Programmeerimine lastele ja noortele

3D mudeli ettevalmistamine 3D printimiseks vabatarkvara Cura näitel

Õppeaine ja -valdkond: Tehnoloogia , tehnoloogiaõpetus, Materjalid ja nende töötlemine
Klass, vanuse- või haridusaste: III kooliaste, 7-9 klass
Tunni kestvus: 45 min (Kasutades pikka õppevideo 75 min)
Tunni teema (sh alateemad): 3D mudeli ettevalmistamine 3D printimiseks vabatarkvara Cura näitel

• 3D mudeli avamine ja salvestamine Cura-s
• 3D mudeli suuruse, asendi ja paigutuse seadistamine Cura-s
• 3D printeri tüübi valik ja seadete muutmine (näiteks kas on kuumutatav trükialus või mitte)
• 3D printeri trükitava objekti põhiseadete optimeerimine (kihi ja seina paksus, tugede asetamine jne)
• Trükiaja ja vajaliku materjalikoguse hindamine
• 3D prinditava objekti kihiline eelvaade
• Täiendav: 3D mudeli leidmine internetist ( http://www.thingiverse.com )

Autor: Alo Peets (Robotimeister OÜ)
Tunni eesmärgid: 3D mudeli ettevalmistamine 3D printimiseks vabatarkvaras Cura
Milliseid üld- ja ainepädevusi (sh läbivad teemad) toetatakse:

• ruumilise mõtlemise arendamine
• reaalse maailma suurustaju arendamine
• matemaatiline mõtlemine
• 3D tarkvara käsitsemise oskus, suurendamine-vähendamine, vaadete muutmine jne.
• Inglise keel: levinud 3D valdkonnaga kaasnev sõnavara

Õpitulemused: Professionaalses 3D printeri haldustarkvaras Cura 3D mudeli edukas ettevalmistamine 3D printimiseks ja seadete optimeerimine.
Mõisted: 3D printimine, 3D mudel, vabatarkvara, cura, trükialus, kihi paksus, seina paksus, toestus, kihiline vaade, täituvus.
Õpilaste eelteadmised ja -oskused: Õpilased võiksid olla eelnevat näinud 3D printerit töötamas, 3D prinditud objekte ja teavad protsessi ideest kuni 3D prinditud füüsilise objektini. Vajadusel eelnevalt tutvuda http://etu.ut.ee/2017/3d-printimine/
Eelnevalt vajalikud tegevused õpetajale ja õpilasele: Cura tarkvara paigaldamine arvutitesse https://ultimaker.com/en/products/cura-software, eelnev tund ja teadmised 3D disainist ja 3D printimisest.
Tunniks vajalikud materjalid, vahendid, tarkvara ja veebiaadressid: Arvuti koos rullikuga-arvutihiirega, kõrvaklapid, Cura tarkvara https://ultimaker.com/en/products/cura-software, internetiühendus https://www.thingiverse.com/ , õppevideo (lühike 5 min) https://youtu.be/camrSMGJXS0 või pikk versioon https://youtu.be/853bAqf7VuY, 3D printer

Tunni käik:

• Õpetaja alustab tunniga ja palub õpilastel vaadata õppevideo teemal 3D mudeli ettevalmistamine 3D printimiseks vabatarkvara Cura näitel https://youtu.be/camrSMGJXS0 ~10 min
  

• Õpilased harjutavad iseseisvalt Cura tarkvara kasutamist erinevate http://www.thingiverse.com lehelt leitud mudelitega ~25 min
• Õpilased arutavad gruppides milliste seadetega erinevaid mudeleid võiks 3D printida ja õpetaja jagab koduse ülesande: leida 3 lemmikmudelit internetist ja hinnata nende 3D printimise parameetreid. ~10 min

PDF kujul tunnikava on alla laetav siit. Tunnikava_Cura.pdf

Täiendav materjal ja mõistete seletused:

Tere tulemast vaatama videoloengut teemal 3D mudeli ettevalmistamine 3D printimiseks vabatarkvaras Cura. Minu nimi on Alo Peets ja igapäevaselt töötan Tartu Ülikooli arvutiteaduse instituudis õppejõuna. Cura on 3D printeri tootja Ultimaker poolt arendatav vabatarkvara, mis sobib Ultimaker 3D printeri aga ka paljude teiste (näiteks Prusa i3) 3D printeri jaoks. Cura allalaadimiseks tuleks sisestada „Cura“ vabalt valitud veebilehitseja ostingumootorisse ja sealt valida sobiv vaste või minna Ultimakeri lehele https://ultimaker.com/en/products/cura-software.

Video tegemise hetkel on viimane Cura versioon 2.6.2 ja alla laadimiseks tuleks vajutada sinisele nupule „Download for free“. Avanenud aknas valida hüpikmenüüst „I dont want to share any information“ ja oodata millal allalaadimine lõppeb. Pärast seda tuleks Cura paigaldada vaikeseadetega. Cura esmasel avamisel küsitakse teilt millise printeri jaoks soovite tööfaili luua. Valige teie kasutada olev printer näiteks Custom ja avanenud nimekirjast Prusa i3. Hiljem saate printeri valikut printeri seadeid muuta ülevalt paremalt nurgast printeri nime taga olevast alla noolest. Printeri nime alt saate valida sobiva materjali ja kihipaksuse. Enamasti koolis kasutatakse PLA (rahvakeeli maisiplastmassi) nii et veenduge et valitud oleks PLA. Erinevad materjalid omavad erinevaid füüsikalisi omadusi (näiteks sulamistemperatuur ja elastus) ning seega vajavad spetsiifilisi 3D printeri seadeid. Kihi paksusest sõltub otseselt trükiaeg ja trükikvaliteet nii et õppeharjutustes soovitan valida Draft Quality 0.2 mm ja kui aega rohkem ning kvaliteet olulisem näiteks konkursil osalemiseks oleks sobilikum valik Fine 0.1 mm. Valides kihi paksuseks 0.2 mm toimub 3D printimine 2X kiiremini võrreldes 0.1 mm kihipaksusega. Üle 0.3 mm kihipaksus ei ole soovitatav, sest enamik Eestis levinud 3D printereid ei ole võimelised piisava kiirusega materjali 0.4 mm trükipea avausest välja suruma.

Vaikimisi pakutakse alustajale minimaalsete valikutega kiirvaadet kus infill tähistab objekti sees olevate tühimike materjaliga täitmise protsenti, siinkohal 20% on levinud sobiv valik. Support valikuga saab valida kas objektile lisatakse abistavad toed trükkimiseks või mitte ja „Build plate adhesion“ aitab objektil trükialusele paremini kinnituda. Hiljem vaatame 3D printeri seadeid lähemalt.

Järgmiseks peaks avama vasakult kausta kujutisel klikkides faili avamise dialoogi ja arvutist leidma üles sobiva 3D mudeli faili STL formaadis. Juhul kui teil ei ole ühtegi sobivat 3D mudelit parajasti arvutis võiksite külastada https://www.thingiverse.com/ veebilehte ja sealt otsida endale sobiva mudeli ning vajutada „Thing Files“ ning sobiva faili nimetusel või nupul „Download all files“ misjärel tuleks alla laetud ZIP fail ka lahti pakkida. Tagasi Cura tarkvaras peaks valima „Download“ kausta ja sealt sobiva STL faili. Nüüd peaks teil Cura töölauale tekkima 3D mudeli kujutis. Hiire keskmise rullikuga saate objekti suurendada ja vähendada. Hiire rullikut all hoides saate töölauda üles-alla, vasakule-paremale nihutada. Paremat hiireklahvi all hoides saate vaatenurka muuta ja vasaku kiireklahvi all hoides objekti kohal saate objekti trükialusel sobivasse kohta lohistada.

Tihti osutub vajalikuks mudeli suurust ja asendit korrigeerida mida on mugav teha vasakul olevatest vastavatest nuppudest (Move, Scale, Rotate ja Mirror). Kui nupud ei ole aktiivsed peaks veenduma, et redigeeritav 3D objekt on valitud mida saab teha ühekordse vasaku hiireklahvi vajutusega. Aktiivne objekt on ääristatud sinise joonega. Objekti asetsemine trükialusel eriti milline objekti külg on vasta trükialust on väga oluline edukaks 3D printimiseks ja enamasti tuleks valida kõige suurema sileda pinnaga külg. Kõige levinuma Fused Deposit Modeling ehk lühidalt FDM printerid ehitavad objekti kiht kihilt ja seega on hästi oluline et iga järgnev kiht toetuks eelmisele ja ei tekiks õhku trükkimist. Kui võimalik on soovitatav objekti suurust vähendada, mis vähendab oluliselt ka trükiaega. Näiteks 3D mudeli külje pikkuse vähendamine 50%ni algsest vähendab trükiaega 8x, mis tuleneb asjaolust et trükiaeg sõltub ruumalast.

All paremas töölaua nurgas on võimalik näha objekti mõõtmeid ja printimiseks kuluvat aega ning materjalikulu. Kui Cura seadetest on eelnevalt seadistatud ka 3D printeri materjali hind oskab tarkvara kuvada ka kulunud materjali ehk filamendi hinda. Veel rohkem paremal on nupp „Save to File“ mis muutub „Save to Removable Media“ valikuks kui SD kaart või USB andmekandja on arvutiga ühendatud. Nüüd võib salvestatud g-koodis faili 3D printerisse viia näiteks SD kaardil ja mudeli trükkima panna.

Iga erineva 3D printeri ja selle tarkvara versiooni jaoks on vaja erinevat tööfaili, mis ütleb, kuidas masin oma trükipead liigutama peab, et valmiks ilus ja kvaliteetne objekt. Seda faili kutsutakse g-koodiks (gcode), mis on levinud käsustik erinevate automaatpinkide juhtimiseks. G-kood on defineeritud ISO 6983 ja EIA RS-274-D standardiga, aga iga tootja võib teha sinna muudatusi ja täiendusi. Seega erinevate tarkvarade ja masinate g-koodid ei pruugi olla omavahel sobivad. Samas enamik tootjaid üritab põhikäsud hoida samad. G-koodi fail on sisuliselt tekstifail, kus on kirjas kõik sammud, mida 3D printer tegema peab, et valmiks soovitud objekt. G-koodi kasutavad ka kõik automaatsed frees- ja treipingid, laserlõikurid, 3D printerid ja muud mitme-teljelised liikuvad masinad. Tavakasutaja ei pea enamasti ise g-koodist aru saama ja g-koodi genereerib spetsiaalne tarkvara automaatselt.

Siiski enne mudeli 3D printerisse saatmist on mõistlik oma valikud eelvaates üle vaadata. Selleks tuleks minna vasakul menüüs silma kujutisega nupule „View Mode“ ja valida „Layers“. Nüüd olenevalt arvuti kiirusest ja mudeli keerukusest kulub veidi aega, kuid hetkepärast peaks tekkima töölauale teie 3D mudel. Täiendavalt veenduda, et „Color Scheme“ oleks „Line Type“ ja ka ülejäänud „Show“ valikute ees oleks linnuke. Nüüd on võimalik liuguri ülemist sinist täppi üles-alla lohistades valida sobiva kihi vaade 3D printeri silmade läbi. Punane värv tähista nähtavaid objekti välisjooni, roheline objekti külgede sisemisi jooni. Kollane on ülemine ja alumine koht ning oranži värviga tähistatakse infill ehk täidet. Helesinise joonega tähistatakse abijooni nagu toed ja ääris 3D mudeli ümber mis aitab mudelil paremini trükialusele kinnituda ja tumesinisega tähistatakse abiliikumisi kus 3D printer materjali ei väljasta.

Keerulisemate objektide korral vaikeseadetest ei piisa ja tuleks otsida Paremal „Print Setup“ juures valikut „Custom“ mis võimaldab täpsemalt seadistada erinevaid valikuid.

  Järgnevalt vaatame lähemalt Cura 2.6.2 seadete eestikeelsed seletusi ja soovituslikke väärtusi:
Kõik suurused millimeetrites (mm); komakohta tähistab ’’ . ’’ nagu Cura tarkvaras

• Layer Height – trükikihi paksus, lubatud vahemik 0.05 – 0.3, soovituslik 0.2mm. Paks kiht jätab lainelisema objekti välispinna ja väike kihipaksus tähendab kvaliteetsemat tulemust kuid pikka trükiaega. Kihipaksuse suurendamine 0.1lt 0.2ni vähendab trükiaega umbes 2 korda.
• Wall Thickness – seina pakus, minimaalne lubatud trükipea avause läbimõõt (Ultimaker 2 extruder diameeter korral 0.4), peaks olema trükipea avause kordne ehk Ultimakeri korral 0.4, 0.8, 1.2, 1.6, 2.0 jne… Soovituslik väärtus 0.8mm.
• Top/Bottom Thickness – Ülemise ja alumise kihi paksus mm. Soovituslik väärtus 0.4-2.0, kuid peaks olema kihi paksuse (Layer Height) kordne näiteks 0.1 korral 0.4, 0.5, 0.6, 0.7 jne.
• Infill Density – Täituvus protsentides. Liiga väike protsent ei toeta ülemiste kihtide trükkimisel materjali piisavalt ja objekt jääb nõrk või laineline, liiga suur väärtus võtab palju aega ja raiskab materjali. Soovituslik väärtus on vahemikus 10-50% ning enamasti kasutatakse 20% täidet.
• Gradual Infill Steps - võimaldab 3D printida kasutades dünaamilist täite protsenti.
• Printing Temperature – Trükipea temperatuur, sõltub printerist ja materjalist PLA printimise temperatuur on vahemikus 190-210 kraadi Celsiust ja ABS enamasti 260 kraadi.
• Build Plate Temperature – Trükialuse temperatuur – PLA 60 kraadi, ABS 90 kraadi.
• Diameter – printimise materjali paksus mm, enamasti 1.75 või 2.85.
• Flow – Materjali ettesöötmise kiirus protsentides. Tavaliselt suurendatakse 1% muutuse kohta ka 1 kraadi võrra temperatuuri et parandada materjali voolavust läbi trükipea.
• Enable Retraction – materjali tagasi tõmbamise funktsioon, mida kasutatakse prindipea liikumise korral ühest kohast teise, kui reaalset printimist ei toimu. Aitab vähendada liigset ja üleliigse materjali sattumist valesse kohta. Enamasti võiks olla lubatud.
• Print Speed – trükipea liikumise kiirus printimisel mm/s. Trükikiiruse suurendamiseks soovitamse kõigepealt suurendada kihi paksust ja/või vähendada objekti mõõtmeid. Soovituslik 60 mm/s PLA ja ABS korral. Erimaterjalide näiteks (flex, nailon) korral tuleks kiirust vähendada kuni 20 mm/s.
• Travel Speed – Liikumise kiirus kui ei toimu aktiivset trükkimist (materjali eraldumist trükipea avausest).
• Enable Print Cooling – Jahutus (iga eelnev koht peab veidi jahtuma enne kui saab selle peale uue trükkida, samas ei tohi objekt liiga maha jahtuda, muidu tekivad materjali pinged). Enamike trükkimiste korral tuleks jahutusventilaator lubada.
• Generate Support – Lubada/keelata toed trükkimisel. Juhul kui objekt sisaldab õhku trükkimist või negatiivseid kaldeid suuremaid kui 45 kraadi (ülerippuvad osad) peaks kasutama tugede funktsiooni.
• Support Placement – tugede paigutamine; valida everywhere kui soovite tugesid igale poole kus esineb õhtu trükkimist või ülerippuvaid osasid; touching build plate – Ainult tugiplaadi ja trükitava objekti vahele (aitab parandada näiteks objekti hakkuvust trükialuse ja objekti vahel, tihti ülemised õhku printimised ei ole nii olulised kui alumised).

Keerulisemate mudelite puhul osutub vajalikuks muuta täiendavaid vaikimisi peidetud seadeid. Selleks tuleks minna hiirega kategooria nime peale ja vajutada nime taga olevale hammasratta märgile. Avanenud menüüs saate linnukesega valida millised seaded on nähtavad või peidetud. Üks kasulik vaikimisi peidetud seade mida mina enamasti muudan on Support pattern.

• Support Pattern - Tugede muster; Lines – jooned, kerge eemaldada, nõrgad kõrgete objektide jaoks; grid – ruudustik – tugevad (toetavad hästi) kuid raske eemaldada,; ZigZag – sikk-sakk ehk laineline, kus jooned on omavahel kokku ühendatud suuremaks tükiks (hea kesktee grid ja lines valiku vahel).
• Build Plate Adhesion Type – trükialusele kinnitumine (väga oluline parameeter). Valikud:

skirt (üks joon) trükitava objekti ümber (enamasti 10mm vahega). Brim – ääris, trükitakse objekti äärde ühe kihi paksune ääris, aitab objekti trükkimise ajal paigal hoida ja on hiljem kerge eemaldada (saab kasutada ainult soojendusega alusele trükkimisel). Raft - paksema aluse trükkimine (sobilik mitte soojendusega alusele trükkimiseks ja objektidel mille kokkupuude aluspinnaga on vähene). Samuti sobib kui on vaja saada viimistletud aluspinda ja/või trükialus on ebatasane ( näiteks kehvasti seadistatud). None puhul midagi täiendavat ei lisata mudeli printimiseks.

Kui olete mudeli üle kontrollinud ka kihilises vaates on aeg mudel salvestada ja 3D printerisse viia mälu kaardil või USB andmekandjal. Nüüd oleme üle käinud kõik olulisemad Cura tarkvara seaded. Jõudu ja edu 3D printimisel.

3D Printimisel kõige olulisem:

• Paiguta kõige siledam külg vastu trükialust.
• Trükitakse alt ülesse, veendu et iga järgmist kihti saab eelnevale ehitada.
• Ürita vältida õhku trükkimist (overhang), kui vaja kasuta tugesid (support).
• Mustandid kihipaksusega 0.2 päristrükid kihipaksusega 0.1mm.
• Kasuta brim või raft väikeste objektide alusele kinnitamiseks.
• Soojendusega alusele võib trükkida PLA ilma abivahenditeta, ABS koos pulgaliimiga.
• Soojenduseta alusele trükkimiseks kasuta paberteipi (maalri teip) ja raft valikut.
• Serva paksus (shell Width) 0.8 mm on hea valik.
• Täituvus (infill) 15-25% on hea valik.
• Objekti suuruse muutmine 2x muudab ruumala ja trükiaega 8x.
• Viibi alati esimese paari kihi trükkimise juures (esineb kõige rohkem probleeme).
• Trükipea ummistumise korral proovi materjal (filament) printerist eemaldada, eemaldada kahjustatud materjali (filamendi) ots ära lõigata ning uuesti materjal sisestada.