W przygotowaniu

nr 5-6(25-26) 2017
dostępny
po 29.12.2017

Wydanie aktualne

nr 3-4(23-24) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

Wydania archiwalne

nr 1-2(21-22) 2017
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

nr 1-2(19-20) 2015
dostępny w pdf, wydanie flash tuta

numer 1(18) 2014
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(17) 2013
dostępny w pdf, wydanie flash tutaj

numer 1(16) 2012
dostępny
w archiwum, wydanie flash tutaj

numer 1(15) 2011
dostępny
w archiwum

numer 4(14) 2010
HD dostępny
w archiwum

numer 3(13) 2010
HD już dostępny
w archiwum

numer 2(12) 2010
dostępny
w archiwum

Obserwuj @CADblog_pl

Piątek, 22.01.2016 r.

Maciej Stanisławski
Artykuł dla czasopisma „STAL. Metale i Nowe Technologie", wydanie 1/2016

Nazwa „STL” pochodzi od terminu „stereolitografia”, oznaczającego pierwszą technikę „druku 3D”, czy inaczej: szybkiego prototypowania. Charles Hull, założyciel 3D Systems, swój pierwszy projekt (filiżankę do herbaty, dla żony) wydrukował na prototypowym urządzeniu już w 1983 roku, ale dopiero dekadę później na rynku pojawiła się pierwsza drukarka 3D, wykorzystująca wspomnianą stereolitografię (SLA). Technologia, w której fotopolimer nakładany warstwa po warstwie poddawany jest utwardzaniu za pomocą światła lasera UV, umożliwiła tworzenie pierwszych, dość skomplikowanych prototypów. Choć wciąż posiadająca jeszcze liczne wady i słabości, pierwsza drukarka 3D SLA była przełomem w prototypowaniu, przyspieszając znacząco czas produkcji modeli nowych części maszyn lub urządzeń. A technologia ta wykorzystywana jest do dzisiaj.

O ile Charles Hull najwyraźniej przewidział dynamikę rozwoju drukarek 3D i powstanie nowych technologii szybkiego prototypowania, o tyle producenci systemów CAD przez długi okres ograniczali się w swoich systemach jedynie do implementowania możliwości eksportu pliku do formatu STL. To było jedyne udogodnienie dla osób, które chciały zamienić swój cyfrowy model 3D w materialny przedmiot, w wydrukowany prototyp. Z drugiej strony trudno mówić o udogodnieniu, bo po pierwsze STL szybko po oficjalnym wprowadzeniu w 1989 roku stał się jednym z obowiązujących w branży standardów formatu 3D (obok STEP, IGES etc.) – w zasadzie każdy, nawet najprostszy system CAD 3D, obsługuje ten format; a po drugie – obsługa tego formatu w wielu sytuacjach sprawia użytkownikom wiele problemów. Dlaczego?

Otóż format STL jest triangulacyjnym (trójkątnym) przedstawieniem geometrii powierzchni w przestrzeni trójwymiarowej. Każda powierzchnia podzielona jest na szereg małych trójkątów, a następnie każdy wierzchołek trójkąta opisany jest przez 3 punkty reprezentujące ich położenie względem osi współrzędnych. Brzmi skomplikowanie i tak jest w istocie, a sama konwersja powierzchni uzyskanych w systemie CAD na szereg połączonych ze sobą trójkątów (im są one mniejsze i jest ich więcej, tym dokładniejsze odwzorowanie kształtów można uzyskać) stanowiła wyzwanie dla programistów opracowujących nowe CADowskie rozwiązania.

Rys. 1. Odwzorowanie powierzchni wydrukowanego modelu 3D zależy od stopnia triangulacji
(wielkości trójkątów użytych do opisania geometrii...)

Ilość i wielkość trójkątów w pliku STL określana jest w zależności od złożoności powierzchni. Przy tworzeniu pliku STL z typowego systemu CAD, ilość i wielkość trójkątów można było kontrolować najczęściej za pomocą poniższych parametrów:
• tolerancja/odchylenie – oznaczała maksymalną odległość pomiędzy oryginalną powierzchnią z pliku wyjściowego, a tą utworzoną z trójkątów,
• kontrola kąta – związana z odchyleniem między sąsiadującymi ze sobą trójkątami. Parametr ten  pozwala na zwiększenie lub zmniejszenie podziału modelu na trójkąty (tzw. teselacji – za ŚwiatDruku.pl),

Źródło problemów
Do niedawna (a często nadal) każda konwersja pliku z modelem 3D, zapis na inny niż natywny format, oznaczała ryzyko utraty jakości, danych, pojawienia się błędów powierzchni, krawędzi, krzywizn etc. Podobnie dzieje się w przypadku zapisu do formatu STL. Jeśli nasz model zawiera otwory, puste wewnętrzne przestrzenie, szczeliny w powierzchni – prawie na pewno wystąpią błędy w czasie jego „materializacji”. W zasadzie jedynym pewnym sposobem kontroli geometrii STL (przed wysłaniem pliku do drukarki 3D) było skorzystanie z dodatkowego oprogramowania, które nie tylko potrafiło przetestować model/plik, ale nierzadko także usunąć nieprawidłowości. Do niedawna, gdyż od kilku lat możemy zaobserwować wzrost zainteresowania technikami szybkiego prototypowania/druku 3D ze strony dostawców rozwiązań CAD/CAM. Użytkownik nie jest już „skazany” na wykorzystywanie formatu STL i posiłkowanie się dodatkowymi aplikacjami.

AMF i 3MF
Dane zawarte w STL nie obejmują takich parametrów, jak rodzaj materiału, orientacja i pozycja modelu w przestrzeni, kolor, ewentualne tekstury obecne na jego powierzchni etc. Kiedyś parametry takie w zasadzie nie miały znaczenia, ale rozwój technik druku 3D wymusił w końcu poszukiwania nowego rozwiązania. AMF (Additive Manufacturing File Format) i 3MF (3D Manufacturing File Format) to nowe formaty zapisu, które mają realną szansę szybko zmarginalizować rolę STL obecnego od ponad 25 lat na rynku. Coraz częściej najnowsze wersje systemów CAD 3D pozwalają na zapis do jednego z powyższych lub obu... standardów. Oba przedstawiają geometrię modelu w oparciu o XML, oba pozwalają zapisać w zasadzie wszystkie współcześnie istotne parametry. 3MF rozwijany jest przez Microsoft, a wspierają go takie firmy, jak NetFabb, Shapeways, Materialise, Stratasys, 3D Systems, SIEMENS, HP, Autodesk i Dassault Systemes. W rozwój AMF, spośród producentów CAD, zaangażowane są przede wszystkim Autodesk i DS SOLIDWORKS...

Mamy już lepszy format zapisu, co dalej?
Najnowsze wersje oprogramowania CAD nie tylko zapewniają obsługę 3MF i/lub AMF (o STL nie wspominając), ale zawierają także szereg wbudowanych narzędzi i funkcjonalności, znakomicie ułatwiających przygotowanie modelu 3D do druku. Jakich?

Rozesłałem ankiety do dostawców rozwiązań CAx, z pytaniami dotyczącymi funkcjonalności wspomagających druk 3D, a obecnych w oferowanych przez nich systemach. Otrzymałem zaledwie kilka odpowiedzi, ale pozwalają one na uzyskanie dosyć dokładnego obrazu sytuacji, w jakiej obecnie znaleźli się inżynierowie-projektanci.

Okazuje się, że wcześniejsze wersje systemów nierzadko pozwalały na poprawę jakości obiektu STL.

NX 10 i NX 11
W przypadku rozwiązań Siemens PLM Software, a dokładnie NX 10 (narzędzia NX Shape Studio, dostępne z poziomu interfejsu użytkownika), możliwe było wygładzanie powierzchni, zaślepianie ubytków, dzielenie, upraszczanie kształtów modelu. Dalsze funkcjonalności obejmowały także pogrubianie i wyciąganie podzielonych ścianek obiektu STL, rozpinanie krzywych na obiekcie STL (możliwość aproksymacji i poprawy jakości krzywej), rozpinanie powierzchni bezpośrednio na obiekcie STL (możliwość aproksymacji i poprawy jakości powierzchni), generowanie krzywych przekroju na STL i ich wygładzanie. Możliwe było także nanoszenie kolorów na obiekt i wreszcie – analiza odchyłki wykonanej bryły od obiektu, ale wszystko to dotyczyło pracy z formatem STL.

Dopiero NX 11 oznacza zdecydowaną zmianę podejścia do zagadnień druku 3D – w obszarze NX CAD można spodziewać się nowych funkcjonalności ułatwiających projektowanie lekkich struktur (plaster miodu itp.), automatyczne modelowanie podpór dla wydruków 3D w technologiach, w których takie dodatkowe struktury nośne są niezbędne, obsługę wielu nowych rodzajów materiałów (powszechnie używanych w rapid prototyping/rapid manufacturing). W NX CAE zadbano o narzędzia do optymalizacji modelu, obliczania i analizowania skali deformacji, wpływu temperatury podczas wydruku, kontroli mocy lasera etc. Wreszcie NX CAM dostarczy m.in. wyspecjalizowane narzędzia do obsługi wieloosiowych urządzeń pracujących w technologii addytywnej, hybrydowej itp. Wszystko powyższe oznacza oczywiście także obsługę formatów 3MF i AMF.

Rys. 2. Przedsmak tego, czego osoby korzystające z rozwiązań do druku 3D mogą spodziewać się w NX 11,
dała konferencja PLM Europe 2015. Ale zaprezentowano chyba tylko ten jeden slajd na temat
„Integrated Additive Manufacturing”

Specjaliści działający w szeroko rozumianej branży druku 3D powinni już teraz zacząć interesować się możliwościami NX w tym zakresie, chociaż nadal brakuje dokładnych informacji o wszystkich możliwościach najnowszej wersji NX 11 (czekamy dopiero na jej premierę, ale garść informacji na temat możliwości obsługi druku 3D w NX 11 można znaleźć tutaj, w relacji z konferencji PLM Europe 2015).

DS SOLIDWORKS
W przypadku najnowszej dostępnej wersji oprogramowania SOLIDWORKS 2015 (uruchomionego w środowisku Windows 8.1), użytkownik z poziomu głównego menu może wybrać zakładkę Plik > Drukuj3D, aby otworzyć interfejs drukowania 3D (na rys 3). Wystarczy wybrać z rozwijanego menu jeden z popularnych modeli drukarki i podgląd naszego model zostanie wyświetlony w obszarze roboczym wybranej drukarki. Teraz mamy dostęp już nie do parametrów tolerancji i kąta odchylenia, ale możemy zmieniać ustawienia takie, jak skala wydruku, ilość warstw podporowych, czy wypełnienie modelu. System pozwala nam dostosować orientację modelu do objętości druku 3D, identyfikuje ściany wymagające podparcia i zapewnia obsługę formatu AMF (zapis nie tylko plików pojedynczych części, ale i złożeń do tego formatu). Nie otrzymałem informacji na temat obsługi formatu 3MF.

Rys. 3. Narzędzia wspomagające druk 3D w SOLIDWORKS 2015
są bardzo rozbudowane, ale już użytkownicy
wcześniejszych wersji
mieli powody do zadowolenia...

Rys. 4. Okno dialogowe ustawienia orientacji
drukowanego modelu. SolidWorks 2012...

PTC Creo
Również użytkownicy systemu PTC Creo parametric 3.0 (dawniej znanego jako Pro/Engineer) mają ułatwione zadanie, jeśli zdecydują się przygotować model do druku – prowadzeni są w zasadzie „za rękę”. Z poziomu wbudowanego interfejsu użytkownika mogą dobierać materiały i kolory. Następnie ustalają dokładność wykonania i umieszczają drukowany model w zasymulowanym rzeczywistym obszarze roboczym drukarki (wizualizowany jest model wraz z wymaganymi podporami).

Na tym etapie użytkownicy mają możliwość prześledzenia wirtualnie wydrukowanego modelu za pomocą przekrojów – pozwala to na dokonanie oceny ewentualnych wąskich szczelin i cienkich ścianek (węższych i cieńszych, niż wymagane).

System przekazuje także informacje o szacowanej ilości zużytego materiału do budowy modelu i materiału zużytego na podpory, oraz informację o czasie potrzebnym na wydrukowanie modelu. Po wszystkim model może zostać przesłany bezpośrednio drukarki marki Stratasys. Tutaj również nie uzyskałem informacji na temat obsługi formatów AMF/3MF...

Inne...
Okazuje się, że nie tylko dostawcy droższych rozwiązań reagują na potrzeby użytkowników korzystających z urządzeń do szybkiego prototypowania.

W ofercie firmy Usługi Informatyczne Szansa można znaleźć oprogramowanie formZ, które służy do profesjonalnego modelowania 3D – umożliwia w pełni parametryczne, dynamiczne projektowanie oraz modelowanie obiektów 3D – i które w wersjach formZ pro i formZ jr posiada wbudowane narzędzie „Print Preparation”, służące do przygotowania modelu do wydruku na drukarce 3D. „Print Preparation” znajduje i podświetla w modelu elementy, które mogą być potencjalnie problematyczne podczas wydruku na drukarce 3D. Program nie wprowadza automatycznie żadnych zmian w modelu, pozwalając użytkownikowi na wprowadzenie ewentualnych poprawek. Po uruchomieniu narzędzia, należy wybrać warunki, które mają być sprawdzone. Następnie program podświetli te obiekty, które nie spełniają ustalonych warunków. Po wybraniu skali wydruku modelu, narzędzie może podświetlić obiekty nie będące bryłami,  obiekty z wnętrzem na zewnątrz, zduplikowane powierzchnie, zbyt małe obiekty, zbyt cienkie obiekty (z możliwością stworzenia przekrojów poprzecznych w celu łatwiejszego znalezienia miejsc, w których obiekty są zbyt cienkie), czy wreszcie zbyt duże obiekty (pozwala na zaoszczędzenie materiału, duże obiekty można w środku wydrążyć).

Również rodzina rozwiązań TurboCAD 2015 (TurboCAD DeLuxe 2015 PL, TurboCAD Pro 2015 PL, TurboCAD Pro 2015 PL PLATINIUM) oferowanych przez firmę CAD Projekt zawiera narzędzia i polecenia wydruku 3D już w podstawowych wersjach programu (z zastrzeżeniem, że druk 3D program TurboCAD DeLuxe obsługuje od wersji v.21, a wersja Pro od v.19.). TurboCAD pracuje na plikach standardu STL i wykorzystuje dodatkowo bezpłatne oprogramowanie Axon (sterujące drukarkami 3D w trybie BFB – bits from bytes); po zainstalowaniu Axon na komputerze, TurboCAD automatycznie przesyła do niego plik STL i dalsze prace z modelem/wydrukiem prowadzimy już z tego środowiska.

Za „free”...
Pojawiło się hasło „bezpłatne”. Istotnie, użytkownicy systemów CAD, które nie zapewniają wygodnego wsparcia dla druku 3D, ale potrafią wygenerować plik formatu STL, mogą skorzystać z wielu narzędzi podobnych do wspomnianego Axon:

• netfabb Basic jest darmową wersją zaawansowanego narzędzia do projektowania obiektowego pod druk 3D. Umożliwia zaawansowane przeglądanie modeli, naprawę i korektę plików STL oraz wyszukiwanie i analizę błędów. Posiada również podstawowy moduł cięcia modeli na warstwy. Oprogramowanie to jest dostępne dla systemów Windows, Linux i Mac. Netfabb jest programem typowo skonstruowanym pod weryfikację plików STL, tak aby mogły być one wydrukowane na dowolnej drukarce 3D. W przypadku, gdy bezpłatna wersja Netfabba nie poradzi sobie z naprawą, można skorzystać z serwisu Netfabb Cloud (https://netfabb.azurewebsites.net/),

Rys. 5. netfabb to chyba najbardziej rozbudowany program wspierający druk 3D, który posiada wersję bezpłatną.
Stanowi doskonałe uzupełnienie dowolnego systemu CAD 3D, który pozwala na generowanie plików *.STL.
Na ilustracji przedstawiony samochodzik rodem z kreskówek, w obszarze roboczym drukarki Ultimaker...

Źródło: netfabb.com

• Slic3r – program, który tnie zamodelowany wcześniej obiekt na warstwy i generuje tzw g-cody, czyli ścieżki po których będzie poruszać się głowica drukująca drukarki,

Rys. 6. Slic3r i ustawienia warstw podporowych drukowanego modelu...

• MeshLab – to kolejne bezpłatne narzędzie do edycji i naprawy istniejących plików STL, optymalizując je pod druk 3D. Posiada takie funkcjonalności, jak czyszczenie i filtrowanie plików STL, jak również renderowanie dużych obiektów 3D,

• STL Viewer i EasyViewStl – proste i szybkie bezpłatne przeglądarki plików STL...

Nie uzyskałem żadnych informacji od dostawców rozwiązań Autodesk, a szkoda. Wątpię, czy nie znalazłoby się coś, czym nie mogliby pochwalić się w tej dziedzinie. Jeśli będą Państwo nadal zainteresowani tematem, będę do niego powracać, więc może przy następnej okazji...

(ms)
 

Artykuł dla czasopisma „STAL. Metale i Nowe Technologie", wydanie 1/2016

Bibliografia:
http://swiatdruku3d.pl/pliki-stl/
http://centrumdruku3d.pl/historia-druku-3d/
http://trojwymiarowo.pl/przygotowywanie-modeli-do-druku-3d
http://blog.grabcad.com/blog/2015/07/21/amf-vs-3mf/
http://www.cadblog.pl/solidedgeblog_PLMEurope2015_CatchBook.htm
http://centrumdruku3d.pl/lista-darmowych-programow-projektowania-druk-3d/

 [ powrót na stronę główną ]

reklama

Blog monitorowany przez: