3D打印机喷嘴口径大比拼:0.4mm vs. 0.35mm vs.其他

拥有两台不同口径的3D打印机,我希望能将自己的第一手使用经验分享给大家,在选型、使用上说说我的感受。我拥有一台0.4mm喷嘴直径的Up!3D打印机,以及来自于Type A Machine的口径为0.35mm的3D打印机。显而易见的,大的口径压出的ABS素材丝线比较粗,小口径则拉出更细的素材。不过在具体使用的时候,不同口径确实还会导致一些不同的情况,下面就是一些细节说明:

3D_Printer_with_Diff_Nozzle_Dia

  1. 和口径大小不相关的东西:
    • 3D打印耗材原料以及尺寸:
      只要在你的打印机可以接受范围之内,任何材料、任何尺寸的耗材都可以使用,并不会影响到最后突出的丝线的粗细。我一般使用1.75mm直径的耗材,购买非常容易。ABS或者PLA也和喷嘴口径没有关系。
    • 机器架构:
      喷嘴的口径和整个系统结构没有关系。绝大部分的RapRep系统拥有X-Y-Z三轴直线运动系统。在它的最上放一般就是喷嘴以及加热模块的安装位置。理论上讲,只要你能够找到尺寸以及电路相互兼容的喷嘴,你可以很容易的对他们进行替换,从而获得不同的口径。
    • 软件:
      同样的软件将涵盖各种不同的喷嘴口径。当然你需要对参数作出一些修改,毕竟不同口径的喷嘴导致单位时间内能够喷出的耗材量是不同的。另外,由于大口径的喷嘴吐出比较粗的丝线,打印作品的层高设置也要相应大些。
  2. 大口径喷嘴的3D打印机在这些方面占有优势:
    • 打印速度较快:
      这个应该很容易理解,因此大口径喷嘴吐出的耗材较粗,减少打印的层数,从而减少了喷嘴需要移动的总距离。
      Different_Layer_Height
    • 对打印平台的“抓地力”更强:
      这个有趣的现象是在我深入地使用过两种不同打印机以后的总结。由于小口径喷嘴拉出较细的丝线,一旦离开高温喷嘴,较容易在空气中冷却硬化从而失去粘性。反之,大的喷嘴吐出较粗的材料,相对能够保持较长时间的高温,使其在冷却前和打印平台充分接触粘连。
    • 对支撑结构要求较小:
      这个特性其实归根结底是和上面的相同原因。不同的是,上面是讲“抓地力”,即对最底下打印平台的粘连度,而这里讲的是对刚刚完成的那层塑料的粘连度。大口径喷嘴突出的丝线保持相对久的高温,其粘连性相对细的丝线大,因此即便新的一层相对下面一层有一定程度悬空,也能较好地保持结构完好。小口径的打印机相对而言能够容忍的悬空度相对较小,这样就不得不打印支撑结构。
    • 完成任务可靠度较高:
      这是从统计的角度得出的结论。在故障率相同的前提下,能较快完成任务的机器发生故障的可能性相对较低。一般廉价的RapRep社区的3D打印机不具备闭环控制系统,仅仅知道不断地往下一步走,直至完工。任何地方发生错误,比如电动机跳了一个齿,送料器堵塞等等,都会导致故障而废掉之前的打印。
  3. 小口径喷嘴的3D打印机这这些方面更胜一筹:
    • 更加细腻的表面处理:
      下面的这张照片可以解释一切:
      Nozzle_diameter_smooth_finish
    • 打印品硬度较高
      如果你使用电钻在大口径喷嘴打印作品上钻个孔,你会感觉像在豆腐上钻孔。而且作品本身给人感觉似乎“可以挤压弯曲变形”。而小口径作品上则没这种感觉。我觉得这应该是其内部结构所决定的,小口径打印机完成同一作品所需要的层数较多,所以造成更加密致的内部纵横交织结构,所以作品整体更加结实。
  4. 不管口径如何,3D打印机在这些方面表现都很差劲:
    • 打印精度
      千万不要指望RapRep的3D打印机可以制造精确的物件。尽管其XYZ3轴运动系统可以较精确地控制喷嘴的位置,但是对喷嘴中挤压出的丝线是否粘在准确的位置完全没有控制,更不用说塑料在冷却以后还会收缩。

简而言之,我在决定用哪一种口径尺寸的打印机来完成任务是,基本依循下面的基本法则:

  • 如果我十分急需这个打印作品,我选择大口径喷嘴
  • 如果我更加在意打印作品的表面纹理,我使用小口径喷嘴
  • 如果我必须让机器通宵作业,而且不希望第二天一早拿到是失败的作品,我倾向于大口径喷嘴
  • 如果作品表面有很多重要细节,我考虑小口径喷嘴

DIY为3D立体打印机制作加热工作平台(Heated Build Platform)

先来看一段这块加热平台完成以后的工作视频(链接)!这个Heated bed是为Type A Machine Series 1这款3D立体打印机设计的,但是相同的方法可以用于任何平台的打印机。

买了Type A Machine Series 1这台3D立体打印机有一段时间了。十分喜欢其巨大的“肚量”,可打印尺寸可以大到230mm x 230mm x 230mm(9英寸x9英寸x9英寸)。相比市场上的很多竞争对手来说,确实属于大块头了。当然更不用说其相当有竞争力的价格。不过话又说回来,这么多优 点都是有代价的:缺乏关键的加热工作平台是他的一大软肋。这往往导致用ABS材料的打印作品有严重的边缘翘起(corner lifting, curling, warping)现象,造成作品完全无法使用。

HPB_3d_print_corner_lifting_curling

图1,网上收集到的各种打印后边缘翘起的图片。

这里需要解释一下,为什么加热平台可以避免打印品边角翘起。主要是因为热胀冷缩。比如ABS塑料在打印的时候喷嘴温度高达到240摄氏度将耗材熔 化。拉丝成形后,ABS温度降至室温并开始变得十分坚硬。随着温度而来的就是体积的略微缩小,之所以说ABS形变要大于PLA,除了PLA的熔点 (150ºC)较低以外,ABS的热膨胀系数也要大于PLA。当整个ABS部件的体积大到一定程度时,微小的收缩累计起来造成较大的形变位移,使得最不牢 固的地方,既底部和打印台接触的地方,产生了翘起现象。所以,如果平台维持一定的高温,通常是100摄氏度甚至更高,那打印好的部件收缩程度要大大减少, 有利于在整个打印过程中维持原型。

3D打印的边缘翘起问题很长时间以来一直困扰着我。如果你经常使用PLA作为打印材料,或者用ABS打印小尺寸的作品,也许你不用担心这个问题。反 之如果像我一样,经常使用ABS打印大尺寸的部件,边缘翘起就会变成一个重要课题。我时不时需要打印体积大于100mm x 100mm x 100mm尺寸的部件,不巧PLA又不符合我的需要,所以为我的3D打印机添加一个加热工作平台(Heated Build Platform)看来是必须的了。

由于很幸运地可以使用数控机床,所以我直接使用1/8英寸(3.175毫米)厚的铝薄板。把板加工成打印平台之前,你需要知道大小尺寸等。生产 Type A Machine Series 1这家公司将几乎所有各项尺寸图公布了在网上,可恰恰不透露打印平台的数据。所以——只好自己量了,好在用不着过份精确。

HPB_Aluminum_Sheet_For_HBP

图2,铝薄板已切好合适的大小准备数控机床打孔。

HPB_Mill_Slot_On_Corner

图3,空有点打得难看,使用数控机床还不够熟练。孔边缘用counter sink削去了棱角以防划伤。

在我上一篇“DIY将家用小烤箱改装成电路板回流焊接炉(reflow oven)”里,我讨论了如何使用单片机,热偶式温度传感器以及继电器来控制家用小烤箱的温度。现在转变成要控制这块铝薄板的温度,其实是一回事情。大部分东西可以直接拿来用,需要变化的是,加热源和继电器。我使用TE的10欧姆16W金属电阻和Fairchild的N通道场效应管FQPF33N10L。这款N-Channel MOSFET只需要2V左右的栅极电压,因此可以直接用单片机的逻辑电平控制。

HPB_Metal_Clad_Resistor_HBP

图4,发热电阻用螺丝钉在了铝板背面。建议安装前贴一层导热胶布以便更好的热传导效果。

HPB_8_Metal_Clad_Resistor

图5,一共8个电阻以并联两组各4个串联的方式连接。因为这样需要的接线最少。4个串联的10欧姆/16瓦电阻需要至少48V的电压来驱动才能获得 最高的热功率输出。每个电阻需要1.2A的电流,既耗电14.4瓦。总共加起来需要48伏/至少2.4安开关电源。实际的测试显示铝薄板在室温下维持 100摄氏度的高温差不多耗电150瓦左右。另外,途中棕褐色的细线是热偶式温度传感器。用来向单片机通报实时温度值。

HPB_N_MOSFET_Switch

图6,N通道场效应管已经连到了单片机上。建议在单片机管脚后串联一个100欧姆的电阻,以避免震荡电流击毁单片机管脚。其余连线很简单:N MOSFET是地位开关,所以将48伏的电源输出端直接接到电阻负载上,电阻负载另一端接到MOS管漏极,源极接地。

HPB_Print_Flat_Base_No_Corner_Lifting

图7,好了,这里是一张在加热平台上完成的3D打印作品。可以看到四边平直地贴在平台上没有翘起。

HPB_Big_Print_Result

图8,这张图里是目前为止我打印过的最大尺寸的部件。耗时可谓“旷日持久”,不过结果很好。加热工作台确实很好地发挥了作用。另外你还可以看到,现在我可以打印“可剥离”的底座。下回我会讨论如果3D打印“可剥离”的底座。

如何用Slic3r生成3D打印的可剥离支撑底座

首先来看一段如何将3D打印完成后的辅助支撑底座剥离的视频。如果你觉得很需要这个可剥离的底座来实现完美平直的打印品底面,那就请按照我后面的步骤操作即可。

3D打印作品时,在打印平台上先打出一个支撑底座是一个很实用的操作,其优点显而易见:底座将作品抬离平台,有助于保持作品底面的平整,平台上任何 痕迹不平整等问题不会影响到作品;因热胀冷缩而产生的边角翘起问题只会影响底座,而不会影响到在底座上方的打印品。但是用相同材料相同机器打印出来的底座 如何能很容易的和上方的作品剥离,是一个令人头痛的课题:一方面你希望底座可以牢固地支撑起上方的作品,不会产生作品边角翘起现象;另一方面,你又不希望 底座和作品粘连得太牢固而无法分离。那有没有办法同时实现这个貌似相悖的想法呢?答案是肯定的,至少有一个现成的产品已经做到了这点:UP!3D打印机,其最出名的就是可以打印可剥离的底座。

UP!3D打印机虽好,可它不属于RepRap开源社区的一分子,也就意味着它如何实现可剥离底座的算法是不公开的。我仔细检查了UP!3D这款打印机,除了一般打印机都具备的零部件以外(喷嘴,XYZ三维轴承,加热打印平台),它并没有什么特别之处。那看来其神秘之处就藏在软件里了。最近欣喜地发现开源社区的层切软件Slic3r在新版0.9.9里面增了一个“Raft”功能,我决定用我的Type A Machine Series 1来试一试看看这个Raft是不是我想要的可以剥离的底座。如果我成功了,你可以同样地复制在你的打印机上。

3D_Print_Raft_CN

图1,用Repetier-Host可视化出来带底座打印模型(左),无底座打印模型(右)以及用UP!3D打印出来的带底座作品。

看到最左边的图片就开始令我兴奋不已了,至少这是Slic3r破天荒第一次生成了非常类似于UP!3D的支撑底座!接下来的问题就是,这个辅助底座是不是很容易剥离?那就用我的机器打打看了!

Raft_No_Removable_CN

图2,结果有点令人沮丧。我的打印模型背面有一大块属于底座的部分残留着,非常牢固,无法剥离。

那让我们看一看这个新的Slic3r生成的底座部分g-code到底是什么样的。我还是推荐使用Repetier-Host来 可视化,它可以帮助你将g-code一层一层分开显示,十分有助于全面了解打印整个过程。我只做了一个十分简单的矩形体,大小为44.45毫米 x 44.45毫米 x 5.08毫米,打印层间距设为0.2毫米,支撑底座高度设为49层。下图是Repetier-Host上看到的结果(使用了photoshop处理了截 图)。

3D_Print_Gcode_Analysis_CN

图3,如图所示,最下方为一层底层,然后是49层底座,49层中最上方的3层被设置为实心层,Slic3r里称之为接触层(interface layer)。可以看到,这个接触层的最上面一层距离下面一层的距离只有0.129毫米,而非所设置的0.2毫米。另外,在这个接触层和模型之间,有一层 额外的分割层(separator layer),这是由Slic3r自动生成的,距离下方的接触层顶层0.321毫米。看起来Slic3r是想将底座最顶部的3层实心接触层贴地很近地打印 从而做出一个十分坚固的底座,而将上方的分割层开始的模型分开一定距离打印,从而实现“可剥离”。

这确实是不错的想法!因为3D打印最基本的原理就是通过将塑料耗材(ABS或者PLA等)高温融解后相互粘织在一起而形成各种形状。当两层之间的距 离相当近的话,他们之间的粘连度也就更高;反之亦然。可是Slic3r在这个思想指导下所生成的gcode为什么就不能完全实现该有的效果呢?至少图2里 面只有一部分底座是容易剥离的,其他的十分牢固地黏在打印作品上。所以我决定将分割层和底座的距离再次拉开0.1毫米试试。同时,考虑到耗材的粘连度和喷 嘴融解温度也是有关的,如果用较低的温度(比如200度而不是平时的235度)打印分割层,则有助于减小分割层和底座的粘连性。可惜Slic3r的 0.9.9版还不支持我的想法,我只能自己写了代码自动修改Slic3r生成的gcode。我使用下面的gcode来调控温度:

M109 S200 ; 设置新的温度,并停下等待直到达到该温度。
M109 S235

实际使用来看,喷嘴需要差不多一分钟的时间在两个温度之间升降。我同时还观察到,喷嘴在等待温度变化的过程中,有一定量的耗材会滴出喷嘴,所以我插入了一段代码让喷嘴在等待之前先升高一定的距离,这样有助于清理而不至于让他们粘在底座上。

Increase_Distance_Raft_Model_Change_Nozzle_Temperature_CN

图4,左边显示了被扩大的缝隙,可以在Repetier-Host里看到。右图青色的线条是喷嘴行走的轨迹。下面这段视频展示了我自己编写插入的代码是如何在Type A Machine Series 1上工作的。

最后来看看我的可剥离底座实物图!

Peel-able_3D_Print_Raft

图5,现在的底座可以剥离了!希望有一天Slic3r可以将我的想法实现到他们的新版本中!