3D-печать сферических моделей

Сфера — очень незамысловатая геометрическая форма, но печатать идеальные шары на экструзионных 3D-принтерах не так уж и просто. Делимся советами для начинающих.

Качественная экструзионная 3D-печать сферических структур — непростая задача, так как укладываемые слои образуют хорошо заметные ступеньки, а при высоких углах наклона стенок, то есть ближе к верхней и нижней части, могут потребоваться опорные структуры. Более того, простая геометрия делает швы более различимыми. Все это затрудняет получение моделей с гладкими поверхностями и/или высокой детализацией.

Простого решения не существует, но есть кое-какие способы повышения качества.

Проектирование

Еще на этапе моделирования возникает выбор, как именно печатать сферу — целиком или по частям. Половинки напечатать проще, иногда можно даже обойтись без поддержек, но это требует склеивания и зачистки швов, что может быть трудоемко или даже неприемлемо при изготовлении той же литофании.

Если сфера — лишь часть более крупной модели, ее по возможности стоит печатать отдельно ради снижения риска отбраковки всей модели, если что-то пойдет не так.

Разделение сферы на две части можно провести в любом 3D-редакторе, САПР и некоторых слайсерах. Когда дело дойдет непосредственно до 3D-печати, половинки желательно печатать по отдельности — сначала одну, потом другую. Это поможет избежать дополнительных операций ретракта и холостого перемещения головки между моделями, а значит сэкономит время, да и будет способствовать лучшей когезии, так как уже уложенный материал будет не так сильно остывать перед нанесением следующих слоев.

Если сферу необходимо напечатать целиком, одной моделью, будьте готовы к дополнительным сложностям: малая площадь соприкосновения с рабочей поверхностью и высокие углы наклона почти наверняка потребуют поддержек, а возможно и бримов или рафтов, чтобы модель не срывало не стола.

Нарезка

Нарезка особых трудностей вызывать не должна. Первое, что можно посоветовать — выставлять слои потоньше ради снижения ступенчатости. На выращивание модели тонкими слоями потребуется больше времени, зато выиграет детализация и снизятся затраты на постобработку.

Есть и компромиссный вариант: некоторые слайсеры предлагают функцию динамической регулировки толщины слоев. В слайсере Cura, например, она называется Adaptive Layer Height. С помощью этой настройки участки ближе к условному экватору можно печатать более толстыми слоями, так как смещение слоев минимально. С полюсами наоборот: здесь требуется сильное смещение, и тонкие слои будут не так сильно заметны, как толстые. Динамическая регулировка толщины значительно упрощает задачу настройки толщины разных слоев за счет автоматизации.

Поддержки

Как правило, поддержки требуются при углах наклона свыше 45°, хотя аккуратная настройка параметров потока, обдува и толщины слоев может насколько повысить предел. Тем не менее, ближе к полюсам углы все равно вырастут до порога, когда поддержки будут необходимы.

Если сфера печатается половинками, поддержки будут расположены внутри моделей, так что внешние поверхности не пострадают, хотя все рано придется обрабатывать шов после склеивания половинок. Как минимум, не придется волноваться об отрыве модели от столика, так как плоское основание даст хорошую площадь контакта.

Если сфера печатается целиком, точкой контакта со столиком будет «южный полюс» слишком малой площади для надежного удержания модели на рабочей поверхности. Особенно ярко нестабильность будет выражаться на 3D-принтерах с подвижной в горизонтальной плоскости платформой, так называемых «дрыгостолах»: постоянные вибрации от ускорений столика легко могут привести к отрыву модели. Соответственно потребуются поддержки в нижней части, а возможно и вспомогательная структура для повышения площади контакта — брим или рафт.

Поддержки в этом случае будут контактировать с внешней поверхностью модели, что потребует дополнительной, чистовой постобработки. Если модель печатается на двухэкструдерном 3D-принтере, для упрощения постобработки и повышения качества поверхностей опорные структуры можно напечатать водорастворимым материалом, например поливиниловым спиртом (REC PVA).

Заполнение и оболочки

Степень заполнения и толщина оболочки напрямую зависят от назначения модели. Если речь идет про литофанию или плафоны светильников, модели необходимо печатать полыми и с довольно тонкими, просвечивающими стенками. Заодно необходимо аккуратно выбирать расходный материал: лучше всего для светотехники и литофании подходят матовые пластики, хорошо рассеивающие свет. Чаще всего используется полилактид (REC PLA), так как этот полимер обладает низкой усадкой. Если близость к источнику света будет вызывать существенный нагрев, можно использовать что-нибудь более теплостойкое, например полиэтилентерефталатгликоль (REC Relax).

С другой стороны, можно использовать акрилонитрилбутадиенстирол (REC ABS). Этот полимер обладает существенной усадкой, в в то же время хорошей теплостойкостью и ударной прочностью. Что не менее важно, он отлично растворяется в широко доступном ацетоне, а это делает возможным сглаживание поверхностей с помощью кисточки или паровой бани.

Чтобы оболочка просвечивала, попробуйте укладывать стенки двумя линиями по периметру. Если подсветка не требуется, ориентируйтесь по обстоятельствам, в зависимости от требований к механической прочности, повышая количество периметров и добавляя заполнение.

Если высокая прочность не требуется, можно даже попробовать «режим вазы», то есть укладку стенок одной непрерывной линией по спирали. Это очень экономичный режим в плане как времени, так и расхода материала, но модели выходят довольно хрупкими, будучи тонкостенными.

Постобработка

Стандартный порядок состоит из отделения поддержек острым лезвием или кусачками и зачистки следов от поддержек наждачной бумагой, а также склеивания половинок, если требуется. При шлифовании лучше всего постепенно снижать зернистость бумаги. Заодно не забывайте про температуры размягчения: легкоплавкие пластики, особенно полилактид, могут стать вязкими при шлифовании. В таких случаях обычно используется «мокрый» метод: модель и бумага периодически смачиваются водой для теплоотвода,а шлифование выполняется вручную, без использования электроинструмента.

Мокрое шлифование

Если необходимы абсолютно гладкие, даже глянцевые поверхности, поможет химическая обработка растворителями. Выбор растворителя зависит от полимера: как уже упоминалось, с АБС отлично справляется ацетон, а самый универсальный вариант — дихлорметан, работающий с большинством наиболее распространенных пластиков. Сглаживать можно кистью или в паровой бане, но не забывайте хорошо проветривать помещение, использовать защиту для глаз и рук, а также держать химикаты подальше от работающих электроприборов и источников открытого огня, ибо пары могут быть огне- и даже взрывоопасны.

Можно обойтись вообще без постобработки. Некоторые материалы неплохо скрывают эффект слоистости. Если модель будет непрозрачной, отлично подойдут композиты с волоконными наполнителями. Эти материалы предназначены в первую очередь для инженерного применения, но дают приятные на ощупь, шершавые поверхности, хорошо скрывающие неровности.

Еще один вариант, особенно хорошо подходящий для просвечивающих стенок — «шелковые» филаменты REC PLA Silk. Легкий, переливающийся глянец этих пластиков тоже помогает маскировать слоистость, к тому же они очень просты в 3D-печати, не требуя даже термокамер.