3D-печать удивительна - Вы посылаете объемную компьютерную модель на принтер, и получаете законченный физический объект. Его можно использовать или как конечный продукт, или как прототип для массового производства. С появлением персональных 3D-принтеров наподобие Makerbot Replicator 2, онлайн-служб 3D печати типа Shapeways и Ponoko любой желающий может приобщиться к этой технологии.

Однако как начать делать хорошие модели, пригодные для 3D-печати? Одно дело, чтобы модель хорошо выглядела на экране, и совсем другой вопрос, чтобы модель выглядела так же хорошо в реальном мире и работала точно так, как ожидалось. Процесс моделирования для 3D-печати такой же, как и простое 3D-моделирование, однако нужно учитывать некоторые особенности и требования технологии. Здесь описаны многие проблемы, с которыми сталкиваются новички при печати своих моделей.

3D-редактор SketchUp очень популярен, наверное это самая простая программа для освоения новичком. Однако это не означает, что в SketchUp нельзя создать профессиональные, качественные 3D-модели. Вы можете со временем "перерасти" этот редактор, когда хорошо освоитесь в нем, однако он все равно останется лучшим и быстрым инструментом для простых операций. В этой статье будут рассмотрено использование SketchUp для подготовки моделей к 3D-печати.

Правило №1. Раскрасьте все на внешней стороне модели в СЕРЫЙ цвет, и все, что обращено внутрь, раскрасьте в СИНИЙ цвет. Во многих 3D программах Вам может сойти с рук рисование линий и поверхностей. У такой поверхности нет толщины, поэтому только когда Вы нарисуете несколько поверхностей (в Sketchup такие поверхности называются faces), то сможете получить закрытый объем. Однако как отличить, где в нем внешняя, а где внутренняя сторона? Лично Вам это может быть ясно, но многие компьютерные программы нуждаются в указании этого, и в SketchUp это называется 'orienting the faces' ('ориентирование лицевой стороны', слово face переводится с английского как "лицо"). Обычно есть фронтальная и задняя стороны, ориентированные относительно 'лица'. В редакторе SketchUp цвета задней (inside) и передней (outside) стороны незначительно отличаются. Тупой компьютер без подсказки ни за что не отличит inside от outside, так что помогите ему! Сервисы наподобие CADspan service профессионально занимаются подготовкой моделей к 3D-печати.

Правило №2. Модель должна быть цельной, "Solid", чтобы её можно было распечатать на 3D-принтере. Если на модели видны поверхности inside (faces, окрашенные в синий цвет), то вы должны добавить еще поверхностей (faces), чтобы они стали не видны. Все поверхности inside должны быть скрыты, чтобы образовать замкнутый объем. В технологии 3D-печати это правило называют "water tightness" (водяная герметичность) или manifold. Представьте себе - если мысленно залить весь объем водой, который будет заполнен рабочим материалом, то вода не должна ниоткуда вытекать, и снаружи не должны быть никакие дополнительные линии или плоскости нулевой толщины.

Если вы объединяете Вашу модель в группу или в компонент, то SketchUp покажет насколько модель Solid в окне диалога Entity Info (меню Window -> Entity Info).

Другой способ добиться состояния Solid для модели: каждое ребро (edge) модели должно быть составлено ровно двумя поверхностями (faces). Если на ребре меньше двух поверхностей, то здесь будет смежное отверстие во внутреннюю полость, и если на ребре есть больше двух поверхностей, то они являются излишними, подлежащими удалению. Часто встречающиеся ошибки (и соответствующие методы из исправления):

1. Stray edges (случайные края, просто удалите их).
2. Дырки (просмотрите края дырки, и заполните её путем прорисовывания линий по краям дырки инструментом Line).
3. Внутренние поверхности (удалите их).

Это очень важное правило. Другой важный аспект - то, что у Вас не должно быть возможности посмотреть на внутреннюю сторону Вашей модели. Если Вы рисуете фигуру, например корпус, состоящий из 5 плоскостей (faces), то это означает, что это не будет закрытый объем, а будет просто несколько плоскостей с нулевой толщиной. Таким образом, на печать ничего не выведется, и для Вас будет сюрпризом, если получите некое нечто, которое совсем не будет корпусом.

Внимание: в модели не должно быть дырок, через которые можно попасть, чтобы посмотреть на внутренние поверхности, которые должны быть заполнены материалом. Некоторое программное обеспечение может исправить такие огрехи, но гарантии нет. Так что, если хотите быть уверенными, что Ваша модель напечатается правильно, пожалуйста проверьте выполнение этого важного правила!

Перед печатью на 3D-принтере Вы обязательно экспортируете модель в формат STL, и на ней обязательно появятся дырки, которые не дадут модели стать цельной. Для исправления STL-файлов очень хорошо подходит бесплатный сервис NetFabb [8]. Вы просто отправляете STL-файл на облачный сервер NetFabb, и он там за считанные секунды исправляется. Проверяйте также ваши STL-файлы программой просмотра STLView!

Правило №3. Дайте Вашим стенкам толщину. Толщина стенок (Wall thickness) и минимальные размеры (minimum feature size).

Другие ограничения при печати связаны с технологией процесса 3D-печати. Разрешение и точность может быть очень высокой, но все-таки самые мелкие детали могут быть потеряны. Удивлены? Простой пример: принтер Ultimaker наливает материал (обычно это называют вытеснением, extrusion). Ширина наливаемого материала определяет размер самых маленьких деталей, которые Вы можете напечатать. Кроме того, это определяет нижний лимит на толщину стенок корпуса, которые Вы можете напечатать. Толщина стенок является ключевым моментом в 3D-печати, стенки должны быть достаточной толщины, чтобы модель не сломалась в реальной жизни. Однако, толщина стенок не должна быть чрезмерной, чтобы уменьшить затраты на рабочий материал.

Одиночные плоскости и линии в SketchUp не имеют толщины, поэтому чтобы симулировать настоящую стенку, нужно установить рядом на небольшом расстоянии две стенки.

Правило №4. Когда создаете мелкие части модели, предварительно увеличьте их в 100 или 1000 раз.

При разработке мелких деталей Вы можете столкнуться с особенностью SketchUp, что он не может создать поверхность. Иногда Вы не получите сообщение об ошибке или любое сообщение о проблеме, но SketchUp просто не создаст нужную геометрию.

Интересна история этой проблемы. Изначально SketchUp разрабатывался для архитекторов. Поскольку архитекторам не была нужна точность выше чем 1/16” (0.0625 дюйма, или 1.5875 мм), то разработчики создали SketchUp для наилучшей работы с геометрией от 1/16” и более. Очевидно, что теперь почти невозможно решить проблему, не перепроектируя SketchUp с нуля.

Обойти эту проблему можно, если смасштабировать модель на увеличение, выполнить нужные действия по редактированию, а потом смасштабировать обратно на уменьшение перед печатью. Обычно выбирают удобный множитель 1000 для увеличения (обратный множитель для возврата модели в исходное состояние будет 0.001).

Правило №5. Увеличьте количество сегментов круга/дуги для получения плавных кривых.

SketchUp моделирует поверхности полигонами (polygonal surface modeling), что означает, что все модели состоят из плоских полигонов. При этом все кривые состоят из отрезков (сегментов), в том числе и круги, и дуги. Например, по умолчанию вместо круга SketchUp создает 24-сторонний многоугольник. Цилиндр таким образом будет представлять собой 24-гранную призму. Это хорошо можно увидеть, если включить опцию показывать скрытую геометрию (через меню View -> Hidden Geometry). Техника приближения криволинейных поверхностей плоскостями хорошо работает на компьютерном экране, и поверхности действительно кажутся плавными, однако после вывода на 3D печать составляющие поверхности могут быть видны.

Хорошая новость - можно добавить больше плоских поверхностей, которые образуют кривую, и поверхность станет почти неотличимой от идеальной. Когда Вы используете инструмент для рисования круга или дуги, Вы можете установить столько сегментов в них, сколько хотите. Вы можете увеличить количество сегментов так, чтобы каждый был длиной примерно около 1/32” (1 мм). В зависимости от Вашего принтера и используемого материала, количество необходимых сегментов может быть разным, но для гладких поверхностей это хорошее эмпирическое правило.

Количество сегментов (Sides) для составления круга или дуги задается при начале пользования инструментами Circle (круг) и Arc (дуга) - в поле ввода параметров справа внизу появится подсказка "Sides:". Для круга в поле ввода будет подставлено значение по умолчанию 24. Это означает, что если не ввести новое значение, то края круга будут составлены из 24 прямолинейных сегментов. Для того, чтобы увеличить количество сегментов, введите новое значение. Но не увлекайтесь - при большом количестве сегментов (особенно если в Вашей модели к тому же много окружностей) SketchUp может выполнять операции медленно.

Количество сегментов в уже нарисованных дугах и окружностях можно поменять с помощью окошка свойств элемента (entity), откройте его через меню Window -> Entity Info. Если Вы кликните при этом на окружность, то в окне Entity Info появится текстовое поле Sides, где указано количество сегментов в выбранной окружности. Вы можете поменять это количество на любое другое.

Правило №6. Части модели как отдельные компоненты. Используйте для комбинирования Outer Shell.

Это одна из тех подсказок, которая может буквально экономить для Вас часы работы. Часто может получиться так, что Вы моделируете вдали от Вашего проекта, и возможно, когда Вы закончите, то поймете некоторые особенности, которые нужно было изменить раньше.

Разделяйте модель на отдельные, выполняющие разные функции части, используя создание групп и компонентов. Это позволит упростить не только создание модели, но и её дальнейшее сопровождение. Например, Вы работаете над масштабированной моделью дома, и клиент вдруг решил поменять стиль крыши. Если Вы предварительно разделили стены и крышу на отдельные компоненты, то проще всего будет обновить крышу, если она не соединена со стенами. Использование компонентов позволит также скрыть (или выключить через использование слоев, Layers) различные части модели - чтобы упростить создание сложной модели.

Другое достоинство модели, поделенной на части - проще найти и исправить ошибку. Убедитесь, что каждый компонент является цельным, и у Вас будет гораздо меньше головной боли впоследствии.

Когда Вы считаете, что завершили модель, сделайте её копию, чтобы модель можно было исправить впоследствии, и затем используйте команду Outer Shell (меню Tools -> Outer Shell) для комбинирования всех Solid-компонентов модели в цельный блок, готовый к экспорту на 3D принтер.

Правило №7. Используйте плагины для ускорения работы.

Плагины могут помочь Вам работать эффективнее для автоматизации повторяющихся действий, или для выполнения чего-нибудь, чего SketchUp просто не умеет. К примеру, SketchUp работает с 3D моделями в формате SKP, а большинство 3D-принтеров для печати требуют формат STL, а экспортировать в STL бесплатная версия SketchUp не может.

Итак, для работы в SketchUp полезно использовать следующие плагины.

1. Плагин для экспорта в STL без диалогового окна [3].

2. Конвертация SKP файлов (формат SketchUp) в DXF (формат AutoCad) или STL [4].

3. CADspan - этот плагин обрабатывает поверхность Вашей модели так, чтобы сделать её герметичной (water-tight). Это требование, о котором говорилось в Правиле №2. Плагин также переориентирует плоскости (faces), если это необходимо. Это очень полезный сервис, однако чтобы можно было его использовать бесплатно, надо зарегистрироваться. Также можно сделать преобразование модели на сервере под управлением CADspan. Это означает, что Вы имеете ограниченный контроль над тем, что служба делает с Вашими данными.

Если Вы используете программу ReplicatorG и загрузили в неё модель, обработанную CADspan, то Ваша загруженная модель может оказаться слишком маленькой. Вам может потребоваться увеличить её в 25.4 раза. Почему? Вы ведь разработали модель в миллиметрах, с точным соблюдением всех физических размеров. Однако эти единицы ничего не говорят плагину CADspan, и он сохранил в STL все размеры в дюймах. Преобразование можно просто осуществить в самой программе ReplicatorG, если после загрузки STL выбрать "Resize". Тут Вы можете кликнуть "millimeters to inches", и готово! Можете сохранить модель с правильными единицами измерения.

4. Solid Inspector [7].

Используйте плагин Solid Inspector (для его получения/загрузки нужно зарегистрироваться и получить бесплатную учетную запись на сайте Sketchucation), чтобы упростить поиск ошибок в геометрии (которые не дают модели стать Solid). Как только Вы сделали группу (или компонент), которая не “Solid”, выберите проблемную группу и запустите Solid Inspector из меню Tools. Все ошибки в группе будут обведены кружками - красными или желтыми. Вы можете использовать Tab и кнопки со стрелками, чтобы пройтись по ошибкам, и Enter для приближения к выбранному месту ошибки. Инструмент не позволяет исправить ошибки, но Вы можете быстро увидеть ошибки и исправить их самостоятельно. Есть одна особенность – Solid Inspector не покажет ошибки, когда ошибки есть во вложенных группах или компонентах.

5. Sketchup STL Exporter [6]. Еще один плагин для экспорта в STL. При экспорте выберите единицы измерения, в диалоге выбора имени файла выберите STL и добавьте расширение STL к экспортируемому файлу.

Правило №8. Учитывайте параметры и ограничения на рабочие материалы и поддерживающие материалы.

Как бы ни были удивительны 3D-принтеры, все они подчиняются законам физики. Вы получите ценный опыт, если разберетесь, как работают 3D-принтеры, и убедитесь, что все части Вашей модели удовлетворяют техническим спецификациям используемого принтера. Если Вы художник, использующий рабочий материал принтера, то захотите понять процесс глубже, а если Вы разработчик-инженер, использующий технологию 3D-печати для изготовления прототипов, то Вам просто надо определить, какой материал лучше подойдет к каждой конкретной модели.

Некоторые формы не могут быть выведены на печать без специального материала поддержки (support material), потому что материал может быть вытеснен вниз, и если нет никакого материала, ограничивающего этот поток. Рабочий материал заполнит все полости, и получится непредсказуемый результат. В действительности материал не падает вниз (в зависимости от вязкости), потому что вес материала обычно очень мал. В некоторых случаях лучше печатать "вверх тормашками" выгоднее, чтобы экономить на материале поддержки. Поддерживающий материал нужен, чтобы создать поддерживающую структуру для основного материала, и по окончании печати она удаляется (растворяется). Программа ReplicatorG может генерировать эти поддерживающие структуры автоматически, если Вы включите эту опцию. Кроме того, Вы можете спроектировать свою модель так, чтобы вообще не был нужен поддерживающий материал. Иногда нужно просто повернуть объект перед печатью, и он напечатается хорошо. Так что помните про вопрос ориентирования модели перед печатью!

Соответствующая справочная информация для дизайна часто доступна онлайн для той системы, которую Вы используете. Например, Makerbot предоставляет детализированные рекомендации по дизайну. Сервис Shapeways предоставляет рекомендации по дизайну на каждой странице материала – здесь есть руководства по самым популярным материалам из платика (Strong and Flexible Plastic Guidelines).

Все эти руководства помогают найти минимальную толщину стенок, минимальные размеры деталей, максимальный размер модели, и множество других технических деталей. Службы 3D-печати и производители 3D-принтеров часто имеют форумы для пользователей, чтобы можно было отвечать на их вопросы. На эти форумах можно найти много полезной информации и ссылки на ресурсы, которые позволяют решать специфические вопросы, на которые больше нигде нельзя получить ответ.

Правило №9. Чем больше рабочего материала в модели, тем дороже она стоит.

Концепция 3D-печати - аддитивное производство (additive manufacturing) - фундаментально отличается от отрезного производства (subtractive manufacturing), в котором работа начинается от заготовки материала, от которой потом отрезается / высверливается / вытачивается все ненужное. При subtractive manufacturing, если Вы платите $20 за материал заготовки, из которого в отходы уходит почти половина, то все равно нужно платить эти $20 за весь материал. В 3D-печати Вы платите только за реально используемый материал, поэтому выгодно минимизировать рабочий объем модели.

Минимизация толщины стенок модели - самый простой метод уменьшение объема, но не надо забывать и о других вещах, которые можно сделать. Добавление в модели (декоративных) отверстий является не только другим способом уменьшить объем модели, но и позволяет Вам проявить талант художника.

[Типовая последовательность действий подготовки STL-файлов для 3D-печати]

1. Удостоверьтесь, что Ваша модель Solid (удовлетворяет правилу №2). На самом деле для сложных моделей это сделать практически невозможно. Поэтому достаточно, чтобы на модели не было очень грубых ошибок - которые не сможет исправить автоматический корректор STL-файлов NetFabb (точнее говоря, он их скорее всего исправит, но в результате получится непонятно что). Помочь в выявлении дырок в модели в среде SketchUp может плагин Solid Inspector [7].

2. Сделайте экспорт в STL, для чего используйте плагин STL for Sketchup [10]. Если в модели ничего не выбрано, то выведется в STL сразу вся модель - все слои, независимо от того, скрыты они или нет. Если же что-то выделено (selected), то будет экспортировано в STL только то, что выделено.

3. Просмотрите результат экспорта (STL-файл) в программе STLView [9]. Если экспортированная модель выглядит почти так, как Вы ожидаете, то мелкие ошибки STL можно исправить с помощью сервиса NetFabb (следующий шаг). Если же нет - пропали большие участки, то нужно вернуться к корректировке модели в SketchUp.

4. Исправьте STL-файл с помощью сервиса NetFabb [8], который делает гарантированную цельную (Solid) модель. Пользоваться сервисом очень просто - он бесплатный, и регистрироваться не нужно. Требуется только указать email и выбрать STL-файл, который хотите исправить. После исправления на email придет ссылка для закачки исправленного STL-файла. Кроме того, там будет полезная информация по занимаемому объему модели - по нему Вы можете оценить стоимость будущей печати (расход рабочего материала). На картинках ниже показан пример исправления дефекта цельности модели - как дефект (дырка) выглядит в SketchUp, как выглядит после экспорта в STL (программа просмотра STLView) до исправления и после исправления сервисом NetFabb.

5. Исправленную модель снова посмотрите программой STLView - она должна соответствовать Вашим ожиданиям. Если же нет, то нужно вернуться к правке модели, и повторить шаги 1..5. Если все хорошо, то можете заказать печать модели в любой фирме, которая этим занимается.

[Технологии 3D-печати]

Как правило, почти все компании предлагают печать из пластика по технологии FDM. Расплавленный пластик продавливается через сопло в виде тонкой струи, и последовательно накладывается слой за слоем на печатаемую модель. Технология хорошо подходит для моделей крупного и среднего размера, так как толщина стенки часто не может превышать 1 мм. Есть и другие технологии, из которых самое лучшее качество дает MJM. Визуально сравнить различия разных технологий можно на сайте компании GLOBALTEK 3D [11].

UPD130315

Сегодня получил мою первую распечатанную на 3D-принтере модель. Технология печати фотополимер MJM, принтер Projet 3500 SD, рабочий материал Crystal (материал поддержки - воск). Это самое лучшее качество, которое сейчас существует среди технологий 3D-печати. Расход материала: 9.91 см³ основного материала, 4.22 см³ суппорта, обошлась печать 1600 рублей.

Выяснилось следующее:

1. Мои скругления острых углов корпуса вовсе не ощущаются скруглениями, потому что они имеют радиус порядка 0.5 мм.
2. Нужно избегать мелких размеров, меньше 0.5 мм. Идеал - все размеры больше 1 мм.
3. Кнопка очень мелкая.
4. Перед отправкой в печать нужно максимально точно задавать и неоднократно перепроверять все размеры.
5. Корпус имеет шероховатости (глубиной порядка 0.05 мм), поэтому если имеются трущееся друг о друга детали (например, кнопка), то нужно делать припуск побольше, и увеличивать размер направляющих, по которой движется деталь.
6. Припуск на крышку 0.1 мм оказался нормальным.
7. Корпус хоть и жесткий, но весьма нестойкий механически. Его можно поцарапать даже ногтем.

Модель и её STL-файлы можно скачать по ссылке [12].

UPD130529 - сервис sketchfab

Сегодня обнаружил для себя интересный бесплатный сервис - sketchfab.com. Позволяет выкладывать на сайт модели и просматривать их прямо в браузере. Как это выглядит - показано ниже.

Для управления просмотром можно использовать мышь и клавишу SHIFT.

Выложить модель и вставить её на сайт довольно просто. Процесс по шагам:

1. Зайдите на сайт sketchfab.com, зарегистрируйтесь. Это быстрая и несложная процедура, потребуется указать email, пароль и придумать для себя ник. По завершению регистрации на указанный email Вам придет письмо "Thanks for joining Sketchfab!" (спасибо, что присоединились к Sketchfab). В этом письме будет полезная информация со ссылками, и будет указан код private API key, состоящий из 32 штук HEX-цифр (наподобие такого: 107407c5d8e3f69df94619ac228c884d). Этот код пригодится для выгрузки модели на сервер sketchfab - он используется для быстрой идентификации пользователя.

2. В личном кабинете пройдите выберите пункт меню MORE -> EXPORTERS. Экспортеры - это специальные программы, которые позволяют выгрузить Вашу модель определенного формата на сервер sketchfab. Поддерживается много форматов, и для каждого есть свой экспортер. Для SketchUp это SketchUp exporter. Загрузите его, скачается файл наподобие sketchup2sketchfab.rbz. Это пакет Ruby ZIP (файл с расширением *.rbz). В этом случае такой файл плагина устанавливается через меню Window -> Preferences -> Extensions -> кнопка Install Extension... -> выберите файл с расширением rbz.

3. После установки плагина SketchUp exporter доступ к нему появится в меню SketchUp File -> Upload to Sketchfab. Перед выгрузкой включите для просмотра нужные слои модели. Далее выберите в меню пункт File -> Upload to Sketchfab и следуйте указаниям мастера выгрузки. В процессе выгрузки Вам понадобится ввести присланный по email код private API key (поле ввода Your API token). После ввода имени модели, описания и токена нажмите кнопку Submit Model, модель выгрузится и появится в личном кабинете сервиса Sketchfab.

После успешной загрузки модели скачается зачем-то маленький файл modelaHHHHHHH. В нем будет какой-то ID и статус загрузки. Возможно, что это файл для обращения в службу поддержки Sketchfab.

4. Модель успешно загружена. Чтобы просмотреть загруженные модели, в личном кабинете Sketchfab зайдите в меню DASHBOARD. Кликните на модель, и в нижней части экрана появятся кнопки просмотрщика. Первая кнопка слева позволяет получить ссылку EMBED (встраивание на HTML-страницу). Код для вставки будет наподобие такого:

< iframe frameborder="0" height="480" width="854" allowFullScreen
webkitallowfullscreen="true" mozallowfullscreen="true"
src="http://skfb.ly/mjgfb?autostart=0&transparent=0&autospin=0&controls=1" >
< /iframe >

Вставьте этот код в нужное место страницы сайта, где хотите показывать модель. В коде есть параметры height и width, которые позволяют управлять размером экранчика плеера Sketchfab.

[Ссылки]

1. MakerBot.thingiverse: готовые модели для 3D-печати.
2. Trimble 3D Warehouse: готовые модели для 3D-печати.
3. SketchUp to STL Plugin with No Dialogs.
4. Convert Sketchup SKP files to DXF or STL.
5. CADspan plugin.
6. Sketchup STL Exporter.
7. Solid Inspector.
8. NetFabb cloud service - ремонт файлов STL.
9. STLView - удобная программа, которой можно просмотреть качество экспортированных STL-файлов.
10. STL for Sketchup.
11. Различие технологий 3D печати. Внешний вид одной и той же тестовой модели, распечатанной по разным технологиям.
12. Исходная модель корпуса и STL-файлы для 3D-печати.