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【翻译】如何3D打印垂悬部分、桥梁等,以及如何超越45°角度界限

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发表于 2018-11-20 03:09:05 | 显示全部楼层 |阅读模式

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英文原文:https://rigid.ink/blogs/news/how ... ceeding-the-45-rule
作者:Ed Tyson

overhangs_bridges.jpg
有什么不同?左边是桥梁,右边是比例越来越大的悬垂(overhang)

在本文中,我们将解释如何在不使用很难被弄掉的支撑结构的情况下挑战重力并打印出难以打印的物体。

读了本文以后你就能学到我们最屌的3D打印垂悬部分与桥梁的技巧和建议,并且能打印出(3D打印的)世界里的第八大奇观(什么鬼)。

要想造得爽,就得多造一些复杂的东西。这意味着你有时候需要打印一些贼复杂而又麻烦的挑战创造力极限的玩意儿。

注意:为了打印更复杂的物体,你大概要处理超过45°的垂悬角度的桥梁等。

在不使用支撑结构的情况下要造出清晰、干净的3D打印悬垂或一些锋利的ABS桥梁可能是一种黑暗的艺术。

首先我们大致讲一下3D打印的原理。你懂的。3D打印现在基本都是从下往上打印物体(@嗷嗷叫的老马 提到的“光固化”这种黑科技除外),用塑料喷嘴一层一层印刷出物体的每一层切片。

但如果你要打印一些复杂的东西的话,它有很多部分可能从一开始就没有任何支撑。这些东西叫“垂悬部分”或“桥梁”,取决于形状。看看Y、H、T这三个字母。Y是一个竖着的柱子连着两个斜向45°的棍子,T则是一根竖着的柱子连着一个水平的(90°)横杆。而H则是两根柱子中间有个横着的“桥”。

这就像你要打印的那些复杂玩意儿一样,你的喷头喷出的塑料遵循自然法则,它受到重力影响,不能让稀薄的空气接住它。所以解决方案是什么?

(译者注:这里它有个氪金广告……)

然而不管是Y、H还是T,它们各自都有各自的解决办法——换句话说是根据情况来看的。

垂悬结构

overhangs_52c2def1-3140-484a-8826-d43337080e84.jpg

与其考虑给3D打印的部件添加支撑,不如来思考极端悬垂的可能性。

基本上,为了以小于垂直的任何角度创建悬垂,你的打印机会偏移每个连续的层。角度越低,水平或90°,每个连续层偏移越多。

因此,例如45°的情况,每个连续层偏移50%。换句话说,50%的新层保持与下面的层接触。这种类型的接触提供了相当大的稳定性,因为每个新层都有足够的基础材料可以固定住并保持稳定。

然而,当角度开始接近水平时,偏移量变得越来越极端。例如,对于75°的情况,每个连续层的偏移接近80%。换句话说,每个新层只有不到20%的部分保持与下面的层接触。很明显,这种情况和45°的情况下相比,非常不稳。每个新层的表面积都要小得多。通常的结果就是层与层之间断开接触、悬垂结构下垂,甚至坍塌。那么要做些什么来防止这种情况发生呢?我们来看看几个解决方案。

避开它。或者叫“45°法则”

45_degree_rule.jpg
这通常是安全的选择 - 但我们在这里谈论超越这个的方法。

遵循45°规则可以避免整个问题。3D打印中的45度规则是3D建模的钦定规则,建议不要设计包含大于45°角的物体。

但是这样的话限制就很大了,而且不好玩。所以所谓的“45°法则”它其实并不是一个解决方案。

一些好看的或者好用的物体需要困难的悬垂来变得好看或者好用。所以让我们接着看。

使用倒角

chamfer.jpg

倒角是“作弊”的3D技术之一——在边角处弄一个倾斜的、对称的表面,可以打破45°法则。换句话说,倒角基本上形成大于45°的角度并将其转变为45°或更小的角度。

虽然倒角能解决部分问题,但不是全部。有时候使用倒角会破坏你的设计。因此,倒角并不是打印困难垂悬的解决方案,而是一种避免垂悬的方法。

如何3D打印支撑结构或材料

这也是一种“作弊”,也就是一种专门用来做支撑用的材料或者结构。你的3D打印机会先打印一些支架,当到达那一层的时候,直接把耗材往上面喷。可以保证打印的质量不差。但打印完了以后,你需要把支架拆掉。

我(译者)这边3D打印机会直接用打印物体的耗材去打印支架,这导致了巨大的麻烦(我甚至变成翻译腔了)。我这边切片软件产生的支架简直是非常结实,甚至用钳子都拆不动。我曾试着用刀子拆,却不小心拆到手指了……

Disolvable_support.jpg

大多数支撑材料是可溶的,因为它们需要在印刷后去除。例如,PVA可溶于水,而HIPS可溶于柠檬烯。印刷完成后,将物体浸没在含有所述溶剂的容器中。经过一定的时间和一些温和的偶尔搅拌后,支撑材料溶解,留下物体,以及完美的垂悬结构。如果你想了解有关可溶性支持材料的更多信息,请查看这篇这篇

并非所有支持材料都是可溶的(译者的就是那种不可溶的)。这种支持材料就需要自己手拆。(译者:然后要么拆得满手是血,要么得到一个贼难看的、疙疙瘩瘩的垂悬结构。)

把你的支持材料藏起来

另一个解决方案是设计一个“兼容”复杂垂悬结构的物体,并且把支持的部分藏起来,欺骗眼睛,使其看起来不需要支撑。

这是雕塑家在过去两千年里一直在使用的技巧。例如,看看意大利雕塑家Antonio Canova的“Venus Victrix”。

venus_victrix.png

右手是一个垂悬结构,但它肘部受到枕头的支撑。左手也是一个垂悬结构,但它受到成束长袍的支撑。

关键点在于,通过精心设计,对悬垂物的支持可以以这样的方式结合到物体中,使得它看起来不像支撑物。相反,该物体保留了一种有机的外观,自然而然地包含了难以突出的东西。

在不使用支撑材料的情况下超过45°

45°通常是不使用支撑材料就能达到的最陡角度。 但是,在适当的情况下,更陡峭的角度是可能的。我们来看看如何。

为了打印包含陡峭角度超过45°的悬伸,你必须确保打印机处于最佳状态。确保你的底板足够平,不然就更换底板。

检查打印喷嘴是否清洁,没有任何碎屑或碳化物积聚。我们建议使用Floss清洁耗材,可以轻松,快速和彻底地清洁喷嘴。

通常,执行所有必要的日常维护,以便你可以获得最精确的构造空间。你要想进行一些非常精确的打印,你肯定得确保你的机器能够应对挑战。

快速固化你的打印材料

overhang_cooling.jpg
冷却始终很重要。左图中冷却不够。而右图,你会注意到45度悬垂有足够的冷却。

如上所述,45°以上的角度意味着悬伸中每个连续层之间的接触较少。这种越来越小的接触意味着材料冷却所需的时间越长,发生下垂,分层或坍塌的可能性就越大。

因为时间至关重要,请确保你在尽量想办法快速固化你的打印材料。要充分利用分层冷却风扇。


你的材料需要在短时间内散发出相当多的热量。考虑使用带有管道式鼓风机的径向风扇设置,其比轴流式风扇排出更多的空气。

另外,尝试在比正常温度略低的温度下打印。你希望找到略高于材料熔点的最佳温度,但仍然足够热以防止打印喷嘴堵塞。

这不仅有助于冷却,而且还可以防止印刷材料过度挤压,正如我们接下来要看到的那样,在打印极端角度时可能是灾难性的。

确保使用高质量的耗材,优质PLA可在较低温度下印刷,同时保持优异的层粘合性。这意味着你可以整齐地跨越这些距离,而不会影响强度或打印效果。

这也是最大限度地减少穿线的技巧,这可能会影响悬垂和桥梁。质量更好的耗材可保持其粘度,并且不会拉丝。

使用较低的温度,更好的冷却和增加收缩设置也可以防止拉丝。

调整切片软件设置

首先,调整切片器设置以使用尽可能低的层厚度。这在打印困难的3D打印机悬垂时很有效,因为打印头每次通过时沉积的材料较少。

质量越小,冷却时间越短

其次,更改外壳的设置,以便从内到外而不是从外到内打印。这将有助于在打印时将一个层固定到下面的层。

降低你的速度

同样,快速冷却对于成功打印超过45°的角度至关重要。降低打印速度有助于加快这种必要的冷却速度。打印头的速度越慢,你的材料从打印喷嘴到达物体所需的时间就越长。

此外,较慢的打印速度意味着你的分层冷却风扇能够有更多时间将气流引导到对象的特定部分。

一旦你设置好了打印机的速度,你最好打印“校准物体”。“校准物体”将允许你在打印将要使用的对象上的触发器之前测试你的设置。

当涉及到悬垂时,有很多不一样的设计,就像Thingverse上的那个,它将把你的打印机和你的打印技能搞到极限。

3D打印桥梁

bridges.jpg

桥梁存在与悬垂3D打印相同的印刷问题。不同之处在于,根据定义,桥梁是90°表面,由两端的两个垂直结构支撑。

桥的结构在打印的时候,它的两端对桥的中间提供拉力(张力),从而防止中间的“弦”塌陷。从某种意义上说,由于它的“倾斜”角度是最极端的 ,你可以将3D打印的桥结构打印称为最难解决的问题。

通常,桥的长度越短,它越容易被打印出来。而桥越长,它就越有可能屈服于结构应力。

因此就像上面的45°法则一样,这也有一个类似的法则叫“5mm法则”,尽量防止打印超过这个长度的桥。

然而也和上文啰嗦的内容一样,为了打印各种复杂的结构,你有时候真就不得不打印很多很长的桥。

不过,打印桥的时候你其实并不需要考虑移除支撑结构。让我们看看打印桥有什么黑科技。

幸运的是,桥梁只是悬垂的变种。这意味着,总的来说,相同的技术可以帮助你打印超过45°的角度,这也有助于你延长与桥梁交叉的距离。

研究不带支撑的3D打印

我们的3D打印桥接技巧首先是确保您的打印机以最佳水平运行。你还需要确保尽快冷却打印材料

与悬垂一样,材料冷却所需的时间越长,桥梁变形或失效的可能性就越大。因此,积极使用层冷却风扇

另外,尽可能降低打印温度。调整切片机设置并降低打印速度,以便冷却,让你的桥尽可能接得更远。

使用优质,低温等级的材料更有帮助。

慢点打印!以一种美好而顺畅的方式从一端到另一端,没有必要急于求成。额外的时间将允许更好的层粘附,从而形成更坚固,更整洁的桥。

还有就是注意方向。有的结构横着打印的时候它是一个几乎不可能被打印出来的桥,但竖着打印的话却非常简单。(译者:我觉得大概没人傻到不会调整方向)

在某些方面,打印桥梁比打印悬臂更有可能成功,因为桥梁有两个以上的锚点——每端一个。

但是,值得注意的是,只有桥梁完全水平,只跨越一层,这才有效。如果它只是稍微向上倾斜,跨越几层,那么桥将无法在单层中快速(或整齐地)完成。(此时它叫“悬垂结构”)

这种情况下干脆微调一下模型,让它变成一个桥。

此外,还可以把桥改造成拱形,这样的话拱的构造本身算是一个60°、70°的悬垂(作为对比,桥是90°)。而且因为有了拱,桥的两端距离也变得更近了,打印也更容易成功。

最后选择更好的耗材(这是广告了)

后面都是广告了……

原文:https://rigid.ink/blogs/news/how ... ceeding-the-45-rule
瞎几把翻译效果不好见谅。(50%机翻)

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 楼主| 发表于 2018-11-20 03:10:19 | 显示全部楼层
Thingiverse上的3D打印机测试模型:
https://www.thingiverse.com/thing:2806295

567bc11d7aec4426905f458449cc690e_preview_featured.jpg

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发表于 2018-11-20 17:54:19 | 显示全部楼层
虽然看不懂,但是觉得好高级的样子呀

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发表于 2018-11-20 18:24:08 | 显示全部楼层
实际上还有别的办法来做无支撑大角度路径规划.

不过这是某个公司的特殊技术,我就不公开了......

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 楼主| 发表于 2018-11-21 03:01:14 | 显示全部楼层
嗷嗷叫的老马 发表于 2018-11-20 18:24
实际上还有别的办法来做无支撑大角度路径规划.

不过这是某个公司的特殊技术,我就不公开了...... ...

虽然很想知道,但既然不便于公开的话那就当是开脑洞time吧

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发表于 2018-11-28 19:17:52 | 显示全部楼层
直接连支撑一起打印出来不是很好么,为啥要做无支撑的呢

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 楼主| 发表于 2018-11-28 21:15:48 | 显示全部楼层
Ayala 发表于 2018-11-28 19:17
直接连支撑一起打印出来不是很好么,为啥要做无支撑的呢

难拆、难看、有些结构严格要求不能有支撑否则无法保证顺滑度,会造成机械卡顿。

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发表于 2018-11-29 18:16:57 | 显示全部楼层
为了结构严谨 支撑就更有必要了 就算铸模技术也会采用支撑 顺滑度通常会采用抛光镀膜技术才解决 至于难拆这个完全就是设计缺陷了! 锤形支撑用引脚剪轻松取下

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 楼主| 发表于 2018-12-1 23:43:04 | 显示全部楼层
Ayala 发表于 2018-11-29 18:16
为了结构严谨 支撑就更有必要了 就算铸模技术也会采用支撑 顺滑度通常会采用抛光镀膜技术才解决 至于难拆这 ...


不过我找到解决办法了。我买一个水溶性耗材和一个普通耗材,我用水溶性打印支撑,用普通耗材打印主体。我的3D打印机是双喷头的,而且可以同时使用,所以支撑和主体是同时打印的。最后水里泡一下就好了。

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