tikrai pakanka storesnių sluoksnių. O štai dekoratyviniams objektams ar prototipams, kuriuos reikės pristatyti klientams, verta skirti daugiau laiko ir spausdinti su plonesniais sluoksniais.

Užpildymo šablonai: kas slepiasi viduje

Dabar atskleidžiu vieną paslaptį – dauguma 3D atspausdintų objektų viduje nėra pilnai užpildyti. Jie turi išorinę sieną (kelis perimetrus) ir vidinę struktūrą, kuri primena korių. Tai vadinama užpildymu arba „infill”, ir tai dar vienas svarbus sluoksniavimo aspektas.

Užpildymo procentas nurodo, kiek vidinės erdvės bus užpildyta medžiaga. 20% užpildymas reiškia, kad tik penktadalis vidinio tūrio bus plastikas, likusi dalis – oras. Tai labai sumažina medžiagos kiekį ir spausdinimo laiką, tačiau objektas vis tiek išlieka gana tvirtas. Daugumai kasdienių objektų 15-25% užpildymo visiškai pakanka.

Bet įdomiausia yra tai, kad egzistuoja daugybė skirtingų užpildymo šablonų. Tinklelis (grid), korys (honeycomb), trikampiai, koncentriniai apskritimai – kiekvienas turi savo privalumų. Korių struktūra yra viena stipriausių, nes gamta jau seniai išrado šį dizainą. Tinklelis spausdinama greičiau. Koncentriniai apskritimai gerai veikia apvaliems objektams. Sluoksniavimo programoje galite pasirinkti, kuris šablonas geriausiai tinka jūsų objektui.

Yra ir dar vienas triukas – galite keisti užpildymo procentą skirtingose objekto dalyse. Pavyzdžiui, jei spausdinate vazoną, dugnas gali turėti 50% užpildymą tvirtumui, o sienelės – tik 15%, nes jos neturi laikyti didelio svorio.

Atramų konstrukcijos: kai gravitacija yra priešas

Viena didžiausių 3D spausdinimo problemų – kaip atspausdinti dalį, kuri „kabo ore”. Spausdintuvas stato objektą sluoksnis po sluoksnio nuo apačios į viršų, bet kas nutinka, kai kitas sluoksnis turi būti ne tiesiai virš ankstesnio, o šone? Plastikas tiesiog nukris žemyn, kol nesustings.

Čia į pagalbą ateina atramų konstrukcijos. Sluoksniavimo programa automatiškai aptinka vietas, kur reikia atramos, ir sugeneruoja laikančias struktūras. Tai kaip statybų pastoliai – jie laiko objektą spausdinimo metu, o vėliau juos galima nulaužti ir išmesti.

Tačiau atramų projektavimas yra menas. Per daug atramos reiškia švaistyti medžiagą ir laiką, o vėliau – daugiau darbo jas šalinant. Per mažai atramos – objektas sugrius spausdinimo metu. Be to, atramų šalinimas dažnai palieka žymes ant paviršiaus, todėl reikia gerai pagalvoti, kur jos bus.

Patyrę vartotojai dažnai rankiniu būdu redaguoja atramas sluoksniavimo programoje. Galite pridėti atramas tik kritiškose vietose, pakeisti jų tankį ar net pakeisti objekto orientaciją spausdintuve, kad atramų reikėtų mažiau. Pavyzdžiui, jei spausdinate figūrėlę su ištiestu ranka, galite pasukti ją taip, kad ranka būtų labiau vertikali – tada reikės mažiau atramos.

Temperatūra, greitis ir kitų parametrų balanso menas

Sluoksniavimo programa valdo ne tik tai, kur bus medžiaga, bet ir kaip ji bus padėta. Čia svarbu suprasti, kad lydomas plastikas turi tinkamą temperatūrą ir laiką susivienyti su apatiniu sluoksniu. Per karštas – tekės ir deformuosis, per šaltas – nesusijungs gerai ir objektas bus trapus.

Spausdinimo greitis taip pat turi didelę įtaką. Greitesnis spausdinimas reiškia trumpesnį laiką, bet gali sumažinti kokybę. Kai spausdintuvo galvutė juda labai greitai, plastikas neturi pakankamai laiko tiksliai nusėsti ir atšalti. Tai ypač aktualu smulkioms detalėms ir aštriem kampams.

Daugelis sluoksniavimo programų leidžia nustatyti skirtingus greičius skirtingoms objekto dalims. Pavyzdžiui, išorinės sienos gali būti spausdinamos lėčiau, kad paviršius būtų lygesnis, o vidinis užpildymas – greičiau, nes jo niekas nematys. Pirmasis sluoksnis dažnai spausdinamas labai lėtai, kad gerai priliptų prie platformos.

Yra ir daugiau subtilių parametrų: retraktavimas (plastiko atsitraukimas, kad nelašėtų), ventiliatoriaus greitis (aušinimui), platformos temperatūra. Visi šie parametrai yra nustatomi sluoksniavimo etape ir įrašomi į G-code failą. Geros sluoksniavimo programos turi profilius populiariems plastikams (PLA, ABS, PETG), kurie jau turi optimizuotus parametrus.

Skirtingos technologijos, skirtingas sluoksniavimas

Iki šiol daugiausia kalbėjau apie FDM (Fused Deposition Modeling) spausdinimą – tai populiariausia namų vartotojų technologija, kur plastikas lydomas ir išspaudžiamas per antgalį. Bet yra ir kitų 3D spausdinimo technologijų, ir kiekviena turi savo sluoksniavimo ypatumus.

SLA (Stereolithography) spausdintuvai naudoja skystą dervą, kuri kietėja nušviečiama UV šviesa. Čia sluoksniavimas reiškia sukurti kiekvieno sluoksnio „kaukę” – nuotrauką, kuri nurodo, kurias vietas apšviesti. SLA spausdintuvai gali pasiekti daug plonesnių sluoksnių – net 0,025 mm – ir todėl sukurti neįtikėtinai detalizuotus objektus.

SLS (Selective Laser Sintering) technologija naudoja lazerį, kuris suliydina miltelių sluoksnį. Čia įdomu tai, kad nereikia atramų konstrukcijų – nesuliydyti milteliai patys veikia kaip atrama. Tai leidžia spausdinti labai sudėtingas geometrijas, kurios būtų neįmanomos su FDM.

Pramoniniuose spausdintuvuose, kurie spausdina metalais ar betoną, sluoksniavimo principai tie patys, bet parametrai visiškai kitokie. Metalo sluoksniai gali būti 0,05 mm storio, o betono – net kelių centimetrų. Kiekviena technologija reikalauja specialios sluoksniavimo programinės įrangos, kuri supranta tos technologijos specifiką.

Kai sluoksniai tampa menu ir funkcija

Pradėjau šį straipsnį sakydamas, kad 3D spausdinimas nėra magija, bet kuo daugiau apie jį sužinau, tuo labiau jis man atrodo kaip šiuolaikinis stebuklas. Galimybė paversti skaitmeninę idėją į fizinį objektą sluoksnis po sluoksnio atvėrė neįtikėtinas galimybes – nuo medicininių implantų iki namų statybos, nuo prototipų kūrimo iki meno kūrinių.

Sluoksniavimo technologija yra tas nematomas tiltas tarp kompiuterio ir realybės. Ji paima jūsų dizainą ir išverčia į kalbą, kurią supranta mašina. Ir nors tai gali atrodyti sudėtinga, šiuolaikinės programos daro šį procesą vis prieinamesnį. Daugelis žmonių sėkmingai spausdina naudodami numatytuosius nustatymus, net nesuvokdami, kiek sudėtingų skaičiavimų vyksta už kulisų.

Bet jei norite išspausti kažką tikrai ypatingo, verta pasigilinti į sluoksniavimo parametrus. Eksperimentuokite su sluoksnio storiu, užpildymo šablonais, atramų strategijomis. Kiekvienas objektas yra unikalus ir gali reikalauti individualaus požiūrio. Kartais 0,1 mm sluoksnio storio skirtumas gali paversti vidutinį atspaudą į šedevrą. Kartais protingai išdėstytos atramų konstrukcijos sutaupo valandas darbo ir medžiagos.

3D spausdinimo technologija nuolat tobulėja. Naujos sluoksniavimo programos tampa protingesnės, automatiškai optimizuoja parametrus, net mokosi iš ankstesnių spausdinimų. Bet pagrindinis principas išlieka tas pats – sluoksnis po sluoksnio, milimetras po milimetro, kurti kažką naujo. Ir tai yra tikrai nuostabu.