АНАЛИЗ ЗАРУБЕЖНЫХ И ОТЕЧЕСТВЕННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОБЛЕМЫ АДАПТАЦИИ 3D-МОДЕЛЕЙ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ

УДК 004.356.2

магистр Полякова Д.А., к. т. н., проф. Сокуренко Ю.А.

Санкт-Петербургский национальный исследовательский

университет информационных технологий, механики и оптики

(Университет ИТМО), Россия

В данной публикации подводится итог работы по анализу зарубежных и отечественных исследований методов адаптации и классификацией дефектов 3D-печати, связанных с некорректной подготовкой 3D-моделей. Работа выполнена в рамках темы НИР № 615892 «Исследование и разработка в области информационных технологий» (Университет ИТМО).

Ключевые слова: адаптация 3D-моделей, дефекты 3D-печати, подготовка 3D-моделей к печати, FDM-технология, 3D-принтер.

Несмотря на широкие возможности 3D-печати и стремительный рост доступности
3D-принтеров, далеко не каждую 3D-модель, полученную из сети Интернет легко адаптировать для последующей печати [1]. Даже самый простой геометрический примитив требует тщательного рассмотрения на допустимость печатных размеров, соразмерность габаритам печатной камеры, возможность применения печатной технологии, а также соответствие материалов. С другой стороны, процесс моделирования объекта в программной среде
«с нуля» не решает вышеперечисленные проблемы, а лишь усугубляет сложившуюся ситуацию. В иностранных источниках рассмотрена проблема кроссплатформенности слайсеров, авторами подчеркивается проблема игнорирования пользователями правил использования программного обеспечения. Использование программного обеспечения, предназначенного для 3D-скульптинга, нецелесообразно для моделирования печатного объекта. Программы такого спектра создают особые оболочки, увеличивают размер файла и количество полигонов, что затрудняет работу программ-слайсеров.

Для решения проблем адаптации 3D-моделей специалистами рекомендуется использование программ отслеживания ошибок, таких как Autodesk Netfabb и Autodesk Meshmixer. Однако данные программы не могут решить проблемы искажения поверхности или несоответствия форме первоначального объекта, полученного, например, методом 3D- сканирования или фотограмметрии.

Такие 3D-модели не могут быть обработаны только в автоматическом режиме и требуют ручного вмешательства и доработки. Неадаптированные 3D-модели крайне негативно влияют на эргономику и производительность производства. Невостребованный испорченный пластик, который не будет в дальнейшем переработан и энергия, затраченная на работу принтера впустую, заставляют задуматься о влиянии печатного производства на окружающую среду. На сегодняшний день отсутствует четкая методология подготовки 3D-моделей для 3D-печати. Возникает противоречие между растущей популярностью 3D-принтеров, а также разнообразием печатных технологий с одной стороны, с трудностями технической и программной реализации 3D-моделей для 3D-печати с другой. Возможные дефекты 3D-печати представлены на рисунке.

Рисунок. Примеры дефектов 3D-печати, возникших по причине неправильной подготовки
3D-моделей: а — разрывы; б – отсутствие элементов; в — закругленные углы; г — щели

Перед отправкой 3D-модели на печать её необходимо адаптировать по ряду конкретных критериев, в первую очередь, зависящих от выводного устройства. Согласно исследованиям авторов [2] можно выделить следующие критерии сравнения 3D-устройств для печати:

1. Технология печати.
2. Рабочий материал (филамент).
3. Размеры рабочего пространства.
4. Точность позиционирования, А.
5. Толщина слоя, Т.

При моделировании мелких деталей необходимо обратить внимание на допустимую детализацию. Для корректной печати необходимо соблюсти минимальные величины основных параметров для каждого материала.

Таблица. Минимальные значения параметров геометрии для материалов

Обобщая практический опыт печатников и моделлеров [3], участвовавших в обсуждении данной темы, можно сказать, что на втором этапе подготовки моделей, особое внимание стоит уделить исправлению следующих элементов:

1. Сетка объекта – проверить меш на отсутствие «открытых» ребер и пересекающихся треугольников. Сетка объекта должна быть герметичной, в противном случае
   3D-принтер не будет воспринимать модель как твердотельный объект.
2. Сложные или крупные модели необходимо разделить на составные элементы. Во-первых, печать сложной цельной детали повлечет за собой создание поддержек и всех сопутствующих недостатков, которые можно избежать при разбиении детали на части. Во-вторых, сборные элементы обладают большей прочностью и устойчивостью.
3. Положение модели на рабочем пространстве – «совокупная скорость печати в высоту всегда ниже скорости печати самих слоев» [3]. Оптимизация положения модели уменьшит количество поддерживающих структур.
4. Толщина стенок. Слишком тонкая стенка будет проигнорирована принтером, а слишком толстая — создаст слишком много внутреннего напряжения и может привести к трещине или даже сломать предмет.

Процесс моделирования и трехмерной печати во многом зависит от класса создаваемой модели. В исследованиях отечественных (Е.К. Карпов, И.Е. Карпова, В.В. Иванов и др.) ученых проблема адаптации трехмерных моделей для 3D-печати рассматривается в контексте разработки алгоритмов 3D-моделирования сложных классов: резьбовых и зубчатых соединений, шестеренок, эвольвент [4]. При моделировании данных изделий особое внимание уделяется повышению износостойкости и прочности детали за счет ручного уплотнения полигональной сетки в местах наибольшего трения. Другая распространенная проблема послойной печати – уменьшение диаметра центрального отверстия. Снизить потери возможно благодаря моделированию отверстий диаметром примерно на 0,005 см больше требуемого.

Прежде чем печатать модель, необходимо удостовериться, что имеется достаточный зазор между передачами, зубцами и ссылками в цепочках. Иначе прототип окажется сплошным, статичным объектом. Для добавления зазоров или отверстий возможно использование программы AutoCAD. При создании отверстий указывается тип места размещения, размеры отверстия, параметры сверления и варианты типа резьбы.

Сообщество разработчиков 3D-моделей в статье «Designing for 3D printing» выделяют несколько «узких мест» 3D-печати, на которые следует обратить внимание при проектировании 3D-моделей [5].

Закругленные углы – поскольку сопло принтера круглое, невозможно создать совершенно резкий внешний угол на ваших частях. Даже, если угол создан абсолютно прямым в CAD, 3D-принтер не способен создать такой край, при этом присутствует материальное наращивание. Если конфигурация модели позволяет скруглить углы на этапе проектирования, то результат печати будет более предсказуемым.

Самый простой способ соединения частей – склейка. Однако возможности 3D-принтера позволяют оптимизировать данный процесс. Авторы рекомендуют использовать всевозможные штифты, отверстия. Круглые отверстия и штыри помогут добиться структурной целостности элементов. Для облегчения стыковки элементов на поверхность добавляют фаски. Также использование фасок обеспечивает уменьшение «точек стресса». Резкие переходы между прямыми формами и телами вращения рекомендуется компенсировать за счёт построения фасок.

Правило 45^о — при разработке модели нависающие углы должны быть расположены максимум до 45 градусов. Принтер способен печатать углы круче, однако качество поверхности от этого становится хуже.

При создании «мостиков» исследователи не рекомендуют использовать скос. Медленный наклонный скос, приведет к довольно уродливому качеству поверхности в его нижней части. Используя прямой мост, значительно можно улучшить качество печати. Если требуется наклонный скос, необходимо использовать поддержку для печати, однако это приведет к необходимости грубой обработки поверхности.

Горизонтальные отверстия в модели вызывают сильный выступ на вершине арки. Это означает, что, как правило, горизонтальное отверстие будет немного неровным сверху и, следовательно, меньшим размером чем предполагалось.

Первый подход: предлагаемые методы борьбы: изменить форму отверстия, сделав отверстие более похожим на каплю воды. Это облегчает работу принтера, допускается погрешность для ошибки.

Второй подход: создать тонкую опорную мембрану, чтобы удерживать верхнюю часть отверстия. Вместо того, чтобы покрывать всё отверстие сеткой, необходимо смоделировать узкую опору в нижней части и наращивать слои к вершине арки.

Заключение. Таким образом, 3D-модель должна быть подготовлена с учетом наложения на её геометрию особенностей технологии 3D-принтера и выбранного материала. Дальнейшее направление работы включает в себя создание четкой классификации среди методов и средств подготовки 3D-моделей, а также разработка алгоритмов трехмерного моделирования, ориентированного на трехмерную печать.

ЛИТЕРАТУРА

1. Шалобаев Е.В., Перепелица Ф.А., Красноруцкая Н.С. Аддитивные технологии в машиностроении // В сб.: Приборостроение в XXI веке – Интеграция науки, образования и производства. Материалы XII Международной научно-технической конференции. Ижевск: ИжГТУ, 2017. С. 319–323.
2. Гущин И.А., Авдеев А.Р., Швец А.А., Дроботов А.В. Принципы создания программы работы устройства объемной печати по трехмерной модели // Известия ВолгГТУ. 2015. №11 (173). С. 50–53.
3. 10 правил подготовки модели к 3D-печати, 2013 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://habrahabr.ru/post/196182/, своб.
4. Карпов Е.К., Карпова И.Е., Иванов В.В. Особенности моделирования резьбовых соединений в CAD–системах для последующей 3D-печати, на примере Компас-3D // Зауральский научный вестник. – 2014. – № 1(5). – С. 25–27.
5. Designing for 3D printing, 2016 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://support.3dverkstan.se/article/38-designing-for-3d-printing/, своб.