Бюджетный 3D принтер как конструктор. Такой разный PLA и как им печатать
Низкотемпературный (с рабочей температурой от 180–200°C) филамент типа PLA (Polylactic acid) можно съесть (если сертификат прилагается), а при нагревании ничего вредного он не выделяет (при условии, что в нем нет каких-то непредвиденных добавок), что делает его идеальным для домашнего использования.
Для тестов мы заказали три катушки разного цвета PLA-F от Bing3D (11$/kg), а также катушку зеленого PLA+ (14$/kg) и eSilk-PLA Rainbow Multicolor (19$/kg, с разборной катушкой) eSUN. Эти продукты легко доступны и популярны в Таиланде на онлайн площадке Shopee.
Для начала разберемся с настройкой параметров печати для самого бюджетного филамента Bing3D. Цель проста — использовать материал как лакмусовую бумажку для выявления всех тех проблем печати, которые маскирует более качественный пластик. После повторим те же шаги с филаментом eSun и сравним результаты.
Модель напечатана из одного G-code файла с настройками для Bing3D. Слева направо показаны результаты PLA-F Bing3D (черный), PLA+ eSUN (зеленый) и eSilk-PLA Rainbow Multicolor eSUN (оранжево-золотистый). Как видим, печатать не самым бюджетным PLA проще простого — результат получается сам собой, даже если настройки взяты «с потолка». Кстати, если вы заметили небольшой «дефект» в виде наклонной черточки правее центра на золотистой вазе, то это всего лишь кошачья шерстинка :)
Характеристики
При визуальном сравнении всех трех прутков видно, что черный PLA-F Bing3D чуть тоньше зеленого PLA+ eSUN и оба они заметно тоньше eSilk-PLA eSUN. Притом, на катушках написано »1.75 мм филамент», но в табличке с техническими параметрами диаметр не указан вообще — похоже, производители позволяют себе трактовать это как часть названия. Таким образом, этот параметр надо определять самим и ниже будет показано несколько способов, как это сделать (так что результаты разных методов можно сравнить между собой для уточнения).
PLA-F Bing3D
На катушке написано: PLA-F Bing3D филамент весом 1 кг с температурой печати 210 — 230 °C и рабочего стола 50 — 60 °C или без подогрева.
Только что вынутая из фабричного вакуумного пакета катушка местами намотана не соблюдая слоев и гнутым прутком, так что при раскручивании на держателе без подшипников весело трясется вместе со всем принтером (это можно нивелировать с помощью держателя катушки с подшипниками и направляющей для филамента, как было рассказано в предыдущей статье). Пластик довольно мягкий и не раскручивается с катушки сам по себе.
Измеренный диаметр варьируется около 1.7 мм, заметно отличаясь от ожидаемых 1.75 мм. Для коррекции этого отклонения в слайсере можно настроить толщину филамента, или указать «Flow rate Compensation Factor» 1.7^2/1.75^2 = 0.94. Это значение может оказаться не совсем точным, поскольку мы не измеряли средневзвешенное значение диаметра, а для этого потребуется сделать серии измерений с некоторым регулярным шагом и усреднить все результаты — к счастью, есть способ проще, как будет показано далее.
PLA+ eSUN
На катушке указано: PLA+ eSUN филамент весом 1 кг с температурой печати 205 — 225 °C и рабочего стола 60 — 80 °C или без подогрева.
Пруток намного жестче и ощущается плотнее, нежели Bing3D, при открытии катушки пруток заметно пружинит и раскручивается сам по себе. Намотка выполнена более или менее аккуратными слоями, лучше, чем у предыдущего образца.
Измеренный диаметр прутка меньше ожидаемого и равен 1.7 мм. Для коррекции этого отклонения в слайсере можно настроить толщину филамента, или указать «Flow rate Compensation Factor» 1.7^2/1.75^2 = 0.94. Такой способ вполне пригоден, но для более точной оценки лучше выполнить специализированный тест печати.
eSilk-PLA eSUN
На катушке приведена информация: eSilk-PLA Rainbow Multicolor eSUN филамент весом 1 кг с температурой печати 190 — 220 °C. Измеренный диаметр соответствует указанному. Намотка выполнена ровно — лучше, чем у предыдущих образцов. Сама катушка разборная, значит, ее можно использовать с рефилами.Температура рабочего стола не указана, но у нас при печати на подогреваемом столе с рафтом и без него проблем не возникло. Цвет при печати сохраняется, поверхность выглядит и блестит как шелк.
Измерение шага экструдера (E-step)
Калибровка шага экструдера (E-step) с не слишком качественным филаментом затруднена тем, что пруток местами гнутый и нужно сначала выпрямить его для замера, но не растянуть. Для более удобного и точного измерения мы используем кусочек силиконовой трубки, разрезанной вдоль и закрепляемой зажимом на расстоянии 120 мм от экструдера (чтобы при выполнении измерений трубка не зацеплялась за вертикальную ось) и после протягивания 100 мм прутка в меню принтера измеряем расстояние от трубки до экструдера. Далее корректируем E-Step на принтере согласно полученному значению (вычисляя пропорцию).
Как оказалось, при одинаковых настройках экструдера некоторые PLA филаменты имеют сильно отличающийся E-step, это связано с их мягкостью из-за гигроскопичности — при протягивании они сминаются. Разумеется, это заметно влияет на качество печати, так что, когда измеренный E-step сильно отличается от типичного для данного экструдера, катушку филамента необходимо минимум на сутки отправлять на сушку в коробку с силикагелем. Также, как я писал в предыдущей статье, для PLA низкого качества нужно максимально ослабить пружину экструдера, иначе такой пластик легко перетирается — фактически, приходится следовать рекомендациям для печати гибким пластиком TPU.
PLA-F Bing3D
Филамент активно впитывает влагу, так что E-step за сутки меняется в широком диапазоне 98–108 шагов мотора. Как оказалось, пластик сразу после открывания фабричного вакуумного пакета сначала надо хорошенько просушить пару дней в коробке с силикагелем и только после этого можно пользоваться. В промежутках между использованием хранить только с осушителем, причем сохнет долго, лучше использовать каждую катушку не чаще чем через день. Силикагеля нужно много — от пары горстей на катушку. Хорошо подсушенный пластик имеет значение E-step в диапазоне 98–100.
PLA+ eSUN
E-Step равен 99.7, измерять легко, поскольку пруток прямой и жесткий. Через сутки печати на открытом воздухе повторно измеренное значение E-Step оказалось меньше на 1.5 мм. В комплекте идет пластиковый пакет и пакетик осушителя.
eSilk PLA eSUN
E-Step равен 99.3, измерение выполняется просто, пруток также прямой и жесткий. За сутки печати на улице E-step в пределах нашей точности измерений не изменился. В комплекте идет пластиковый пакет и небольшой пакетик осушителя (меньше, чем у предыдущего).
Настройки печати
Все филаменты разные и для оценки нужных для печати параметров существуют специальные калибровочные модели, многие из которых доступны в расширении Calibration Shapes для слайсера Cura. Этот модуль позволяет напечатать образцы для измерения фактических параметров филамента и необходимых настроек слайсера. Ниже перечислены базовые настройки, которые важны из-за физических особенностей принтера.
Для лучшей повторяемости результатов можно печатать на рафте, так называется добавляемая слайсером подкладка модели, которая снимается с рабочего стола после печати вместе с моделью и легко от нее отделяется. Для тестовой печати стоит убедиться, что принтер способен качественно печатать и без рафта, но добиваться идеала для каждодневной печати может оказаться слишком хлопотно при использовании бюджетного филамента.
PLA-F Bing3D
Для оценки температуры печати используем «PLA TempTower», где каждый этаж печатается и маркируется своим значением температуры, так что остается выбрать наилучшее значение визуально. Наш филамент застрял при печати на 180°C — на 30°C ниже рекомендованного минимума, растрескался при 215°C и расплылся при 220°C (нижний этаж по высоте меньше остальных):
Здесь видна проблема охлаждения экструдированного пластика штатным вентилятором — когда материал не нужно охлаждать (экструдируется на грани застывания), получается лучший результат. Из практических соображений от температуры застывания нужно держаться подальше во избежание засоров сопла, так что остается диапазон 200 — 210 °C в зависимости от скорости печати (для более быстрой печати необходим более горячий и текучий пластик).
Предлагаемые в Cura и Creality Slicer скорости печати несколько отличаются, для мелких моделей с перекрытиями нам подошел вариант Creality Slicer для Generic PLA — 45 мм/с, при котором получаются стабильные результаты. Происходящее легко объяснить — когда печатаемый без поддержки слой не успевает охладиться и перекрывается другими слоями, особенно, если это происходит в замкнутом объеме, он провисает прежде, чем успевает затвердеть (снова та же проблема охлаждения). Для холостого хода сопла рекомендованы скорости 120 и 150 мм/с в Cura и Creality Slicer, но разницы во времени и качестве печати между этими вариантами мы не нашли. Теперь пары тестовых моделей Hinged Calibration Cube и Locked Chest выглядят отлично и одинаково:
Увеличение скорости печати для этих моделей приводит к появлению «лапши» внутри верхней модели. Притом, модели без мелких замкнутых полостей отлично печатаются на скорости 60 мм/с.
Параметр «Retraction Distance» легко определить с помощью Calibration Shapes теста, у нас для штатной Bowden трубки подошло значение по умолчанию в Cura 5 миллиметров, а для Capricon 3 мм. Для Bowden экструдера это значение обычно задается с точностью до миллиметра, поскольку трубка немного движется в фиттингах и параметр должен быть определен с некоторым запасом, но при плотном креплении трубки расстояние можно задавать и точнее. Тест дистанции ретракшена (8 мм сверху, 4 мм посередине) показывает, что нужная нам дистанция примерно равна 3 мм:
«Retraction Speed» в 60 мм/с согласно Creality Slicer (независимо от выбранной скорости печати) обеспечивает лучший результат. При меньшем значении пластик успевает вытекать из сопла, образуя тонкие нити, а большее значение ускоряет перетирание филамента.
Также можно оценить количество ретракшенов, необходимое для печати моделей, используя специальный тест при заданном в слайсере ограничении на 10, 25, 50, 100, 1000 ретракшенов (для использованной в тесте модели нужно 400+ для исключения всех нитей):
Если при печати тестовой модели филамент перетирается в экструдере, то нужно настроить экструдер, как показано в предыдущей статье, или уменьшить допустимое число ретракшенов.
Флаг «Enable Coasting» необходимо включить для компенсации вытекания расплавленного филамента из сопла при холостом ходе. Хотя филамент при ретракшене втягивается обратно, это требует некоторого времени — у нас от экструдера до сопла расстояние почти полметра, а пластик PLA довольно мягкий. При активации флага подача филамента прекращается немного заранее, еще до включения холостого хода — так что давление в сопле уменьшается, филамент перестает вытекать и портить модель. Вот как выглядит ретракшен тест, приведенный выше, без Coasting (слева) и после включении Coasting (справа):
Еще один параметр это «Flow rate Compensation Factor», который отвечает коррекцию потока пластика от ожидаемого. Для PLA рекомендуемое значение составляет 90 — 95%, а выше приведено вычисление этого коэффициента для компенсации заниженного диаметра прутка. И все же лучше его измерить, поскольку точное значение среднего диаметра получить сложно и на поток влияет еще и изменение вязкости пластика в зависимости от температуры и скорости печати. Измеряется коэффициент с помощью соответствующего Calibration Shapes теста, когда все остальные настройки уже сделаны. Для рассматриваемого филамента оптимальное значение 95% вычислено как среднее между визуально идентичными результатами теста для 94% и 96%:
Как показано ранее, диаметр филамента равен 1.7 мм, тогда коэффициент коррекции потока из-за заниженной толщины составляет 1.7^2/1.75^2 = 0.94 и попадает в полученный интервал.
PLA+ eSUN
Тепловая башня «PLA TempTower» выглядит лучше, чем для предыдущего образца, и разница между этажами заключается в визуальной гладкости поверхности. Печать остановлена вручную при температуре 195°C — на 10°C ниже рекомендованного производителем минимума, чтобы избежать возможного застревания пластика при слишком низкой температуре. Вероятно, из-за слабого вентилятора сопла наилучшая поверхность получается при минимальных температурах печати, но ниже 200°C есть риск застревания пластика (хотя в нашем тесте проблем не было, не стоит так делать регулярно). Печать возможна в диапазоне 200 — 210 °C, в зависимости от скорости, при более высокой температуре пластик явно не успевает остывать (при выбранной скорости печати и штатном вентиляторе).
Ретракшен тест без сюрпризов, значение дистанции не изменилось, что и ожидаемо, так как это характеристика принтера. «Retraction Speed» согласно профилю для eSUN PLA+ равен 40 мм/с и проблем с этим значением не возникло.
На фото показаны тепловая башня и ретракшен тест плюс кубик, напечатанный из g-code с параметрами Bing3D (включая коэффициент коррекции потока) для оценки того, как более качественный пластик позволяет использовать параметры, подобранные для менее качественного:
Интересна ситуация с «Flow rate Compensation Factor». Ранее использованный тест теперь не позволяет выбрать значение параметра, поскольку образцы выглядят похоже и блестят — не только фотографировать, но и сравнивать затруднительно:
Значит, пора перейти к тесту посерьезнее: FlowTower Test В этом тесте печатаемые элементы нужно совместить между собой и замерить размеры, так что красивая блестящая поверхность пластика не помеха:
Элементы со значениями потока 104 — 110 собрать удалось, а вот разобрать уже не очень, так что эти значения явно чрезмерные и приводят к избыточной толщине стенок. Начнем с проверки штангенциркуля на мерной пластинке толщиной 0.25 мм:
А теперь можно аналогично замерить и все элементы тестовой башни:
Итак, тест показывает, что для получения точного размера элементов необходимо использовать значение «Flow rate Compensation Factor» равным 96%. И снова это значение близко к поправке на толщину прутка 1.7^2/1.75^2 = 0.94. Для точного совпадения средняя толщина прутка должна быть равна 1.715, что вполне возможно, так как разница 1.715 — 1.7 = 0.015 находится за пределами нашей точности измерения.
eSilk PLA eSUN
Начнем с теста тепловой башни (нижний ярус отломился из-за поспешного снятия после печати). Печать успешно выполнена до температуры на 10°C ниже минимально рекомендованной:
Поскольку диаметр филамента равен стандартному 1.75 мм, возможно, что коэффициент «Flow rate Compensation Factor» не требуется указывать (по умолчанию он равен 100%). Проверим это предположение, используя ранее рассмотренный тест FlowTower Test:
Измерения показывают, что 100% потока соответствуют корректной толщине 4 мм:
Наше предположение оправдалось и коррекция потока для этого филамента не нужна.
Ретракшен тест без coasting выглядит почти идентично предыдущим образцам:
И, наконец, тест с кубиком. Обратим внимание, что мы используем g-code файл с параметрами PLA-F Bing3D, включая коэффициент компенсации потока 0.95. Как показано выше, для текущего образца этот коэффициент равен 1, так что при тестовой печати количество пластика на 5% превышает нужное. И все же результат (справа) выглядит неплохо и отлично функционирует, можно и не заметить проблемы, если только не сравнить его с предыдущим тестом (слева):
А теперь напечатаем сундучок LOCKED CHEST с измеренными параметрами филамента. Нагреватель сопла мы еще не тестировали, но есть все основания полагать, что он тоже не очень хорош, так что нам нужен способ исключить его влияние из тестов. Это легко сделать, уравняв поток пластика — например, указав толщину слоя 0.08 мм при скорости печати 90 мм/с и слой 0.12 мм при скорости 60 мм/с. Конечно, для получения лучшего результата при такой толщине слоя стоило бы поставить сопло меньшего диаметра, но нас интересует именно тест в равных условиях. Если при увеличенной скорости мы увидим большее количество нитей, то это будет определяться исключительно недостатком охлаждения (вентилятором сопла). Внешний вид модели в слайсере:
и готовые модели 0.08 мм и 90 мм/с (слева), 0.12 мм и 60 мм/с (справа):
Действительно, при большей скорости (модель слева на фотографии) заметны волоски пластика, как мы и ожидали. Правая модель выглядит аккуратнее (рудиментарные волоски на ней можно полностью исключить при печати на 45 мм/с). Вывод простой — для печати на скорости выше 60 мм/с даже хорошим пластиком нужно заменить штатный вентилятор. Вероятно, после такой замены мы сможем печатать на скорости в 90 мм/с и самым бюджетным пластиком, хотя для него это производитель вовсе не обещает — быть может, потому, что такой пластик не используют владельцы принтеров с хорошей системой охлажения.
Очистка рабочего стола
Пожалуй, стоит добавить пару слов про подготовку рабочего стола к печати; нам уже довелось это делать много раз для печати разнообразных тестовых моделей. Пластик PLA довольно просто удаляется со стекла и не требует специальных методов и химикатов. Для полной очистки стекло снимается и моется меламиновой губкой с жидким мылом для рук, потом вытирается безворсовым (кухонным) полотенцем. Для регулярной чистки достаточно просто чуть влажной меламиновой губкой с очень небольшим количеством мыла почистить стекло и после протереть полотенцем. В целом, очистка выполняется довольно просто и быстро. Кстати, контуры ранее напечатанных деталей остаются на стекле навсегда и работе не мешают, не стоит пытаться их удалить.
Нагрев рабочего стола
Прилипание модели к рабочему столу зависит от площади основания модели и температуры рабочего стола и сопла. Для моделей с большим основанием повышение температуры приводит к трудностям снятия готовой модели со стола, а для моделей с малым — недостаток температуры чреват самопроизвольным отлипанием от стола в процессе печати. В первом случае симптом очевиден — модель будто бы прирастает к столу, при этом дефектов печати не возникает. Во втором случае у модели основание выгнуто и, зачастую, присутствуют разнообразные дефекты печати. В таком случае дефекты лишь следствие искривления модели, не нужно пытаться их устранить по отдельности. Обычно мы печатаем большие модели на столе 55°C, а маленькие — на столе 60°C и соплом +5°C для первого слоя (используя соответствующую настройку в слайсере). Без нагрева печтатать не пробовали, так как температура на улице, где сейчас работает принтер, меняется от +15°C ночью до +30°C днем, так что фиксированный подогрев рабочего стола желателен для предотвращения его температурных деформаций.
На изображении приведены два результата печати PLA-F Bing3D в одинаковых условиях, где для левой детали температуры стола и сопла для первого слоя соответственно равны 55°C и 205°C (основание и форма модели правильные), а для правой — 50°C и 200°C (основание модели выгнутое и видны различные артефакты формы вплоть до самого верха):
Результаты
Для сравнения напечатаем спиральную вазу Flame Vase и робота FLEXI PRINT-IN-PLACE FOKOBOT 2.0. Пластик eSUN более блестящий и сделать его детальные фотографии сложно, а вот на матовом черном PLA-F Bing3D отлично видны все подробности и слои. Для тестов снова возьмем настройки печати PLA-F Bing3D при скорости 60 мм/с и толщине слоя 0.2 мм для робота и 0.12 мм для вазы. У пластиков eSUN диапазон допустимых параметров гораздо шире, как показывают наши тесты, так что и такие настройки годятся, а сравнивать результаты удобнее при идентичных параметрах.
Так выглядит модель робота в слайсере и «в пластике»:
И более детально:
Боковые поверхности гладкие, а лицевая состоит из аккуратных переходов слоев, толщина слоев равномерная. На фото начало и окончание слоев несколько бликует, а в реальности каких-либо непредвиденных выступов в этих местах нет.
С этим же пластиком ваза выглядит матовой и ощущается гладкой:
PLA+ eSUN более блестящий и такой же гладкий:
eSilk PLA eSUN тактильно и визуально действительно похож на поверхность шелка:
Ниже показаны все три вазы вместе в оригинальном разрешении:
Выводы
PLA-F Bing3D филамент выполняет свою функцию, хотя и имеет многие недостатки, начиная от небрежной намотки уже помятого прутка и до изменения цвета после печати, склонности быстро впитывать влагу из воздуха и легко переламываться при сгибании, температурную нестабильность, высокую зависимость от охлаждения. И все же, несмотря на капризность материала, печатать с ним можно, если не важны скорость печати, прочность, цвет и эффекты поверхности. Диаметр филамента меньше стандартного, так что нужно проводить тесты и замеры для определения коэффициента коррекции потока. Возможно, даже пластиком TPU печатать окажется проще, чем таким PLA (интересно будет проверить).
PLA+ eSUN филамент дороже PLA-F Bing3D всего лишь на 20%, но намного стабильнее и удобнее в использовании и сохраняет цвет при печати. Кроме того, лучше прочность напечатанных моделей. Диаметр филамента все еще меньше стандартного, так что необходимы тесты или замеры для нахождения коэффициента коррекции потока.
eSilk-PLA Rainbow Multicolor eSUN на четверть дороже PLA+ eSUN (а за вычетом стоимости многоразовой катушки не отличается по цене) и ощущается несколько более приятным в использовании (жестче и стабильнее), а главное в нем, конечно, это эффект шелковистой поверхности — если он нужен. Также филамент имеет корректный диаметр, позволяя не тратить время на его измерение и определение поправки. Возможность повторного использования катушки тоже пригодится, хотя у нас (пока) выбор филамента без катушки довольно ограничен.
Все рассмотренные продукты позволяют печатать при температурах значительно меньших рекомендованного минимума. Вероятно, можно печатать и выше рекомендованного максимума при наличии лучшего вентилятора, нежели штатный, чтобы добиться более высоких скоростей.
Заключение
Теперь мы можем выбрать филамент для печати и определить его параметры, не полагаясь на то, что написано на этикетке. Несмотря на огромную разницу в качестве, все опробованные нами варианты пригодны для качественной печати. При этом, чем дороже пластик, тем меньше настроек он требует и результаты оказываются схожими в широком диапазоне параметров печати. Самый дешевый пластик требует больше всего настроек и только в узком диапазоне параметров можно получить качественные результаты.
Поскольку все тесты выполнены на стоковой прошивке без возможности калибровки температурной стабильности сопла и рабочего стола, на вазах заметна небольшая слоистость. После замены матплаты и прошивки мы проверим, поможет ли температурная калибровка добиться лучшего качества поверхности.
Еще проявился очередной компромисс в устройстве принтера — слабый вентилятор охлаждения сопла. Для скорости печати 45–60 мм/с вентилятора хватает с любым PLA, а вот если хочется печатать намного быстрее, то вентилятор придется заменить (современные PLA предлагают скорость печати до 250 — 300 мм/с, а для принтера производитель обещает скорость печати до 180 мм/с).
Также смотрите
