Требования к цифровым моделям для 3D печати

У любой технологии производства есть ограничения. 3D-печать позволяет быстро получать функциональные детали, прототипы и макеты, но качество результата напрямую зависит от того, насколько корректно подготовлена 3D-модель. Даже если изделие технически можно напечатать без учета требований, поверхность, точность, прочность и собираемость могут оказаться хуже, чем ожидалось.

Ниже собраны основные рекомендации по подготовке 3D-моделей к печати. Они помогут заранее избежать проблем с геометрией, допусками, тонкими стенками, защелками, резьбами, поддержками и постобработкой.

Содержание данной страницы также продублировано в более удобном формате в PDF файле - Требования к цифровым моделям для 3D печати, для вашего удобства.

1. Форматы файлов и качество 3D-модели

Чтобы изготовить изделие по вашей 3D-модели, файл должен быть передан в подходящем формате. На практике чаще всего используются .STEP, .STP и .STL.

Формат .STEP или .STP обычно предпочтительнее: он более универсален, лучше подходит для инженерных деталей и позволяет корректнее работать с геометрией. Формат .STL тоже можно использовать, но важно учитывать его качество. Если STL-файл низкополигональный, на изделии могут появиться заметные грани, упрощенные окружности и искажения формы. В таких случаях лучше предоставить исходную модель в STEP/STP.

Сравнение качественной STL-модели и STEP-модели — Качественная модель в формате STL и модель в формате STEP

Низкополигональная STL-модель плохого качества — Низкополигональная STL-модель: такая геометрия может ухудшить внешний вид изделия

Что лучше подготовить перед отправкой

Для функциональных деталей лучше передавать модель в формате STEP или STP.
STL подходит, если модель имеет достаточную детализацию и не выглядит «граненой».
Если изделие должно точно сопрягаться с другими деталями, STEP/STP обычно удобнее для проверки и корректировки.

2. Целостность объекта

3D-модель под печать должна быть спроектирована одним телом, имеющим замкнутый объем. Каждый элемент детали должен иметь толщину. Если модель визуально выглядит как цельное изделие, но фактически состоит из множества отдельных пересекающихся поверхностей или тел, при подготовке к печати она может «рассыпаться» на части.

Все элементы отдельно взятой детали должны быть объединены в одно тело. Для этого в процессе проектирования используют булевы операции, операции объединения объектов и корректную работу с твердотельной геометрией.

Качественная 3D-модель, спроектированная одним телом — Качественная модель: объект спроектирован одним телом

Некачественная 3D-модель, которая разбивается на части — Некачественная модель: объект разбивается на отдельные части

Почему это важно

Слайсер должен понимать, где находится внешний контур, где внутренние полости, а где материал детали. Если модель содержит незамкнутые поверхности, пересечения, внутренние «мусорные» тела или отдельные элементы без толщины, результат печати может быть непредсказуемым.

3. Минимальные размеры элементов детали

Элементы и стенки толщиной менее 1 мм могут совсем не пропечататься или напечататься в плохом качестве. Для стабильной FDM/FFF-печати рекомендуется проектировать самые тонкие элементы модели с размером не менее 1 мм.

Технически иногда можно изготовить элементы меньшего размера, но это уже зависит от геометрии, материала, ориентации детали и требований к изделию. Если модель высокодетализированная и содержит много мелких элементов, стоит рассмотреть фотополимерную SLA-печать.

Пример слишком тонкого элемента 3D-модели толщиной около 0,5 мм — Элемент толщиной около 0,5 мм слишком тонкий для стабильной печати

Тонкая стенка 3D-модели, которая может не пропечататься — Тонкий элемент может не пропечататься или получиться нестабильным

Практическая рекомендация

Если элемент несет нагрузку, используется как крепление, ребро, защелка или направляющая, лучше закладывать запас по толщине. Минимальные размеры стоит рассматривать не только с точки зрения печати, но и с точки зрения прочности готовой детали.

4. Допуски и собираемость

3D-печать из-за нелинейной усадки, расширения материала и других технологических особенностей менее точна, чем, например, фрезеровка. При проектировании сборных изделий это нужно учитывать заранее.

Если цилиндр диаметром 10 мм должен входить в паз диаметром 10 мм, такая модель почти наверняка вызовет проблемы при сборке. Чтобы обеспечить собираемость, необходимо закладывать зазор хотя бы 0,1–0,2 мм на сторону. Например, для цилиндра диаметром 10 мм паз лучше делать 10,2–10,4 мм.

Допуск 0,2 мм в 3D-модели для сборки корпуса — Зазор 0,2 мм помогает корпусу корректно собраться

Отсутствие допуска в 3D-модели, из-за которого корпус может не собраться — Если допуска нет, сборка может потребовать ручной доработки

Гарантированный допуск по размерам зависит от материала, геометрии и технологии. При печати мы компенсируем усадку под конкретный материал, но сложные материалы и сложная геометрия могут давать отклонения. Поэтому допуски лучше закладывать в модель на этапе проектирования.

5. Защелки

FDM/FFF-печать подразумевает послойное наплавление материала. Из-за этого у технологии есть ограничения при изготовлении гибких и тонких элементов, в том числе защелок. Лучший вариант для функциональных корпусов — отказаться от защелок в пользу крепления на саморезы, винты, втулки или другие более надежные соединения.

Функциональные защелки можно изготовить, но только при соблюдении одного из условий:

Защелки печатаются вдоль слоев. Это требует специальной ориентации детали на столе. Иногда такое расположение невозможно из-за сложной геометрии или приводит к росту стоимости из-за большого количества поддержек.
Защелки расположены поперек слоев, но выбран упругий материал. Например, TPU GF10 или полиамид. В этом случае ограничивается выбор материала, а стоимость может быть выше, чем при печати стандартными корпусными пластиками.
Используется другая технология печати. Например, SLA, mSLA или SLS, если они лучше подходят под задачу.

Тонкая защелка, расположенная поперек слоев 3D-печати — Тонкая защелка поперек слоев долго не прослужит без подходящего материала

Защелка вдоль слоев 3D-печати — Защелка вдоль слоев работает надежнее

6. Резьбы

FDM/FFF-печать имеет относительно невысокое разрешение: обычно детали печатаются с высотой слоя 0,2–0,4 мм и шириной линии 0,4–0,8 мм. Это накладывает ограничения на печать резьб.

Мы не рекомендуем печатать конечные резьбы диаметром менее М10 и с шагом резьбы менее 1,5 мм. Мелкая резьба может получиться неточной, требовать доработки или вообще не выполнять свою функцию.

Крупная резьба, пригодная для 3D-печати — Крупная резьба с достаточным шагом может работать сразу после печати

Кроме того, резьбы желательно печатать в вертикальном расположении детали. Это может ограничивать ориентацию модели на столе, увеличивать стоимость изготовления или ухудшать качество лицевых поверхностей.

Что использовать вместо мелких печатных резьб

саморезы вместо винтов;
отверстия под последующую нарезку резьбы метчиком;
вплавляемые резьбовые втулки;
закладные элементы, если конструкция это позволяет.

7. Большие тонкостенные детали

Наличие оборудования с областью печати до 500×500×600 мм не означает, что любую деталь длиной до 60 см можно качественно изготовить целиком. Если деталь длинная и тонкая, при вертикальной печати ее может раскачивать, а при горизонтальном расположении она может не помещаться в область печати.

Длинная тонкая деталь не помещается в область печати плашмя — Длинная тонкая деталь может не помещаться в область печати плашмя

Длинная тонкая деталь расположена вертикально для 3D-печати — Вертикальное расположение тонкой детали может привести к раскачиванию во время печати

В таких случаях деталь приходится разрезать на несколько частей под сборку, склейку или крепеж. Но если изделие изначально больше похоже на листовую деталь, часто технологичнее изготовить его лазерной резкой или фрезеровкой листового материала.

Разделение большой тонкой детали на две части для 3D-печати — Иногда большую тонкостенную деталь приходится делить на части

К этой категории также относятся тонкостенные изделия, рассчитанные на штамповку или формовку: автомобильные крылья, бамперы, формованные ложементы и другие подобные детали.

8. Макеты

Макеты — отдельная категория изделий. Наша специализация — печать конечных функциональных деталей, поэтому мы беремся только за относительно простые макеты с небольшим количеством элементов.

Модель под изготовление макета должна состоять из минимального количества деталей, не иметь сложных внутренних полостей и соответствовать базовым требованиям: корректный формат файла, целостная геометрия и достаточная толщина элементов.

3D-модель архитектурного макета — Пример 3D-модели макета с относительно крупными элементами

Если макет состоит из сотен мелких элементов, требует вышкуривания, шпаклевки, покраски в разные цвета и декоративной доводки, лучше обращаться в специализированную макетную мастерскую.

9. Размеры детали и усадка

FDM/FFF-печать в первую очередь подходит для среднеразмерных деталей. Если изделие функциональное, лучше изготавливать его одной деталью или заранее проектировать крепежные элементы для сборки. Делать нагруженные функциональные детали под склейку обычно нежелательно.

При выборе материала обязательно учитывается усадка. Чем более сложный и «технический» материал используется, тем выше может быть усадка. У некоторых материалов она достигает 2%. На размере 500 мм это может дать почти 10 мм отклонения, из-за чего изготовление крупной детали из такого материала становится нецелесообразным.

Крыльчатка большого диаметра как пример сложной детали для 3D-печати — Крупная функциональная деталь может быть неподходящей для печати целиком из-за усадки

Большие объемные буквы как пример изделия, которое лучше изготавливать другой технологией — Большие объемные буквы простой геометрии часто рациональнее изготавливать другой технологией

Под склейку и дальнейшую постобработку изделия тоже можно изготавливать, если это макет, декоративный элемент или не сильно нагруженная деталь. Также сюда относятся некоторые кузовные детали, которые после печати и склейки проходят шлифовку, шпаклевку и покраску.

10. Фаски и скругления

Фаски и скругления помогают сделать модель более технологичной для печати. Если конструкция позволяет, добавление фасок на нависающих элементах может снизить количество поддержек, уменьшить стоимость изготовления и улучшить качество поверхности.

Модель с поддержками и вариант с фаской для уменьшения поддержек — Фаска может уменьшить количество поддержек и улучшить поверхность детали

Сравнение детали с фаской и без фаски — Продуманная геометрия позволяет печатать деталь технологичнее

Скругления повышают прочность отдельных элементов и снижают влияние усадки на геометрию. Острые углы и кромки, как и при литье, являются точками концентрации напряжений. Они могут искажать форму детали или снижать ее прочность.

Скругления в основании тонких элементов 3D-модели — Скругление в основании тонкого элемента повышает его прочность

Сравнение острых переходов и скруглений в 3D-модели — Скругления помогают снизить риск деформаций и повреждений

11. Поддержки при FDM/FFF-печати

FDM/FFF-принтер не может печатать крупные нависающие элементы «в воздухе». Поэтому под такими зонами строится специальная временная структура — поддержки. Иногда их можно избежать за счет фасок и изменения геометрии, но в ряде случаев поддержки неизбежны.

Визуализация поддержек при FDM-печати — Зеленым показаны поддержки, которые удерживают нависающие участки детали

После печати поддержки удаляются механически ручным инструментом. Заказчик получает изделие без поддержек, но важно понимать: в местах, где деталь опиралась на поддержку, поверхность будет отличаться от лицевых участков. Она может быть более шероховатой, рыхлой и слоистой.

Лицевая поверхность FDM-детали без поддержек — Лицевая поверхность без поддержек выглядит более ровной

Поверхность FDM-детали после удаления поддержек — Поверхность после удаления поддержек имеет более выраженную шероховатость

За годы работы можно минимизировать влияние поддержек на качество поверхности, но полностью убрать разницу между лицевой поверхностью и зоной контакта с поддержками не всегда возможно.

12. Поддержки при SLA, mSLA и DLP-печати

При фотополимерной печати поддержки используются почти всегда. Они помогают обеспечить правильную геометрию изделия и удерживают деталь во время печати. В отличие от FDM, такие поддержки обычно имеют древовидную структуру и контактируют с поверхностью через небольшие точки.

Деталь на древовидных поддержках при фотополимерной печати — Визуализация детали на поддержках при фотополимерной печати

Фотополимерная деталь с поддержками на белом фоне — Поддержки удерживают деталь и помогают сохранить геометрию

В местах контакта с поддержками после печати могут оставаться «пеньки» — небольшие следы от точек крепления. Обычно они убираются наждачной бумагой или инструментом. В зависимости от материала и геометрии могут появляться и небольшие «рытвины», которые при необходимости шпаклюются на этапе постобработки.

Лицевая поверхность фотополимерной детали без поддержек — Лицевая поверхность детали без контакта с поддержками

Следы от поддержек на фотополимерных деталях — На поверхности могут оставаться следы от контакта с поддержками

Фотополимерные детали после печати и удаления поддержек — Детали после удаления поддержек: следы контакта могут потребовать доводки

После печати поддержки удаляются механически. При этом нужно учитывать, что мы не занимаемся декоративной постобработкой и покраской. Если требуется идеально гладкая поверхность со всех сторон, изделие нужно дополнительно шкурить, шпаклевать или красить.

Итоговые рекомендации

Чтобы 3D-модель была технологичной и хорошо подходила для печати, заранее проверьте несколько ключевых моментов:

передавайте модель в STEP/STP или качественном STL;
проектируйте деталь одним замкнутым телом;
не делайте стенки и функциональные элементы тоньше 1 мм без необходимости;
закладывайте допуски 0,1–0,2 мм на сторону для сопрягаемых деталей;
избегайте тонких защелок поперек слоев;
не рассчитывайте на качественную мелкую резьбу при FDM/FFF-печати;
для длинных тонкостенных деталей заранее продумывайте деление на части или другую технологию производства;
учитывайте усадку материала, особенно на крупных деталях;
добавляйте фаски и скругления, если это не мешает конструкции;
помните, что зоны контакта с поддержками могут отличаться по качеству поверхности.

Эти рекомендации являются общими. Если изделие по какой-либо причине нельзя оптимизировать под печать по одному из пунктов выше, мы готовы рассмотреть задачу индивидуально, подсказать технологичный вариант и помочь выбрать подходящий способ изготовления.

Обсудить проект

Мы открыты к диалогу и готовы обсудить детали вашего запроса: сроки реализации, требования к изделию, материал, технологию печати и стоимость работ.

Сайт: https://npp-asti.ru/
E-mail: zakaz@asti-3d.ru
Телефон: +7 982 330 70 79
Telegram: https://t.me/asti_3d

Нам доверяют

Мы работаем по всей России: с малым и средним бизнесом, крупными заводами и частными лицами. При необходимости заключим договор, подпишем NDA, выставим счет с НДС или без НДС.

Благодаря опыту специалистов мы подбираем технологичное решение под задачу заказчика и помогаем получить изделие, которое соответствует требованиям к геометрии, прочности, внешнему виду и срокам изготовления.

Подробнее о наших компетенциях в презентации:

3D-модели под печать. Требования, особенности, рекомендации