Příprava 3D tisku v programu Axon 2, nastavení, postproces
3D tisk – generování NC kódu © Ing. Richard Němec, 2012
Zadání úlohy Pro účely výuky programování CNC strojů vytvořte tiskem na 3D tiskárně RapMan 3.1 jako názornou pomůcku, která umožní lépe si obráběnou součást představit, model součásti Rohatka_100. Měřítko modelu vhodně zvolte. Ke generování NC kódu pro tiskárnu použijte program Axon 2.
1. NC kód pro 3D tisk Úvod 3D tiskárna (v našem případě BfB Rapman 3.1) je CNC stroj s vlastním řídícím systémem, který řídí jednotlivé prvky stroje (pohyb tiskové hlavy v osách x, y, pohyb vznikajícího modelu z ose z, rychlost pohybu, teplotu hlavy, množství tiskového materiálu a další funkce daného typu tiskárny) podle programu (NC kódu). BfB Rapman pracuje s G-kódem (ISO-kódem), NC program je tedy textový soubor obsahující instrukce ISO kódu, který můžeme prohlížet či upravovat v libovolném textovém editoru.
NC kód lze tedy teoreticky (se znalostí ISO-kódu) vytvořit v textovém editoru ručním programováním, v praxi je však tento postup nepoužitelný, program obvykle tvoří několik set tisíc řádků! Použijeme tedy raději 3D model součásti, kterou chceme tisknout a software, který požadovaný NC kód dle 3D modelu a na základě požadavků uživatele vygeneruje. Pro 3D tiskárnu BfB Rapman použijeme program BfB Axon 2 (Program je freeware, při instalaci Axon je zároveň instalován či aktualizován Python, jeho instalace je nezbytná).
2. Příprava 3D modelu pro zpracování v BfB Axon 2 3D model může být vytvořen v libovolném 3D software, který umí vytvořit Stereolithography soubor (*.STL – soubor s příponou .STL) – např. SolidWorks, Autodesk Inventor, Cinema 4D. Stereolithography soubor obsahuje popis povrchu tělesa – plochy – popsaný pomocí trojúhelníkové sítě. Na následujícím obrázku je do souboru *.STL model Rohatka_100 vytvořený v jedné z předchozích úloh v SolidWorks.
3. Načtení 3D modelu ze souboru *.STL do BfB Axon 2 3D model v *.STL souboru (Rohatka_100.STL) budeme dále zpracovávat v BfB Axon 2. Soubor Rohatka_ 100.STL je přiložen pro vyzkoušení popisovaných postupů. Následující obrázek ukazuje uživatelské rozhraní Axon 2. Je zobrazen stůl tiskárny Rapman 3.1 (pokud uvidíme stůl jiného tvaru, musíme nastavit typ tiskárny – viz dále, při prvním spuštění programu Axon 2 je automaticky požadováno nastavení typu tiskárny, jde však kdykoliv později změnit.
3. Načtení 3D modelu ze souboru *.STL do BfB Axon 2 3D model v *.STL souboru (Rohatka_100.STL) otevřeme volbou Open v hlavním menu (záložka Home), v souborovém okně vidíme, že Axon 2 pracuje pouze se soubory *.STL. Je to univerzální přenositelný typ souboru, nejedná tedy se o velké omezení. Pokud máme soubory *.STL asociovány s Axon 2, poklepáním na ikonu souboru Rohatka_100.STL se soubor otevře v Axon 2 (asociaci je vhodné nastavit).
3. Načtení 3D modelu ze souboru *.STL do BfB Axon 2 Axon 2 načetl 3D model v *.STL souboru (Rohatka_100.STL). Poloha modelu ale není pro tisk příliš vhodná, model na pracovní desce stojí na dvou hranách. To nejlépe uvidíme na bočním pohledu. Zvolíme tedy pravý boční pohled - v záložce View zvolíme Right View. Zpět do výchozího pohledu shora přepneme volbou Top View. Ovládání Axon 2 je poněkud nestandardní, pohled můžeme plynule natáčet myší při stisknutém levém tlačítku myši. Kolečkem můžeme ovládat zoom.
3. Nastavení polohy 3D modelu na pracovní desce tiskárny v BfB Axon 2 Zkusíme model otočit podle osy y o 90°. Model se otočil, je teď ale svojí plochou stranou (je vhodné, aby při tisku byl model svojí plochou stranou k desce) vzhůru, zároveň ale zčervenala pracovní oblast tiskárny. Pohledem shora zjistíme, že model nyní leží částečně mimo pracovní prostor tiskárny (mohli bychom ho posunout - při stisknutém pravém tlačítku myši posunout, červené varování zmizí). Tlačítkem Revert vrátíme model do původní polohy a znovu otočíme okolo osy y, ale o -90° (nebo o 270° - dosáhneme stejného výsledku, podobně i trojím otočením o 90°).
3. Nastavení polohy 3D modelu na pracovní desce tiskárny v BfB Axon 2 Model můžeme na pracovní ploše zorientovat tak, že klikneme na některou jeho rovinnou plochu a tím ji ztotožníme s rovinou pracovní desky (tedy kliknutím na plochý bok našeho modelu). Následně můžeme model při stisknutém pravém tlačítku posunou do polohy, kde ho budeme tisknout. Také můžeme ještě model otáčet okolo osy z (nemá ale pro vlastní tisk příliš význam, pomůže ale „dostat“ do pracovního rozsahu stroje větší model). Opět Axon 2 zčervenáním pracovní oblasti upozorní, že model zasahuje mimo pracovní oblast. Není nutné ani vhodné model vždy umístit do středu pracovní plochy, rovnoměrné využívání pracovní plochy umožní i rovnoměrné opotřebení tiskárny.
3. Nastavení tisku v BfB Axon 2 Model je nyní na pracovní ploše zorientován. Nyní musíme nastavit parametry tisku (materiál, teplota, tloušťka stěny…). Stiskem tlačítka Build Settings v záložce Settings přejdeme k nastavení tisku. Zde prvně zkontrolujeme nastavení typu tiskárny - Printer Configuration. Důležité je nastavení typu tiskárny – RapMan 3.2/3.1 a počtu trysek (tiskových hlav) – my máme jednu. Nastavení výchozího materiálu není teď důležité, nastavení později změníme. Materiál PLA je nejlevnější, univerzální pro silnostěnné i tenkostěnné modely, vhodný pro výuku.
4. Tvorba materiálového profilu v BfB Axon 2 Vytvoříme nový materiálový profil – Material Profile Editor v záložce Settings. V okně Material Profile Editor stiskneme Save As a zadáme jméno nového profilu (jméno by mělo jasně profil charakterizovat – materiál, barva, teplota apod.) – např. PLA cerny 200 (POZOR – bez diakritiky – RapMan 3.1 s diakritikou neumí pracovat!!!). Plně editovat můžeme jenom profil, který si sami vytvoříme. Nastavíme cenu materiálu -990Kc/kg (Cost per Kg) – po vygenerování NC kódu jsme pak informováni, jaké budou materiálové náklady. Průměr trysky (Nozzle diameter) je 0,5mm a u RapMan 3.1 nelze měnit, tomu odpovídá nejlépe tloušťka vrstvy (krok v ose z) 0,25mm, lze ale pro některé případy volit i 0,5mm či 0,125mm, nutno vyzkoušet.
5. Nastavení teplot v materiálovém profilu BfB Axon 2 Nastavení teplot je velice důležité, tiskový materiál vycházející z trysky musí být dostatečně tažný a dobře se spojit s materiálem předchozí vrstvy, nesmí však stékat, model se nesmí bortit…., teplota je tedy kompromisem a výsledkem zkoušek. Tiskárna RapMan 3.1 zobrazuje teplotu hlavy, teploměr není ale kalibrován a proto skutečná teplota může být až o 10°C rozdílná. Relativní přesnost je však velice dobrá. Proto je potřeba pro konkrétní tiskárnu stanovit optimální teplotu zkusmo na nejlépe tenkostěnném modelu – pro naší tiskárnu a materiál PLA je to 200°C. Teplotu je ale možno měnit i při tisku a je tak možno pohotovým zásahem zachránit model. Změna teploty o pouhý jedem stupeň průběh tisku výrazně ovlivní. Teplota raftu (Raft Temperature) se někdy volí vyšší, musí zajistit pevné přilepení raftu k pracovní desce, pro naši plastovou desku není třeba teplotu zvyšovat –zvolíme 200°C. Teplota první vrstvy (First Layer Temperatute) ovlivňuje zejména „ochotu“ modelu oddělit se od raftu – zvolíme také 200°C.
5. Nastavení teplot v materiálovém profilu BfB Axon 2 Teplotu tisku vlastního těla modelu (Part) nastavíme také 200°C. Po vytištění prvního modelu případně upravíme. Teplota podpůrného materiálu (Support Temperature) je teplota materiálu, ze kterého je budována podpůrná konstrukce tam, kde jsou na modelu dutiny, nepodepřené výstupky apod. Tuto podporu generuje Axon 2 samostatně. Materiál podpůrné konstrukce je s modelem spojen tak, aby ho bylo možno odlomit. Bylo by výhodné tisknout podpůrnou konstrukci při nižší teplotě než model. Jsou tu však jistá omezení: Materiál musí zůstat dostatečně měkký, aby ho mechanismus posunu protlačil tryskou – min. 180°C pro PLA Tiskárna při tisku každé vrstvy přejede tryskou nad výchozí pozici, ochladí hlavu na požadovanou teplotu, vytiskne support a na výchozí pozici opět hlavu ohřeje na teplotu tisku a pokračuje v tisku. Tyto změny teploty velmi prodlouží dobu tisku – vhodným kompromisem je snížení teploty o 5-10°C, my zvolíme teplotu 195°C (ovšem na modelu Rohatka_100 není budována podpora, pokud leží ve správné poloze).
6. Další nastavení v materiálovém profilu BfB Axon 2 Teplota v pohotovostním režimu je důležité nastavení, na tuto teplotu je hlava zahřáta po zapnutí tiskárny a poté na této teplotě udržována. Nízká pohotovostní teplota šetří energii a zvyšuje životnost hlavy, prodlužuje však čekání po zahájení tisku (dohřátí na teplotu tisku). Při příliš vysoké teplotě z trysky samovolně odkapává tiskový materiál – vhodným kompromisem pro PLA je 170°C. Ovládání ventilátoru chlazení hlavy – volby Support cooling a Part cooling umožňují povolit či zakázat použití ventilátoru hlavy, které může být nežádoucí třeba při tisku tenkých stěn, větrák je může deformovat. V současné verzi firmware tiskárny ale není zcela funkční. Parametr Prime amount určuje o kolik otáček se otočí posuvový šroub materiálu po dosažení pracovní teploty – tím je před zahájením tisku v pohotovostní poloze hlavy z hlavy vytlačen materiál, který byl delší dobu v hlavě zahříván – obvykle 20 otáček, potom Reverse amount stanovuje počet otáček, o který se šroub otočí zpět, z hlavy musí přestat vytékat materiál – obvykle 3 otáčky. Parametry Prime speed a Reverse speed určují otáčky šroubu posunu materiálu při tomto „čištění“ hlavy (RPM – otáček za minutu) – obvykle Prime speed 60 otáček (hlava musí „stíhat“ plast tavit) a Reverse speed 90 otáček.
6. Další nastavení v materiálovém profilu BfB Axon 2 Nastavíme šířku stopy (Extruded width), obvykle 0,6mm – tryska má průměr 0,5mm, výška vrstvy (krok v ose) z je 0.25mm a šířka stopy je pak větší než průměr trysky. Rychlost pracovního posuvu tiskové hlavy udává parametr Feed rate, obvykle volíme 16mm/s, Flow rate určuje otáčky šroubu posuvu tiskového materiálu, obvykle 20 ot/min. Perimeter width udává tloušťku povrchové vrstvy (volíme 0,6mm) a parametr Surfaces potom uvádí, kolika vrstvami bude tvořen povrch modelu (zpravidla 4 vrstvy). Tím je materiálový profil nastaven, uložíme ho. POZOR – jméno materiálového profilu musí být bez diakritiky – RapMan 3.1 s diakritikou neumí pracovat!!!).
7. Vytvoření tiskového profilu v BfB Axon 2 Před vlastním tiskem je třeba ještě nastavit parametry modelu – např. materiály (model, raft a suppoft). Je vhodné vytvořit si tiskové profily, není pak nutné pokaždé vše znovu nastavovat pro každý tisk. Prvně vytvoříme „univerzální“ profil, určitě ale nebude možné tisknou všechny modely stejným profilem – např. malé tenkostěnné modely (tloušťka stěny okolo 1mm) vyžadují jiné nastavení. Tlačítkem Build Settings v záložce Settings přejdeme k nastavení tisku. Tlačítkem Printer Configuration vstoupíme do konfiguračního okna, zde nastavíme, jaký materiál je do tiskové hlavy skutečně fyzicky zaveden – zvolíme příslušný materiálový profil – my zvolíme jako Extruder 1 Material náš profil PLA black 200 a natavení potvrdíme OK.
7. Vytvoření tiskového profilu v BfB Axon 2 Nyní musíme nastavit Raft material, Support material a Part material – na výběr ale máme pouze materiál fyzicky založený v tiskové hlavě ( u položek Support material a Raft material je ještě dostupná volba None – žádný) – nemáme tedy složitý výběr, vidíme pouze PLA black 200 – tedy materiál (materiálový profil) zvolený v Printer Configuration.
7. Vytvoření tiskového profilu v BfB Axon 2 Nastavíme vyplnění vnitřku modelu (Fill density) – STL model je jenom „skořákpa“, jsou to jenom plochy, Axon 2 je nahradí stěnou modelu zadané tloušťky (musíme nastavit), jinak by model byl dutý. Výplň modelu zajistí jeho tuhost, pevnost a oporu při tisku. Materiál PLA je velice pevný a tuhý, výplň 20% většinou vyhovuje. Pro malé modely ale volíme až 90%. Vyšší hustota vyplnění výrazně zvyšuje dobu tisku, spotřebu materiálu a tuhosti součásti zpravidla moc nepřidá. Příliš vysoké vyplnění také zpomaluje chladnutí materiálu, medel zůstává měkký a bortí se. Chladnoucí materiál se smršťuje a při vysokém stupni vyplnění vznikají na povrchu modelu vtaženiny. Zvolíme styl výplně – cik-cak je nejrychlejší, oku strojaře ale nelahodí, můžeme volit z geometrických vzoru (mřížka, šestiúhelníková síť, kolečka). Zvolíme šestiúhelníky.
7. Vytvoření tiskového profilu v BfB Axon 2 Nastavíme vyplnění vnitřku modelu (Fill density) – STL model je jenom „skořákpa“, jsou to jenom plochy, Axon 2 je nahradí stěnou modelu zadané tloušťky (musíme nastavit), jinak by model byl dutý. Výplň modelu zajistí jeho tuhost, pevnost a oporu při tisku. Materiál PLA je velice pevný a tuhý, výplň 20% většinou vyhovuje. Pro malé modely ale volíme až 90%. Vyšší hustota vyplnění výrazně zvyšuje dobu tisku, spotřebu materiálu a tuhosti součásti zpravidla moc nepřidá. Příliš vysoké vyplnění také zpomaluje chladnutí materiálu, model zůstává měkký a bortí se. Chladnoucí materiál se smršťuje a při vysokém stupni vyplnění vznikají na povrchu modelu vtaženiny. Zvolíme styl výplně – cik-cak je nejrychlejší, oku strojaře ale příliš nelahodí, můžeme volit z geometrických vzoru (mřížka, šestiúhelníková síť, kolečka). Zvolíme šestiúhelníky. Volba Speed multiplier umožňuje zvýšit rychlost tisku vzhledem k výchozímu nastavení, doporučena je hodnota 1.0 x, zvýšení rychlosti tisku zpravidla vede k nižší kvalitě výsledného modelu. Lze využít např. u větších plochých modelů, vede ke zkrácení doby tisku a horší kvalitě povrchu modelu.
7. Vytvoření tiskového profilu v BfB Axon 2 Tlačítkem Advanced Settings vstoupíme do nabídky, kde můžeme nastavit parametr Number of extra skins – jedná se o nastavení zesílení (udáváno v počtu vrstev tisku) na strmých stěnách modelu (stěnách svislých a stěnách, které s vertikálou svírají úhel do 65°), výchozí nastavení 2. Volba Infill in direction of bridge určuje směr tisku výplně u součástí charakteru mostu. Zejména při tisku modelu s nízkou hustotou výplně tato volba výrazně ovlivní výslednou pevnost a umožňuje tisknou delší mosty, výplň bude orientována ve směru mostu a budou ve výplní vytvořeny hustší sítě, které most vyztužují. Tím je nastavení tiskového profilu hotovo, profil uložíme pod vhodným názvem. POZOR – Axon 2 nepodporuje diakritiku, jméno nového stylu píšeme bez diakritiky.
8. Postproces v BfB Axon 2 Tlačítkem Build v menu Build spustíme postproces. Axon 2 vytvoří raft, model rozdělí ve směru osy z na jednotlivé tiskové vrstvy (hladiny) s nastavenou tloušťkou – máme nastaveno 0,25mm a v jednotlivých hladinách generuje dráhy trysky pro tisk povrchu modelu, dalších povrchových vrstev, výplně… O průběhu postprocesu jsme průběžně informováni. Jedná se o poměrně náročný proces, na výsledek počkáme i několik minut (v závislosti na typu počítače a OS). Tlačítko Cancel Build ukončí postproces neprodleně a bez varování. Po úspěšném dokočení postprocesu jme informováni o ceně materiálu (pokud je správně nastaveno v materiálovém profilu) a přibližné době tisku. Výsledek nás nepotěšil, doba tisku 20 hodin 39 minut je příliš dlouhá. I cena materiálu není pávě nízká. Co teď? Co s tím?
8. Postproces v BfB Axon 2 Vyplnění modelu je 20%, menší hustotou výplně by tedy spotřebu materiálu ani čas tisku příliš neovlivnila. Tenčí stěna modelu také mnoho nepřinese, úspora bude v řádu jednotek procent. Znovu tedy pročteme zadání – model slouží pouze jako názorná pomůcka a měřítko máme vhodně zvolit. Zkusíme tedy model vytisknout zmenšený. Model má přůměr 100mm, je tedy poměrně velký, zkusíme model zmenšit na 60%. V záložce Home, sekci Scale Geometry zadáme měřítko 60% a stiskneme tlačítko Scale. Model se zmenšil, můžeme ještě upravit jeho polohu na pracovní ploše tiskárny (tažením pravým tlačítkem myši) a znovu spustíme postproces tlačítkem Build. Cena i čas klesly asi o třetinu, stále není reálné model za den vyrobit, tiskárna nesmí pracovat bez dozoru. Tisk také nelze přerušit a pokračovat další den.
8. Postproces v BfB Axon 2 Zkusíme tedy model vytisknout ještě více zmenšený. Zkusíme model zmenšit na 40% původní velikosti, vytištěný model bude tedy mít průměr 40mm. V záložce Home, sekci Scale Geometry zadáme měřítko 40% a znovu spustíme postproces. Výsledek vypadá velice dobře – čas 1 hodina 31 minut je vyhovující, cena materiálu klesla na necelých 13Kč. Model tedy vytiskneme zmenšený na 40%. Zkuste nyní samostatně zjistit, jek by výsledek vypadal pro zmenšení modelu na 50%!
9. Uložení vytvořeného NC kódu v BfB Axon 2 Zkusíme tedy model vytisknout ještě více zmenšený. Zkusíme model zmenšit na 40% původní velikosti, vytištěný model bude tedy mít průměr 40mm. V záložce Home, sekci Scale Geometry zadáme měřítko 40% a znovu spustíme postproces. Výsledek vypadá velice dobře – čas 1 hodina 31 minut je vyhovující, cena materiálu klesla na necelých 13Kč. Model tedy vytiskneme zmenšený na 40%. Zkuste nyní samostatně zjistit, jek by výsledek vypadal pro zmenšení modelu na 50%! Výsledný NC kód uložíme na disk počítače jako soubor Rohatka_100.bfb. V záložce Home, sekci Build File tlačítkem Save Build File soubor uložíme.
10. Prohlídka drah trysky v BfB Axon 2 Na pracovni ploše nyní vidíme vygenerované dráhy trysky a STL model. Model nyní zavřeme – v záložce Home, v sekci STL File stiskneme Close. Na ploše tak zůstávají jenom modré dráhy trysky. Nyní můžeme svislým posuvníkem na pravém okraji pracovní plochy menit souřadnici z a sledovat tak vytváření modelu po jednotlivých vrstvách. Je to nejen zajímavá, ale prohlídka drah trysky může pomoci odhalit problém, pokud hotový model neodpovídá našim představám.
10. Závěr a aktualizace BfB Axon 2 Vygenerovaný soubor Rohatka_100.bfb vytiskneme – na fotografii je vidět výsledek. Program Axon 2 se stále vyvíjí, je vhodné kontrolovat dostupnost aktualizace – v záložce View stiskneme tlačítko About.
Konec úlohy 3D tisk – generování NC kódu .
