Druk 3D to szereg technik wytwórczych, różniących się od siebie gatunkami używanych materiałów oraz sposobami ich selektywnego spajania warstwa po warstwie. Jest jednak jedna rzecz, która jest dla wszystkich metod taka sama: .STL – format pliku w jakim dostarcza się modele 3D do oprogramowania drukarek 3D. Model .STL jest głównym sposobem wymiany w druku 3D. W niniejszym artykule opisujemy:
1) czym jest to rozszerzenie,
2) jakie są jego cechy,
3) jak tworzyć pliki do drukarki 3D,
4) jaki program do druku 3D jest najbardziej odpowiedni.
Wymieniamy też kilka najważniejszych błędów pojawiających się podczas ich generowania.
5 Kroków przygotowania modelu do druku 3D
Bez względu na rodzaj technologii druku 3D, przygotowanie modelu do druku 3D przebiega zawsze w tych samych pięciu krokach.
Najpierw należy stworzyć model 3D drukowanej części w oprogramowaniu klasy CAD. Do produkcji przyrostowej lub przygotowania wyceny usługi druku 3D nie nadają się rysunki płaskie – każdy obiekt który ma trafić do drukarki 3D musi posiadać trzy wymiary XYZ. Model może być wykonany w dowolnym oprogramowaniu do projektowania 3D – płatnym lub darmowym. Należy przy tym pamiętać, że przygotowanie pliku do druku 3D wiąże się z określonymi wymaganiami i restrykcjami.
Gdy model jest już gotowy, należy go wyeksportować do rozszerzenia .STL (chociaż wybrani producenci drukarek 3D dopuszczają też pliki zapisane w innych formatach: .STP, .OBJ, .3MF, a od niedawna także pliki natywne wybranych programów klasy CAD). Trzeci krok to przygotowanie pliku w programie do druku 3D, do którego wgrywamy plik .STL. Czwarty – najważniejszy, to sam wydruk 3D. Piąty – często pomijany w różnych opracowaniach, to tzw. post-processing, czyli oczyszczanie wydruków 3D z resztek materiału i struktur podporowych oraz ewentualne szlifowanie, lakierowanie lub barwienie.
Geneza powstania modeli .STL
Format .STL powstał w połowie lat 80’tych XX wieku wraz z pierwszą techniką przyrostową na świecie – stereolitografią (druk 3D z żywic utwardzanych wiązką lasera). Od nazwy stereolitografia pochodzi zresztą jego skrót (sporadycznie używane są też inne rozwinięcia jak „Standard Triangle Language” lub „Standard Tessellation Language”). Rozszerzenie zostało opracowane przez firmę 3D Systems i udostępnione za darmo. Aktualnie jest obsługiwane przez każde oprogramowanie klasy CAD i do modelowania 3D – po stworzeniu modelu wystarczy go wyeksportować do .STL.
Czym jest model .STL i co to jest siatka trójkątów?
Modele do druku 3D podczas eksportu do .STL jest zamieniany na siatkę trójkątów, które tworzą jego geometrię. Proste bryły geometryczne, jak np. sześcian składają się z zaledwie kilkunastu trójkątów, jednakże powierzchnie obłe muszą mieć ich wygenerowanych bez porównania więcej aby przy pomocy trójkątów odtworzyć wszystkie zaokrąglenia:
12 trójkątów
20 000 trójkątów
Im więcej trójkątów, tym obiekt będzie bardziej dokładny, ale plik będzie dużo więcej ważył i może pojawić się problem z jego wgraniem do urządzenia. Równocześnie jednym z najczęściej popełnianych błędów przy eksporcie plików .STL jest wygenerowanie zbyt małej liczby trójkątów co skutkuje bardzo ostrymi („kanciastymi”) krawędziami. Innymi słowy model 3D w oprogramowaniu CAD może być doskonale okrągły, ale po eksporcie zmieni się w wielokąt.
Jak działają programy do druku 3D?
Na podstawie pliku .STL programy do druku 3D generują instrukcje dla urządzenia, które w zależności od typu wykonuje określone operacje swoim oprzyrządowaniem. Drukarka 3D nie wie co drukuje – drukarka 3D wykonuje instrukcje z pliku. Jeżeli plik będzie źle przygotowany – drukarka 3D źle go wydrukuje. Drukarka 3D nie wie że ma wydrukować kulę, tylko w którym kierunku ma poruszać głowicą drukującą lub wiązką lasera spiekającą proszek.
Oprogramowanie drukarki 3D przeprowadza symulację wydruku 3D określając m.in. czas produkcji i ilość zużytego materiału. Druk 3D materiały eksploatacyjne o różnych właściwościach – ważnym jest aby określić jakie będą używane w pracy? Na podglądzie wydruku 3D można dostrzec wszystkie ewentualne wady projektowe i wcześniej zareagować. Gdy korzysta się z usług drukarni 3D, fachowe firmy sprawdzą to przed uruchomieniem wydruku 3D i poinformują klienta o potencjalnych błędach lub zagrożeniach. Niemniej jednak w końcowym rozrachunku odpowiedzialność za występowanie tego typu wad ponosi zawsze projektant / klient – drukarnia 3D może spróbować się domyślić, że fragment projektu jest wadliwy, ale to nie ona jest twórcą projektu.
Projektowanie do druku 3D – na co zwracać uwagę?
Druk 3D jest oparty o bryły. Projektowanie do druku 3D to dodatkowa umiejętność jakiej należy się nauczyć. Jednym z często popełnianych przez projektantów błędów jest projektowanie obiektów przy pomocy płaszczyzn (dot. to szczególnie makiet architektonicznych). Przykładowo, jeżeli projektant za pomocą sześciu płaszczyzn zbuduje sześcian, to o ile w programie będzie on wyglądał poprawnie, tak po eksporcie do formatu .STL będzie to po prostu zbiór sześciu powierzchni, których grubość nie została nigdzie określona i będzie dążyła do nieskończoności. Taki model nie nadaje się do druku 3D i oprogramowanie drukarki 3D nie odczyta go prawidłowo (lub nie odczyta wcale).
Inne często występujące wady projektowe to m.in.:
1) zbyt cienkie ścianki modelu, niemożliwe do poprawnego wydrukowania przez drukarkę 3D (np. w technologii SLS teoretycznie możliwe jest osiągnięcie ścianki o grubości 0,3 mm, ale istnieje wysokie ryzyko, że zdeformuje się w podczas pracy lub uszkodzi w trakcie post-processingu; bezpieczna granica to 0,8 mm)
2) zbyt mały rozmiar modelu 3D lub zbyt duża szczegółowość jak na wybraną technologię druku 3D
3) złe wymiary – podczas eksportu projektant albo źle ustawił skalę i część zamiast 10 centymetrów ma 10 milimetrów, albo pomylił jednostki i zamiast w centymetrach wygenerował plik w calach; teoretycznie modele można powiększyć w oprogramowaniu drukarki 3D, ale skalowanie w górę zawsze kończy się pogorszeniem jakości – zwiększając rozmiar powiększają się odcinki łączące wierzchołki trójkątów, ale nie generują się nowe; np. kula po przeskalowaniu stanie się kanciasta.
Modele 3D STL – wady i ograniczenia
Format .STL to doskonały format wymiany, jednakże ma też kilka niedoskonałości. Jako że został opracowany w latach 80-tych XX wieku, tj. w czasach gdy większość technik druku 3D jeszcze nie istniała, nie posiada kilku dość istotnych informacji:
1) kolor
2) tekstura lub jakość powierzchni
3) dedykowany materiał
4) wymiarowanie (tak jak zostało to opisane powyżej – dopiero po sprawdzeniu w oprogramowaniu wiadomo jakie są wymiary, ale nie wiadomo czy są poprawne?).
Ostatnia ważna rzecz w kwestii formatu .STL, to to, że jest to format „zamknięty”. Modele 3D nie mogą być dowolnie edytowane lub rozkładane na części składowe – można je co najwyżej ciąć lub drążyć przy użyciu prostych geometrii – przeciąć płaszczyznowo lub np. wydrążyć otwór przy użyciu walca. Można je też łączyć lub spajać z innymi modelami 3D. Niemniej jednak modele 3D zapisane jako .STL są bardzo ograniczone pod względem późniejszych modyfikacji – nie są to obiekty złożeniowe. Oczywiście istnieją programy do druku 3D będące programami do modelowania („rzeźbienia”) modeli .STL, ale są one drogie, specjalistyczne i mają więcej wspólnego z modelowaniem ręcznym niż projektowaniem parametrycznym typu CAD.
