O testowaniu filamentu

Po czym rozróżnić dobry filament od złego? Czym się będą różnić wydruki wykonane z materiału kosztującego 60 zł za kilogram, od tego dostępnego za 200 zł? W jakim stopniu znaczenie dla jakości wydruków mają umiejętności drukarza i jego obeznanie z drukarką, a na ile to, jaka to drukarka i jaki filament? Żeby odpowiedzieć na te pytania, trzeba byłoby mieć dość dużo doświadczenia zarówno z różnymi urządzeniami, jak i materiałami wykorzystywanymi do druku. Sam ostatnio sporo czasu poświęciłem zagadnieniu jakim jest testowanie różnych gatunków filamentu - a dokładniej temu, jak porównać między sobą wydruki wykonane z różnych materiałów.

Głównym problemem, jaki widzę przy porównywaniu wydruków jest bardzo duża liczba czynników wpływających na proces ich powstawania. Żeby wymienić kilka z nich - wpływ na końcowy przedmiot mają prędkość druku, temperatura stołu i głowicy, średnica dyszy, rodzaj, gatunek i średnica filamentu, temperatura otoczenia, oraz wszystkie niewymienione wcześniej parametry slicera, takie jak grubość ścianek, rodzaj wypełnienia itp. Ogólnie jest tego dość dużo. Również same filamenty różnego koloru, pochodzące od tego samego dostawcy czy producenta, mogą (ze względu na zawarte w nich składniki barwiące) dawać nieco inną jakość końcowych wydruków. Myślę że wielu doświadczonym drukarzom zdarzyło się też, że ten sam wydruk puszczony 2 razy przy takich samych ustawieniach wyszedł trochę inaczej. Mogą to być nawet sytuacje gdzie wydruk w ogóle się nie uda - np. kiedy model odklei się od stołu, bo w miejscu większych przewieszeń fragmenty przedmiotu zaczęły się podwijać do góry, i dysza drukarki uderzyła w nie podczas kładzenia kolejnych warstw:

Biorąc pod uwagę dużą liczbę czynników wpływających na proces druku, porównując różne gatunki filamentów należałoby do minimum ograniczyć zmienność warunków w jakich powstają testowe wydruki. Niestety nie wystarczy puścić takiego samego G-Code'u dla dwóch różnych materiałów żeby stwierdzić, który z nich jest lepszy a który gorszy. Filamenty różnych producentów, lub nawet różne kolory od jednego producenta, mogą się minimalnie różnić średnicą (z moich obserwacji - nawet o 0.2 mm) - i trzeba byłoby to uwzględnić podczas przygotowywania modelu do druku. Również materiały pochodzące z różnych źródeł (czyli np. różne gatunki PLA czy ABSu) mogą mieć nieco inną temperaturę topienia się, przy której dają najlepsze efekty w trakcie druku.

Żeby od czegoś zacząć całą kwestę porównywania filamentów, zebrałem kilka tzw. modeli referencyjnych, Są to różnego rodzaju obiekty, przy drukowaniu których powinno dać się zaobserwować, z czym drukarka dobrze sobie radzi, a co sprawia jej problemy przy tworzeniu przedmiotów z różnych materiałów. Zbierając je zależało mi na możliwie dużej różnorodności, aby sprawdzić jakość druku dla takich elementów jak:

• Przewieszenia - fragmenty obiektu odchylone od pionu w różnym stopniu,
• Mosty - fragmenty modelu zwieszone w powietrzu, jednak w odróżnieniu od przewieszeń, podparte z obu stron,
• Cienkie, jednowarstwowe ścianki
• Drobne szczegóły
• Ostre, pionowe krawędzie
• Poziome płaszczyzny, ostre wierzchołki itp.

Testy, dla których zebrałem modele referencyjne dotyczą jedynie wizualnej oceny wydruków i nie obejmują badania takich cech jak wytrzymałość mechaniczna czy termiczna wytworzonych przedmiotów. Do tego typu eksperymentów potrzebne byłoby dodatkowe laboratorium z odpowiednimi przyrządami pomiarowymi, których w swoim warsztacie niestety nie posiadam.

Modele testowe

1) Kostka, czyli sześcian o boku 20 mm (20 mm Cube) - jest to podstawowy model "rozruchowy", dobry do sprawdzenia czy drukarka w ogóle drukuje z danego materiału, czy filament nie odkleja się od stołu oraz czy poszczególne warstwy trzymają się siebie nawzajem. Na obiekcie takim, wymagającym stosunkowo niewiele materiału będzie widać większość poważniejszych problemów związanych z drukiem - i dzięki prostej formie łatwo będzie znaleźć ich przyczynę. 

2) Sześciokąt ze ściankami grubości od 0.38 mm do 2.28 mm (Thin Wall Test for 0.38 mm nozzle). Służy przede wszystkim do kalibracji ilości podawanego filamentu podczas druku - jeśli będzie go za mało, ścianki wyjdą za cienkie; jeśli za dużo - będą grubsze niż we wzorcowym modelu. Grubość ścianek jest wielokrotnością średnicy dyszy w mojej drukarce (0,38 mm).

3) Tester przewieszeń (Overhang Test Print) - przedmiot z płaszczyznami pochylonymi w różnym stopniu, od 45 do 15 stopni względem stołu drukarki. Z prawej strony przewieszenia są podparte pionowymi ściankami (co znaczenie ułatwia ich drukowanie). Model pozwala dokładnie sprawdzić, przy jak bardzo pochylonych płaszczyznach drukarka zaczyna mieć kłopoty z utworzeniem równych powierzchni. 

4) Tester mostów (10-100 mm Bridge Test) - przedmiot z 10 zawieszonymi w powietrzu listwami o długości od 1 do 10 cm. Pozwala zaobserwować, jak zachowuje się filament, gdy jest "rozwieszany" pomiędzy 2 wspornikami, znajdującymi się od siebie w różnych odległościach.

5) Gwiazda (Pentagon Star) o rozpiętości 4 cm - zaprojektowana do sprawdzania, jak drukarka radzi sobie z ostrymi, pionowymi krawędziami znajdującymi się na końcach ramion. Przy druku bez brimu obiekt pozwala też zaobserwować, jak bardzo przy danym filamencie fragmenty przedmiotu będą się zawijać do góry wskutek kurczenia materiału.

6) Schodki zbudowane z sześcianów o krawędzi 5 mm (5mm Calibration Cube Steps). Mogą służyć zarówno do kalibracji drukarki (ustawień osi x/y/z oraz ekstrudera), jak i do sprawdzenia, jak urządzenie poradzi sobie z kładzeniem warstw o coraz mniejszej powierzchni. Jest to o tyle trudne, że na każdym piętrze jest coraz mniej czasu na przestygnięcie położonych warstw, co może w negatywny sposób odbić się na końcowym wydruku.

7) Grupa niewielkich obiektów - prostopadłościanu, walca, kuli, stożka oraz opony, ułożonych na podstawie wielkości 2x2 cm. Wbrew pozorom, druk tak małych elementów jest bardziej wymagający niż w przypadku większych przedmiotów. Ich odwzorowanie wymaga dużej precyzji, i wszelkie niedoskonałości przy takiej skali będą dużo bardziej widoczne. Model pochodzi z kolekcji Printer Test Suite.

8) Dwunastościan foremny, a dokładniej konstrukcja składająca się z pogrubionych krawędzi. Jest to stosunkowo trudny model - z silnymi przewieszeniami oraz mostami, gdzie może wystąpić wiele różnych problemów. Przedmiot pochodzi z kolekcji Platonic solids set.

9) Rzekotka (Treefrog) - niewielki przedmiot o dość złożonej geometrii. Do tej pory nie udało mi się jej wydrukować z PLA - podczas każdej próby, przy drukowaniu przewieszeń położony filament wyginał się do góry na tyle mocno, że w pewnym momencie rozpędzona głowica uderzała w niego, przez co wydruk odklejał się od stołu. Liczę na to, że w końcu trafię na filament, w którym ten problem nie będzie występował (lub znajdę inne rozwiązanie tego problemu).

10 i 11) Wazy Julia Vase #004 - Bloom oraz Koch Snowflake Vase 1 (pomniejszone w stosunku do oryginału o ok. 30%). Są drukowane przez ciągłe, spiralne nakładanie pojedynczej ścieżki filamentu - w związku z czym ich ścianki są możliwie cienkie (ok. 0.4 mm) i widać na nich wszystkie większe zaburzenia w średnicy filamentu (i ogólnie problemy związane z jego podawaniem) oraz jakiekolwiek zanieczyszczenia tworzywa.

Ustawienia druku

Do modeli dobrałem w miarę przeciętne parametry druku - z standardową ilością 3 obrysów, 20% wypełnieniem i prędkością na poziomie 50 mm/s. Poniżej znajduje się szczegółowa lista ustawień Slic3ra:

• Layer height: 0.2 mm
• Perimeters: 3
• Solid layers: top 3, bottom 3
• Infill: 20%, honeycomb
• Speed:
• Perimeters: 50 mm/s
• Small perimeters: 30 mm/s
• External perimeters: 30 mm/s
• Infill: 60 mm/s
• Solid infill: 50 mm/s
• Top solid infill: 40 mm/s
• First layer: 20 mm/s
• Travel: 100 mm/s
• Brim - do 6 mm, z wyjątkiem modeli sześcianu, sześciokąta, gwiazdy i wazy
• Fist layer extrusion width: 0.7 mm

Jeśli chodzi o ustawienia filamentu - są to:

• Temperature:
• Extruder: 200 (first layer) / 190 (other layers)
• Bed: 80 (first layer) / 60 (other layers)
• Cooling:
• 100%, poza 3 pierwszymi warstwami gdzie chłodzenie jest wyłączone,
• Minimalny czas na warstwę: 15 sekund, ale z maksymalnym spowolnieniem do 8 mm/s

Pliki .ini ze wszystkimi ustawieniami można obejrzeć i pobrać z GitHuba.

Kalibracja filamentu

Zaczynając pracę z nowym filamentem, dobrze jest dokładnie zmierzyć jego średnicę. Wbrew pozorom, filament grubości 3 mm (na którym jeszcze drukuję) wcale nie ma 3 milimetrów - zwykle jest to ok. 2.7 - 2.8 mm. Niestety producenci nie chwalą się tą wartością w opisach filamentów, dlatego najlepiej samemu to zmierzyć przy użyciu suwmiarki. Ponieważ średnica może minimalnie wahać się w różnych fragmentach zwoju, najlepiej pomiar taki wykonać w kilkunastu miejscach, i dopiero wyliczoną średnią wprowadzić do ustawień slicera.  Warto też wykonać kilka testowych wydruków i sprawdzić, czy przedmioty w rzeczywistości mają wymiary zgodne z projektem. W razie potrzeby można zmodyfikować wartość współczynnika określającego ilość wyciskanego filamentu ("Extrusion multiplier" w Slic3rze).

Tyle jeśli chodzi o metodykę testów filamentów. Niedługo napiszę o pierwszym porównaniu PLA dwóch różnych producentów, z wykorzystaniem wyżej wymienionych modeli.

Część modeli pochodzi z artykułu na www.tweaktown.com. Wszystkie modele umieściłem na Thingiverse w kolekcji: http://www.thingiverse.com/skriver/collections/test-models.