O kalibracji średnicy filamentu

01 Paź 2015

Pomijając odchodzący do lamusa filament o średnicy 3 mm, w drukarkach 3D korzysta się głównie z tworzywa w postaci żyłki o grubości 1.75 mm. Jednak średnica 1.75 mm jest zwykle tylko orientacyjna: różni producenci dostarczają filamenty o nieco większych lub mniejszych średnicach, i może to być bliżej 1.65 mm, 1.70 mm albo nawet koło 1.80 mm. Żeby uzyskać powtarzalne wydruki z różnych rodzajów filamentów, warto w ustawieniach slicera dokładnie określić, jak gruby jest nasz filament. Można też wykorzystać jedną z metod jego kalibracji.

Żeby poznać faktyczną grubość filamentu (która nie zawsze jest podana przez producenta, i która może się wahać między poszczególnymi partiami tworzywa) można go po prostu zmierzyć. Niestety w warunkach domowych, nawet dysponując dobrą suwmiarką, uzyskanie dokładnego pomiaru nie będzie takie proste:

  1. W różnych miejscach na szpuli filament może mieć nieco inną średnicę. Jak podają sami producenci, często błąd może wynieść ± 0.05 mm – czyli filament o nominalnej grubości 1.70 mm może mieć w jednym miejscu 1,65, w innym nawet 1.75 mm. Sam na starych szpulach z PLA obserwowałem wyniki pomiaru różne nawet o 0.15 mm. Najprostszą metodą jest wykonanie pomiaru w kilku(nastu) miejscach i wyciągnięcie z nich średniej.
  2. Filament ma swoją ograniczoną krągłość, i jego przekrój zamiast być idealnym okręgiem, może przypominać nieco jajo lub elipsę. Nie są to duże różnice, jednak mierząc żyłkę tam, gdzie jest ona minimalnie spłaszczona, mamy dodatkowy błąd pomiaru.
  3. Filament na szpuli jest zakrzywiony, co nie ułatwia zadania. Pytanie jak jego wygięcie wpływa na średnicę w danym punkcie, i czy taką zakrzywioną żyłkę trzeba prostować na czas mierzenia, czy może na zmianę mierzyć z różnych stron wygięcia?
  4. Plastik ma pewną sprężystość, i w zależności od tego, jak mocno się ściśnie suwmiarkę, wyniki dodatkowo mogą się różnić o parę setnych mm.

Pewnie są osoby, którym udaje się za pomocą suwmiarki dokładnie mierzyć średnią grubość filamentu, jednak dla mnie osobiście z tą metodą jest za dużo zachodu. Choć przez dłuższy czas tak robiłem – mierząc zwój tworzywa w jakiś 20 miejscach, spisując wyniki w Excelu i na koniec wyciągając z tego średnią (dla filamentu grubości 3 mm):

Excel

Ktoś może zapytać, czemu tak ważne jest ustalenie dokładnej grubości filamentu? Czy różnice rzędu kilku / kilkunastu setnych milimetra to coś, czym w ogóle warto zawracać sobie głowę? Od razu odpowiem że „to zależy” :) Jeśli drukujemy figurki, modele poglądowe albo inne elementy, gdzie duża dokładność nie jest tak istotna, prawdopodobnie większego znaczenia nie będzie miało to, czy w slicerze wpiszemy 1.75 czy może 1.68 mm. Ale jeśli projektujemy elementy, które mają być dobrze dopasowane do innych przedmiotów albo do siebie nawzajem, to bez prawidłowo zdefiniowanej średnicy filamentu można się nieco zdziwić. Zwłaszcza, gdy z jednej rolki wydruki wychodziły idealnie dopasowane, ale z filamentu innego producenta okazały się te ułamek milimetra za duże lub za małe. Ostatnio taki przypadek miałem projektując sitka zabezpieczające napoje przed owadami – gdzie wydruki musiały być bardzo dobrze dopasowane do otworów w puszkach i butelkach.

Zamiast starać się dokładnie zmierzyć grubość filamentu, można dokonać jego kalibracji – czyli wydrukować jakiś testowy model, i na jego podstawie określić, jak dużo materiału ekstruder powinien wyciskać podczas druku. Przez półtorej roku eksperymentowałem z różnymi metodami kalibracji – po kolei opiszę je w dalszej części artykułu. To, że bazują na konkretnych wydrukach jest zarówno ich wadą jak i zaletą – wadą ze względu na czasochłonność i zużycie tworzywa, zaletą – ponieważ tak naprawdę o dobre, dokładne wydruki w tym wszystkim chodzi. Co z tego, że w slicerze wpiszemy idealnie wymierzoną średnicę filamentu dla dwóch różnych szpulek PLA, gdy później okaże się, że jeden z materiałów nieco bardziej „płynie” i w efekcie wydruki i tak będą minimalnie różne? Kalibracja pozwoli bezpośrednio zaobserwować, jak dany filament zachowuje się przy określonych ustawieniach druku i dobrać te ustawienia tak, żeby wydruki z różnych materiałów wychodziły możliwie identycznie.

1. Pomiar całego obiektu

W najprostszym scenariuszu metoda ta polega na wydrukowaniu kostki, zmierzeniu jej wymiarów i ewentualnej lekkiej modyfikacji średnicy filamentu w ustawieniach slicera. Alternatywnie można też użyć dodatkowego parametru Extrusion miltiplier (Slic3r) lub Flow (Cura), który dodatkowo pozwala procentowo zwiększyć lub zmniejszyć ilość wyciskanego tworzywa. Osobiście preferuję zmianę Extrusion multiplier, ale tak naprawdę nie ma to dużego znaczenia. Istotne jest, żeby w odpowiednią stronę zmieniać wartości danego parametru. Zwiększenie wartości średnicy filamentu spowoduje, że de facto drukarka będzie wyciskała mniej materiału (bo będzie myśleć, że żyłka jest grubsza, i że nie trzeba jej tak dużo przeciskać przez ekstruder). Jeśli chodzi o Extrusion miltipier / Flow, to większa wartość oznacza po prostu więcej wyciśniętego filamentu.

IMG_20151001_074552

To, czego sam nie lubię w tej bardzo prostej metodzie, to zabawy z suwmiarką. Podobnie jak przy pomiarze średnicy żyłki, mierząc obiekt w różnych miejscach możemy dostać nieco inne wyniki. Również czasem przy krawędziach wydruku mogą pojawić się różne drobne zniekształcenia – i nawet jeśli będą ledwo zauważalne gołym okiem, to na suwmiarce dadzą błąd rzędu kilku/kilkunastu setnych milimetra.

IMG_20151001_075424

2. Pomiar grubości ścianek

Tej metody, choć jest bardziej czasochłonna od poprzedniej, używałem dość długo z dużym powodzeniem. Polega ona na wydrukowaniu obiektu o ściankach różnej grubości, ich pomiaru w jednym, określonym miejscu i wyciągnięciu średniego błędu w stosunku do oryginału. Mój model testowy wyglądał następująco:

IMG_20151001_080503

Poszczególne ścianki miały grubość 0,38, 0,76, 1,14, 1,52, 1,9 i 2,28. Jest to wielokrotność średnicy dyszy, której wtedy używałem, i wydawało mi się, że tak będzie najlepiej dla slicera (co chyba nie do końca jest prawdą, ale to temat na osobny artykuł). Każdą ze ścianek mierzyłem na środku, spisywałem wyniki w Excelu i przy którejś iteracji otrzymywałem wyniki zbliżone do właściwych. Przy tej metodzie trzeba zwrócić uwagę, żeby mierzyć obiekt z pominięciem pierwszych warstw, które z powodu niedokładnego ustawienia odległości między stołem a dyszą mogą wyjść bardziej lub mniej rozpłaszczone. Chyba że naszym celem jest kalibracja stołu :)

Ciekawym wariantem ten metody jest wydrukowanie zwykłej kostki, jednak bez wypełnienia oraz bez górnej warstwy. Przy takich ustawieniach slicera uzyskamy przedmiot podobny do otwartego pudełka, ze ściankami o grubości odpowiedniej dla zdefiniowanej liczby obrysów. Na poniższym zdjęciu wydrukowane obiekty mają 2 warstwy na spodzie oraz ścianki zbudowane z pojedynczej ścieżki filamentu:

IMG_20151001_080837

3. Pomiar masy wydruku

To był dość krótki eksperyment – wpadłem na pomysł, żeby zamiast mierzenia modeli suwmiarką, sprawdzać ich masę. Przez internet kupiłem niedrogą wagę jubilerską o rozdzielczości 0.01 g i zacząłem stawiać na niej takie same wydruki wykonane z różnych filamentów. Okazało się że waga bez problemu wyłapuje różnice między nimi.

IMG_20151001_080655

Zacząłem dobierać parametry dla różnych filamentów tak, aby wydruki ważyły tyle samo… i uświadomiłem sobie, że za tym wszystkim stoi kilka błędnych założeń. Żeby taka sama masa różnych obiektów odpowiadała takim samym wymiarom, po pierwsze filament musi mieć identyczną gęstość (masę na cm3), a po drugie, musi się zachowywać w identyczny sposób po wyjściu z dyszy (np. w takim samym stopniu rozlewać się na boki). Niestety nie ma powodu, dla którego filamenty pochodzące od różnych producentów, lub nawet od jednego, ale z różnymi barwnikami, miały identyczne właściwości fizyczne. Dlatego identyczna masa 2 takich samych przedmiotów wcale nie świadczy o dobrze skalibrowanych filamentach.

4. Drukowanie dopasowanych elementów

Jest to metoda, którą stosuję od kilku miesięcy i ze wszystkich sprawdza się u mnie najlepiej. Polega na wydrukowaniu dwóch wzajemnie dopasowanych do siebie części – w moim przypadku prostopadłościanu z wyciętym otworem, oraz odpowiedniej wielkości walca, który powinien zmieścić się w tym otworze. Jeśli wydruki nie pasują do siebie (są za luźno lub za ciasno), należy nieco zwiększyć lub zwiększyć ilość podawanego filamentu.

IMG_20151001_081007

Niewątpliwą zaletą tej metody jest jej prostota – brak konieczności mierzenia i liczenia czegokolwiek. Pewną wadą jest to, że jeśli zależy nam na większej dokładności, będzie potrzebna odrobina wyczucia. Obydwa elementy wchodzą w siebie z pewnym oporem, który powinien być podobny przy wszystkich testowych wydrukach. Jednak zmiany ilości wyciskanego filamentu już o 2% są w tej metodzie łatwo zauważalne.

Podsumowanie

Nawet jeśli nie zależy nam, żeby wydruki trzymały wymiary z dokładnością do 2 miejsc po przecinku, dokładne skalibrowanie różnych szpul z filamentem może ułatwić nam pracę z drukarką. Jeśli wydruki wykonane z różnych kolorów lub różnych partii tworzywa będą miały takie same wymiary, unikniemy przykrych niespodzianek składając przedmiot z wielu dopasowanych do siebie elementów, lub gdy nasz wydruk miałby być fragmentem innego przedmiotu. Dla przykładu, gdy projektujemy otwory pod osie lub śruby, ich minimalnie większa lub mniejsza średnica może mieć duże znaczenie. Również można zaobserwować, że przy raz skalibrowanym stole w drukarce, wydruk pierwszej warstwy obiektów będzie wychodził lepiej: gdy używane filamenty będą skalibrowane, trudniej będzie o sytuację, gdy wydruki z jednego tworzywa będą się dobrze przyklejać do stołu, a z innego już nie.

Samych metod na kalibrację filamentu jest dużo – i warto samemu poeksperymentować żeby wybrać taką, która będzie dobrze się sprawdzać.


O autorze

ARTYKUŁY POWIĄZANE
  • c64

    Trochę się rozpisałeś i aż tak bardzo nie trzeba się skupiać na średnicy filamentu. Różnica średnicy zmienia się na etapie produkcji i zależy od siły nawijania na szpulę (im większa tym bardziej rozciągnięty filament, a i jednocześnie cieńszy). Jednak odchyłka od założonej średnicy jest raczej stała gdyż szpule produkcyjne są na 20kg (25kg) i z tej dopiero są przewijane na mniejsze.
    Jeśli z pomiaru na pierwszym metrze wyjdzie 1,70mm to w programie wpisujesz… 1,80mm. Czemu więcej niż wychodzi z suwmiarki? Ano temu żeby uzyskać ładne, gładkie ścianki. zabawa parametrem flow jest bez sensu i nie spełnia swojego zadania tak dobrze jak oszukiwanie slicera.

  • piotr

    Cześć
    Zainteresowała mnie kalibracja metodą drukowania dwóch elementów wzajemnie do siebie dopasowanych.

    Czy możesz podać wymiar wewnętrzny i zewnętrzny okręgu dla tych elementów?
    Myślę, że walec powinien być trochę mniejszy niż otwór, ale zastanawiam się jak bardzo…
    Dzięki za info.
    Piotr

Ostatnie komentarze