Опорные структуры (поддержки) в FDM 3D-печати

Поддержки — это необходимое зло: они доставляют немало неудобств, но зачастую без них получить изделия просто невозможно, особенно когда речь идет о 3D-печати моделей с навесными структурами. В этой статье поговорим об опорах — какими они бывают, как их избегать и что делать, если без поддержек не обойтись.

Содержание:

1. Когда нужны поддержки.
2. Когда поддержки не нужны.
3. Почему лучше вообще обходиться без поддержек.
4. Виды поддержек.
5. Как обойтись без поддержек.
6. Как добиться оптимальных результатов при 3D-печати наклонных участков и мостиков без поддержек.
7. 3D-печать с поддержками.

1. Когда нужны поддержки

Поддержки нужны тогда, когда у модели есть сильно нависающие элементы или мостики, которым необходимо на что-то опираться, ведь печатать по воздуху FDM-3D-принтеры не умеют. На иллюстрации ниже приведены простые примеры нависающих структур и мостика.

2. Когда поддержки не нужны

Даже если в 3D-модели есть нависающие участки или мостики, это вовсе не говорит от том, что поддержки обязательны. Здесь нужно помнить о двух моментах. Без поддержек, как правило, можно обойтись, когда угол наклона не превышает 45 градусов и когда длина мостиков не превышает 5 мм.

Пусть FDM 3D-принтеры не умеют печатать по воздуху, но они способны укладывать слои со смещением — так, чтобы новая нить лишь частично опиралась на предыдущий слой. Если опирается хотя бы половина ширины новой нити, этого должно быть достаточно. Если же больше половины нависает, тут уже возникает риск проседания, а потому требуются поддержки.

Примерно то же самое и с мостиками: если два вертикальных участка модели соединены горизонтальным сегментом длиной не более 5 мм, скорее всего поддержки не потребуются. Если же длина превышает пять миллиметров, еще неостывший материал может просесть под собственным весом, а значит лучше позаботиться об опорных структурах.

Имейте в виду, что это не строгие правила: много будет зависеть от выбранного материала, температуры, скорости печати и мощности обдува, так что оптимальные настройки желательно определить заранее опытным путем по тестовым моделям, специально проектируемым с разными нависаниями и мостиками — например, вот такой.

3. Почему лучше вообще обходиться без поддержек

По мере возможности желательно избегать 3D-печати с поддержками, и на то есть целый ряд причин.

Повышенный расход материалов

После 3D-печати опоры удаляются и отправляются в мусор, в лучшем случае — на переработку. Так или иначе, построение опор выливается в дополнительный расход филамента и, соответственно, рост себестоимости.

Повышенный расход времени

Время — тоже деньги, и на построение опор требуется время, так что часть рабочего цикла 3D-принтер потратит на поддержки вместо того, чтобы работать над самой моделью.

Дополнительная постобработка

Все эти вспомогательные структуры после 3D-печати придется удалять, причем зачастую это делается вручную — с помощью кусачек, острого лезвия и наждачной бумаги. Мало того что это трудоемкий процесс, он еще и чреват повреждением самой модели. Будьте осторожны при работе с острыми инструментами и не забывайте смачивать модели во время шлифования изделий из легкоплавких полимеров, иначе поверхности могут «поплыть» при чрезмерном нагревании из-за трения.

Отчасти проблема дополнительной постобработки решается использованием двух филаментов — основного и опорного. Для этого потребуется 3D-принтер с как минимум двумя экструдерами, заправленными разными материалами. Идея в том, что по завершении печати один из пластиков можно удалить подходящим растворителем, действующим на опорный материал, но не на основной. Например, модели из АБС (REC ABS) можно напечатать с поддержками из полистирола (REC HIPS), а затем растворить опорный материал в лимонене, не действующем на АБС.

Пример 3D-печати с использованием растворимого опорного материала

Существуют даже специальные водорастворимые опорные филаменты, как правило на основе поливинилового спирта (REC PVA). С такими материалами удобно работать, к тому же они нивелируют риск повреждения хрупких моделей, но не решают проблему повышенной себестоимости.

4. Виды поддержек

Древообразные поддержки

По структуре поддержки можно разделить на два основных вида: вертикальные и древообразные. Древообразные позволяют немного экономить на материале, облегчают постобработку и подходят для большинства нависающих структур.

Вертикальные поддержки

Линейные же дают более плотную площадь контакта и поэтому хорошо подходят даже в самых сложных случаях, но ценой повышенного расхода материала и более трудоемкой постобработки с повышенным риском повреждения поверхностей моделей.

5. Как обойтись без поддержек

Во многих случаях можно обойтись без опорных структур, используя довольно простые решения.

Интегрируйте поддержки в 3D-модель

Если дизайн позволяет, опорные структуры можно встроить в саму модель, то есть сделать ее самонесущей. Взгляните на иллюстрацию ниже: рука в этой скульптуре нависает, а потому требует опор, но поддержками служат подушки, то есть часть самой композиции.

Если этот прием работал для классических скульптур, он подойдет и для 3D-печати. Собственно, вот еще один пример, но уже из современного искусства — скульптура за авторством дизайнера Fantasygraph. Здесь тело поддерживается долгополым платьем, а рука — посохом. Такую модель можно напечатать без опор.

Скосы

Еще один простой способ — замена скругленных поверхностей прямыми скосами с углами менее 45 градусов, как на иллюстрации ниже.

Аналогичным образом круглые отверстия можно заменять полигональными. Если это не технические отверстия, сильной разницы в плане эстетики быть не должно, зато процесс 3D-печати значительно упростится.

Ориентация 3D-моделей

Зачастую бывает и так, что от необходимости в поддержках можно избавиться (или как минимум снизить зависимость) простым разворотом модели на столике. Представьте, что вы печатаете модель в виде ящика или короба с открытым верхом — четыре стенки и дно. Если печатать такую деталь дном вверх, внутреннее пространство придется обильно заполнить поддержками. Если же печатать дном вниз, поддержки не нужны вообще — сначала плоское дно печатается прямо поверх столика, а затем выращиваются вертикальные стенки.

А вот пример посложнее. Это еще одна работа от Fantasygraph: здесь мы видим фигурку с вытянутой рукой. Если печатать фигурку стоя, руке потребуются обильные поддержки, а после удаления на ней, скорее всего, останутся следы. Если же наклонить фигурку на 45 градусов, расход материала сократится, а поддержки потребуются только под основанием, где артефакты после удаления опор не будут видны.

6. Как добиться оптимальных результатов при 3D-печати наклонных участков и мостиков без поддержек

Даже если модель теоретически можно построить без опорных структур, к делу необходимо подходить аккуратно. Чтобы снизить риски брака сделайте следующее:

• Настройте обдув и температуру экструзии

Быстрое охлаждение нависающих участков поможет избежать сползаний и просадки. В то же время старайтесь использовать минимальную допустимую для выбранного материала температуру хотэнда.

• Снизьте скорость укладки

Чем медленнее 3D-принтер печатает, тем больше времени у нанесенного материала на охлаждение и затвердевание до того, как он сам станет опорой для следующих слоев.

• Уменьшите толщину слоев

Это, опять-таки, поспособствует более быстрому охлаждению и набору прочности.

7. 3D-печать с поддержками

Если без поддержек никак не обойтись, остается только оптимизировать процесс настолько, насколько это возможно. Для подготовки 3D-моделей к печати используются специальные программы, называемые слайсерами (подробнее о слайсерах читайте в статье по этой ссылке). Большинство из них умеют расставлять поддержки самостоятельно, автоматически, но в то же время позволяют модифицировать опорные структуры вручную.

Основные моменты, на которые стоит обращать внимание:

• распределение поддержек;
• прочность опорных структур;
• простота удаления опор после 3D-печати;
• возможные повреждения поверхностей после удаления опор.

Так как слайсеров существует множество, далее мы приведем примеры работы с наиболее популярным вариантом под названием Cura.

Автоматическая генерация поддержек

Первым делом необходимо разобраться, нужны ли вообще выбранной модели опорные структуры. С Cura в этом плане все просто: после импорта файла слайсер проанализирует 3D-модель и выделит «нестабильные» участки красным цветом. Это как раз те самые места, где могут потребоваться опоры.

Если включить функцию Generate Support в меню Support, слайсер расставит поддержки там, где посчитает нужным. Некоторые места, например первые слои или короткие мостики, могут оказаться красными и без поддержек, но в большинстве случаев это нормально — программа проанализирует структуру и выставит опоры только там, где без них не обойтись. Чтобы увидеть результат на экране, переключите режим просмотра с Solid на Layer.

Выберите вертикальные или древообразные поддержки

По умолчанию Cura использует вертикальные опоры, но начиная с версии 3.2 доступна опция построения более экономичных древообразных структур.

Проверьте расстановку поддержек

Одна настройка, о которой не стоит забывать, это Placement в секции Support. Здесь доступны два режима: в режиме Everywhere слайсер расставит поддержки везде, где есть нависающие элементы, а в режиме Touching Build Plate только там, где поддержки будут соединять модель непосредственно со столиком. В большинстве случаев, второго режима следует избегать, ибо он может оставить некоторые ключевые участки без необходимых опорных структур, как на иллюстрации ниже.

Как правило, режим Touching Build Plate используется при 3D-печати моделей высокой геометрической сложности, когда использование режима Everywhere приводит к экстремальному насыщению моделей опорами с вытекающей головоломной постобработкой. В итоге решать необходимо исходя из конкретных случаев. Если 3D-модель слишком сложна для обоих режимов, следует либо разбить ее на части, либо выстраивать поддержки растворимыми материалами.

Избегайте контакта опор с вертикальными стенками

Еще одна важная функция в секции Support называется Support X/Y Distance. Этот параметр регулирует минимальный зазор между опорами и вертикальными стенками. В идеале поддержки и стенки не должны соприкасаться, если только самим стенкам не требуются опоры. Если же во время печати вертикальные стенки и опоры будут контактировать, пользы от этого никакой не будет, зато возрастет сложность постобработки.

Слайсер позволяет выставлять минимальное удаление от стенок шагами по 0,2 мм. Настраивайте по обстоятельствам — так, чтобы расстояние было минимальным, но при этом опоры и вертикальные секции модели не соприкасались.

Отрегулируйте зазор между опорами и нависающими структурами по оси Z

Один простой трюк, помогающий удалять опоры по завершении 3D-печати — намеренное ослабление адгезии (то есть схватывания) между опорами и моделью. Сделать это можно с помощью параметра Z-Distance. При правильной настройке Cura оставит небольшие зазоры между нависающими структурами и поддержками так, чтобы они лишь слегка соприкасались.

По умолчанию параметр Z-Distance соответствует выставленной толщине слоя, но если отдирать поддержки слишком тяжело, попробуйте увеличить дистанцию. Параметр настраивается шагами в толщину слоя, так что при печати слоями 0,1 мм попробуйте сначала стандартную Z-Distance в 0,1 мм, а если этого не хватит, то 0,2 или даже 0,3 мм.

Балансируйте между прочностью и простотой постобработки

Cura предлагает несколько вариантов построения опор с разным заполнением. Варианты можно выбирать с помощью параметра Support Pattern в секции Setting. По умолчанию используется вариант с построением зиг-загом.

В большинстве случаев он оптимален, так как хорошо сочетает опорную функцию с относительной простотой отделения поддержек от моделей. При желании можно использовать и другие варианты — с треугольным, линейным, сеточным, перекрестным или двумя видами концентрического распределением опор. Это уже вопрос вкуса, так что не бойтесь экспериментировать.