Jak modelować pod druk 3D?

W dobie popularności technologii addytywnych, coraz niższych cen prostych drukarek FDM (FFF), oraz szerokiej dostępności do obszernych darmowych baz modeli 3D takich jak https://www.thingiverse.com/, czy https://www.myminifactory.com/ u wielu amatorów tej technologii może pojawić się chęć stworzenia własnych modeli lub modyfikacji już istniejących tak by bardziej pasowały do ich przeznaczenia, oczekiwań lub gustu.

Do stworzenia modelu 3D nie trzeba posiadać wysoce wyspecjalizowanego a co za tym idzie drogiego oprogramowania do modelowania. Można skorzystać z darmowych programów jakich jak blender lub sketchup online. Jednak wykonanie dobrego wizualnie modelu może nie być równoznaczne z modelem dostosowanym pod druk 3D. W poniższym artykule postaram się przedstawić jakimi zasadami należy się kierować podczas modelowania na potrzeby druku przestrzennego, dzięki czemu można uniknąć wielu błędów druku 3D a także oszczędzić czas i pieniądze. Zlecenie profesjonalnej firmie przystosowanie modelu do druku 3D w skrajnych przypadkach może pochłonąć więcej środków niż jego stworzenie. Czasem szybszym i łatwiejszym sposobem jest wykonanie modelu od zera na podstawie przesłanego modelu z błędami niż próba naprawiania istniejącego.

Ogólne wymagania stawiane modelom przeznaczonym do druku 3D:

Formatem używanym przez wszystkie slicery, czyli programy przygotowujące model 3D do druku 3D i przetwarzające go na program, który następnie wykonuje drukarka, jest format .STL. Zapisuje on model poprzez aproksymację jego ścian przy pomocy trójkątów. Nawet jeśli zapisanym kształtem jest kula w formacie .STL będzie ona składała się z wielu małych, płaskich trójkątów. Dokładność odwzorowania jest zależna od ilości i wielkości tych trójkątów. Jednak wraz ze wzrostem ich liczebności model zajmuje więcej miejsca a praca nad nim staje się wolniejsza z uwagi na wymaganą moc obliczeniową.

Każdy z tych trójkątów ma dwie strony, wewnętrzną i zewnętrzną. Slicer rozpoznaje te strony dzięki czemu program wie gdzie jest wnętrze modelu, które należy wypełnić, a gdzie obszar zewnętrzny.

orientacja ścianek modelu – pokazuje poprawną orientację normalnych (kolor bordowy skierowany do wnętrza modelu a kolor niebieski na zewnątrz)

Dlatego też, każdy model projektowany pod druk 3D powinien być przede wszystkim zamkniętą, „szczelną”, pojedynczą bryłą. Kilka zamkniętych brył stykających się ścianami może spowodować, że wydrukowane obie bryły nie będą ze sobą połączone bądź krawędzie stykających się płaszczyzn będą posiadały widoczny ślad takiego połączenia i powierzchnia nie będzie jednolita.

Model nie może posiadać dziur, czyli brakujący trójkątów, przez które widać wnętrze modelu. Taki model traktowany jest nie jako bryła lecz jak powierzchnia o zerowej grubości, czego oczywiście nie da się uzyskać. Problemem są także tzw. odwrócone normalne, pojawiają się one gdy część trójkątów w modeli .STL jest obrócona stroną wewnętrzną na zewnątrz i odwrotnie. Slicer nie jest w stanie zinterpretować gdzie jest środek modelu co może skutkować niepowodzeniem w druku.

odwrócone normalne – miejscowe odwrócenie normalnych (kolor bordowy powinien być skierowany do wnętrza modelu)

Podobny problem może się pojawić przy modelu, który zawiera przecinające się, bądź nakładające się na siebie ściany. Dobrze przygotowany model musi być wolny od wymienionych wyżej błędów.

Jak unikać błędów geometrii?

Najlepszym sposobem na pozbycie się błędów geometrii w modelu 3D jest ich unikanie podczas projektowania. Profesjonalne programy konstruktorskie niemal automatycznie zapobiegają powstawaniu takich błędów gdyż najczęściej pracują one już na modelach bryłowych. Darmowe programy nie posiadają takich „zabezpieczeń” i wymagają bardziej przemyślanej pracy. Zasada jest prosta: im bardziej skomplikowany i złożony model tym większa szansa na powstanie błędów geometrii. Aby zmniejszyć prawdopodobieństwo ich wystąpienia należy pracować na pojedynczych prymitywach (prostych podstawowych brył takich jak: sześcian, walec, sfera, torus itp.), które w trakcie modelowania, poprzez wyciąganie, skalowanie, deformowanie i inne operacje przerabia się na docelowe modele. W przypadku konieczności pracy na kilku bryłach należy je potem ze sobą połączyć przy pomocy operacji Boolowskich (CSG). Pozwala to uniknąć większości błędów podczas tworzenia modelu. Błędy mogą się także pojawiać podczas modyfikowania pobranych wcześniej modeli 3D z internetu. Edycja tych obiektów może doprowadzić do uzyskania przenikających się ścian lub dziur w modelu. Takie niepoprawności ciężko wychwycić gołym okiem, a powodują one poważne komplikacje przy druku.

Sprawdzanie geometrii modelu:

Do weryfikacji poprawności modelu wykorzystuje się specjalistyczne oprogramowanie, które automatycznie sprawdza czy model posiada błędy geometrii, naprawia je automatycznie lub wskazuje ich miejsce gdy automatyczna naprawa nie jest możliwa. Niestety nie są one darmowe w swoich pełnych wersjach. Jednak warte są swojej ceny. Oprócz naprawy błędów i weryfikacji geometrii umożliwiają min. wygładzenie powierzchni poprzez zagęszczenie siatki trójkątów, lub zmniejszenie „wagi” pliku poprzez zastąpienie wielu trójkątów, leżących na płaszczyźnie, jednym. Ponadto umożliwiają one wykonanie tzw. shell’a, czyli opróżnienia modelu zostawiając jednakową grubość ścianki w całym modelu a sam model pusty w środku, jest to zalecane przy niektórych technologiach druku w celu oszczędności materiału. Część programów posiada moduły umożliwiające przygotowanie pliku pod druk 3D tak jak slicery. Proste programy do modelowania 3D także mogą posiadać pewne funkcje naprawiające błędy geometrii, zwykle są to narzędzia do łatania dziur i usuwania nakładających się ścian, jednak algorytmy te działają w dość ograniczonym zakresie i nie radzą sobie z poważniejszymi błędami. Same slicery także mogą posiadać bardzo proste moduły weryfikacji bryły. Sprawdzają i naprawiają one zazwyczaj jedynie problem z odwróconymi normalnymi i to jedynie w mało skomplikowanych przypadkach. Dlatego też należy dokładnie sprawdzać podgląd wydruku przed puszczeniem pliku na drukarce.

Model 3D przygotowany zgodnie z wytycznymi i spełniający wszystkie wymagania spowoduje, że wydruk 3D będzie tańszy zarówno ze względu na mniejsze zużycie materiału (podwójne ściany mogą niepotrzebnie zwiększać powierzchnię modelu) ale również przez brak konieczności późniejszej pracy nad naprawą modelu. Poprawnie przygotowany model to także lepsza, jednolita powierzchnia modelu, co poprawia walory estetyczne wydruku a także zwiększa jego wytrzymałość mechaniczną.