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

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!