Руководство по разработке 3D-моделей для FDM-принтеров

3D-печать набирает популярность семимильными шагами, а 3D-принтеры становятся всё более и более доступными. Это означает, что люди всё больше и больше перестают пользоваться сторонними услугами 3D-печати, а сами присоединяются к 3D-моделированию и пользуются собственными FDM-принтерами.

А это в свою очередь означает, что людям требуется всё больше и больше высококачественных моделей, которые можно распечатать в домашних условиях, и это с учетом того, что не каждая модель может быть создана по технологии FDM. Поэтому возникает вопрос: как сделать так, чтобы разрабатываемая модель была реализуемой по FDM-технологии 3D-печати?   

Что такое FDM-принтер?

Перед тем как вы приступите к созданию моделей для FDM-принтеров, вы должны понять, как они работают. 3D-принтеры реализуют так называемую аддитивную технологию, то есть материал при создании объекта добавляется в соответствии с 3D-моделью. Такая технология отличается от традиционной субтрактивной, когда материал удаляется, а то, что остается, — и есть конечный продукт.

Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling — FDM) — технология, наиболее часто используемая в домашних 3D-принтерах. В таких принтерах применяется специальная нить, которая подается через сопло, где расплавляется до жидкого состояния и затем слой за слоем выкладывается на платформу печати, на которой моментально охлаждается и застывает. Процесс расплавления и выкладывания нити исходного материала продолжается до тех пор, пока не образуется требуемый объект. 

Почему при моделировании следует учитывать условия FDM-процесса?

Самый простой и прямой ответ на этот — затраты и удобство. Коммерческие 3D-модели получаются при реализации значительно дороже, чем те, которые созданы специально под FDM-принтеры. Во-вторых, — и это не менее важно, — высокий спрос именно на такие модели, которые можно распечатать по FDM-технологии. 3D-печать находится на начальной стадии развития, и интерес к ней в значительной степени подогревается теми, кто используют собственные принтеры и нуждаются в моделях высокого качества.

Что делает модель распечатываемой по FDM-технологии?

Чтобы модель можно было реализовать по FDM-технологии, следует иметь в виду несколько общих принципов.

1. Дизайн под правильные материалы. В домашних принтерах наиболее часто используются филаменты из акрилонитрилбутадиенстирола (ABS) и полилактида (PLA). При создании любых моделей важно помнить о свойствах этих материалов, потому что с учетом этих свойств может потребоваться та или иная подгонка элементов. Например, изготовленный из PLA простой крючок на стену, чтобы вешать на него одежду, в определенных местах должен быть толще того крючка, который изготовлен промышленным способом из керамики, – только тогда можно рассчитывать, что он окажется достаточно прочным, чтобы выдержать нагрузки. Кроме того, важно учитывать температуру плавления используемого филамента. Нет никаких проблем, чтобы распечатать на FDM-принтере форму для выпечки, но только вот температура плавления у ABS составляет 150 °C, а у PLA – 105 °C, так что испечется совсем не то, что нужно.
   
   
2. Формат файлов. FDM-принтеры могут распечатывать файлы .STL и .OBJ (которые с помощью программ «нарезки» перед печатью преобразуются в специальный G-код).
   
   В файлах .STL содержится информация о геометрии поверхности без учета окраски и текстуры 3D-объекта.
   
   В файлах .OBJ содержится информация о поверхности, специальный MAT-индекс и данные по текстуре.
   
   
3. Правило 45. Поскольку каждый очередной слой является основой для последующего, для корректной печати вертикальных углов более 45°, как правило, требуются дополнительные подпорки. Хотя добавить к модели перед ее печатью пару подпорок совсем не трудно, важно, чтобы таких подпорок было как можно меньше, чтобы упростить процесс печати и не делать его чрезмерно дорогостоящим. Получится не совсем хорошо, если пользователю придется потратить лишние $5 на материал для подпорок, помимо расходов на собственно материал печати.
    
   Еще одна вещь, которую можно учесть, — это то, что вы можете предложить два варианта одного и того же файла – с поддержками и без. Тогда у одних пользователей появится возможность разработать поддержки самостоятельно, а другие смогут ограничиться нажатием кнопки запуска печати. 
   
   
4. Дизайн под размеры принтера. Габариты FDM-принтеров варьируются от 120 × 120 × 120 мм (как UP Mini) до 305 × 305 × 305 мм (как Series 1 фирмы Type A Machines). Пользователь может преобразовать размеры модели скачанного файла, чтобы она помещалась в принтер, но если печать ведется в потоковом режиме, это невозможно. Поэтому всегда при разработке моделей для печати в потоковом режиме следует иметь в виду максимальные размеры принтера.
   
   
   
   
5. Обратите внимание на детализацию. Существуют определенные ограничения на размеры мелких деталей, которые могут быть выпечатаны на FDM-принтере. Детализация не должна быть настолько крошечной, чтобы появился риск того, что что-то не пропечатается.
   Вот несколько советов по этому поводу:
   Для большинства FDM-принтеров рекомендуемый размер шрифта на верхней или нижней поверхности модели не должен быть меньше 16 пунктов полужирным и 10 пунктов полужирным на вертикалях.
   
   Рекомендуемая минимальная толщина стенок модели зависит от толщины конкретного слоя при печати, а также от особенностей дизайна (размеров, массы, которую модель должна держать, и т.п.), но 1 мм и толще, как правило, подходит для большинства случаев FDM-печати.
   
   Минимальное расстояние между прилегающими деталями для большинства FDM-принтеров должно составлять 0,4 мм, но чем больше, тем лучше.  
   
   
6. Обращайте внимание на количество полигонов. Модели с большим количеством полигонов могут быть очень детализированными, но с такими файлами трудно работать из-за их размеров. Во избежание этой проблемы старайтесь, чтобы количество полигонов было как можно меньшим, но без потери детализации. 
   
   Уменьшить количество полигонов и размер файла можно с помощью таких программ, как Blender или Meshmixer 
   
   
7. Следите за макетной сеткой. Убедитесь, что ваша макетная сетка связная (герметичная). Это не значит, что не должно быть пространства там, где ему быть положено, но следует убедиться, что в модели нет дыр там, где поверхность подразумевалась сплошной. Дыры в макетной сетке могут привести к тому, что модель окажется невозможно напечатать.
   
   Проверить модель на наличие нежелательных дыр можно с помощью таких программ, как Solid Inspector (бесплатный плагин для Sketchup), которые укажут на все сомнительные в этом смысле места. Есть еще программа Netfabb, которая сама закроет в модели все имеющиеся огрехи в макетной сетке.
   
   
8. Рендеринг должен быть реалистичным. Следует стремиться к тому, чтобы рендеринг показывал, в каком виде модель будет напечатана на самом деле. Все FDM-принтеры используют одноцветную печать, никакой мультицветности. Разноцветные рендеринги могут создать иллюзию текстуры, но на деле получаться будет просто гладкая поверхность. Это может разочаровать и разозлить пользователей, которые окажутся недовольны приобретением вашей модели.
   
   
9. Для профессионалов. Попробуйте пропустить свою модель через программы Magics, Netfabb или Meshmixer. Так можно отловить коварные ошибки (те же несвязные сетки).

 
Помните: материал имеет значение!

Поскольку клиент заказывает разработку дизайна, расширьте дизайнерское решение с учетом используемого материала, минимальных затрат и времени печати.

Следуйте Правилу 45, сокращая потребность в материале для подпорок. 

Уменьшайте модель, чтобы она помещалось в пространство печати. Это, к тому же, окажется для клиента дешевле и быстрее. Имейте в виду, что, если вы разрешаете загружать свои модели, пользователи смогут уменьшать их по своему усмотрению, но потоковый файл уже нарезан, и у пользователя нет удобных возможностей его модифицировать.

Комбинируйте несколько файлов в один, в котором объекты находятся друг от друга на расстоянии 2 мм. Пользователь в таком случае сможет распечатать все за один заход. Помните, что в FDM-принтерах все объекты должны опираться на платформу, поэтому убедитесь, что начальная вертикальная координата у всех одинакова.

Следуйте этим указаниям, и они помогут вам уверенно идти к успеху в деле FDM-печати!