【打印虎】Prusa i3 3D打印小花纹研究

桌面级3d打印机Prusa i3的优势就在于可以方便地打印小巧的部件或玩具。对于非功能性物件来说,在小巧的基础之上,设计繁复精密的花纹也是乐趣所在。而3d打印机能够胜任多小多精细的花纹,这是一个值得探究的问题。

首先来看一件“雪花”模型(模型可以从打印虎网站3D打印模型库下载)的打印效果:

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原模型图案:

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可以看到,所有棱角处理都不够透彻,中心密集区域变形较大。排除打印机自身调平问题,使用Repetier-Host软件,列出模型相关参数,如下:

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另外显示打印路径:

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雪花模型在选定比例下,x、y大小不足50mm,花纹间隙甚至接近1mm。

所用打印机相关配置是这样的:

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那么,问题来了,使用相同的配置,在0.4mm的挤出头的条件下,3d打印机能够胜任多小多精细的花纹?

为了直观了解打印机打印精密花纹的能力,这次就针对于平面图形的打印情况,选取一个典型模型,进行打印比较。

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这是“符号与字母模型”(打印虎网站3D打印模型库可以下载)里的大写字母“B”模型,选择字母上半部分孔隙作参考,即下图红线标注部分。

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图中红线标注的参考线长度大约26mm,按照逐次减小比例的顺序进行打印考察,层数就统一设置为4层。注意,参考线并不是随便选取的,而是考虑了打印路径之后,选择的时间上相邻并且平行的两条路径间的垂线。

第一次选择0.4的比例,此时参考线长度约为12mm:

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结果分析:边角处理很到位,图形比较标准。

第二次选择0.2的比例,此时参考线长度为6mm:

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结果分析:边角处理有所降低,出现小范围连丝现象,表面处理效果降低。

第三次选择0.1的比例,此时参考线长度约为3mm:

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结果分析:边角变得圆滑,图形开始扭曲,表面出现了明显的打印缺陷;连丝的坏影响也被放大了。

第四次选择0.05的比例打印,此时参考线长度约为1.5mm:

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结果分析:只能大概看出轮廓,连丝影响很大,表面已经坏掉了,或者说,整体上它已经坏了。

第五次选择0.04的比例,此时参考线长度约为1.2mm:

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结果分析:意外地变得很清爽了,但是不说不一定能知道这是字母B;从图形上来说它有点失败,而作为一个超小打印件,它的得分可以比上面那个高。

再往下,选择0.03的比例的时候就没有办法打印了。可知,对于这种平面图形模型,间隙在1.5mm以下的时候,尽管挤出头和步进电机理论上都满足打印条件,但在多种因素的共同影响下,实际打印出来的物体已然模糊不清。因此,打印时估算花纹间隙,使之大于一定数值,是保证花纹足够清晰的必要条件。

另外,值得注意的是,使用Repetier-Host软件进行切片的话,软件自身会对切片尺寸做出限制。对于上面所使用的字母“B”模型,在0.03的比例下切片,得到的是一片空白;在0.032~0.04的比例下切片,得到的是不完整的图形。如下图,是0.038的比例切片:

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单从图形效果来看,跟上面0.04比例打印出来的有点像啊。这是不是说明实际打印尺寸最小值要大于切片尺寸最小值?

如果花纹附着在物体表面,这种情况下结果又会怎样呢。不妨利用Repetier-Host软件进行切片实验,选取”个人标识”模型:

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该模型为15mm*15mm的方块,表面附有“KG”字样,两个字母长度约12mm,宽度约为6mm。红线标注部分作参考线,长度约为2.5mm。选取较小比例进行切片,在0.27的比例时:

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经过计算不难发现,在参考线长度小于0.8mm(近似值,仅供参考)的时候,进行切片时图形就无法正确显示了。

比较有趣的是,对于类似下图“笼子网格”的方格类模型来说,方格长度小于2mm时就无法正确切片了。

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无论是多个网格密集在一起切片,还是单个方框拿出来单独切片,结果都是一样的。

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上图是“第一柔性标示”里的方框模型,中间参考线长度约为15mm,在0.13的比例下切片是一片空白,在0.14的比例下则能完好切片。下图是0.136的比例:

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而三角形类模型则略有差别,在非常小的比例切片才会出现空白,该比例之上会出现不完整的现象。下图的模型是“第一柔性标示”里的三角形框模型,参考线长度约为12mm。

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在0.11的比例切片是空白的,在0.12~0.16的比例切片则是非常不完整,0.17以上切片结果就比较完好。下图是0.16的比例切片:

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圆形类模型情况也大体相同。下图“第一柔性标示”里的圆形框模型,参考线长度约为14mm。

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在0.131的比例切片是空白,在0.132~0.134的比例切片结果较不完整,0.134比例以上比较完好。下图是0.134比例切片结果:

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另外,对Repetier-Host软件来说,进行切片时对最小尺寸的限制与挤出头大小是没有关系的,即使把软件设置里的挤出头大小改为0.2mm,切片的最小尺寸也是和0.4mm时一样。挤出头大小影响的只是打印效果。

根据以上所述,可以得到以下结论:

(1) 实际打印出来的图案在很小尺寸的情况下难以保持完整清晰。

这跟挤出头尺寸有关,同时受打印机调平影响比较大。总的来说,想要得到清晰的花纹,花纹间隙最好不要小于2mm,进行小巧玲珑的物体打印时,别忘了估算这一点。

(2) 软件切片是有最小尺寸限制的。

这应该是软件系统决定的。更深层次,就是切片算法,这是一个复杂的学术性问题。实际上,就算软件在微米级上能够切片成功,目前的打印机也无法打印出来。

(3) 切片之后观察打印路径,会发现一些规律。

比如U字形路径切片的最小距离会比三角形或圆形路径切片的最小距离稍大。根据这个规律,是不是在设计图形时,减少方格数目,改用圆形或三角,会让打印效果更好一点呢?

在玩转3d打印的时候,为了打印出理想的实物,细节部分考虑再多都不为过。精益求精,不断地试验研究,才能打印出更加精致美丽的物品,让自己的创意更加淋漓地发挥!

最后,如果您对3D打印机切片或者打印方面有任何问题,都可以在打印虎3D打印问答社区提问。在打印虎3D打印问答社区,所有问题都会得到认真详细的解答。祝大家玩机愉快,每天都有好心情。