In this series, we will be examining the world of FreeCAD, an open-source CAD modelling application that it still in Beta, but has been gaining acceptance in recent years. Naturally, it is readily available in the Ubuntu repositories. In the last (eighth) article on using FreeCAD, we used a mesh in combination with other, more standard, FreeCAD tools, to build a 3D representation of a modern building with a lattice roof structure. In this part, we will go from a computer model to the physical world, using a 3D printer to create a physical representation of our construction.
Dans cette série, nous examinerons le monde de FreeCAD, une application Open Source de modélisation par CAO qui est encore en bêta, mais qui a reçu un bon accueil ces dernières années. Naturellement, elle est facilement disponible dans les dépôts d'Ubuntu. Dans l'article précédent (le huitième) sur l'utilisation de FreeCAD, nous avons utilisé un maillage, en combinaison avec d'autres outils plus classiques de FreeCAD, pour construire une représentation 3D d'un immeuble moderne avec une structure de toit en treillis.
Dans cette partie, nous irons du modèle informatique jusqu'au monde physique, en utilisant une imprimante 3D pour créer une représentation physique de notre construction.
Some notes on 3D printing It will come as no surprise that 3D printing has become something of a fad in the last few years. Starting out as a bit of a hobbyist activity, it has found its practical application in many rather different fields, such as art and crafts, design, engineering, and even some medical fields. Relatively cheap printers that come fully assembled and ready to print are making the technique more accessible to a large variety of users. However, it must be said that 3D printing is not yet quite as mature as traditional printing on flat pieces of paper, and some practical inclination is still very much a necessity for users. Dealing with platform placement calibration, nozzle stoppages, or other mechanical issues, may not be within everybody’s comfort zone. There are many techniques of 3D printing. They are usually seen as some form of additive construction, where the resulting part is built up progressively. This is in contrast to machining - for instance using a computer controlled lathe - where an existing block of material is cut down to the final desired shape by removing excess material. Some materials such as plastics lend themselves best to additive processes, while others such as metals are more often than not best handled with subtractive methods.
Quelques notes sur l'impression 3D
Ce n'est pas une surprise que l'impression 3D soit devenue une mode dans les toutes dernières années. Démarrant comme activité de loisirs, elle a trouvé son application pratique dans de nombreux secteurs différents, comme les arts et métiers, la conception, l'ingénierie et même certains secteurs médicaux. Des imprimantes relativement bon marché qui arrivent complètement assemblées et prêtes à imprimer rendent cette technique plus accessible à une grande variété d'utilisateurs. Cependant, il faut dire que l'impression 3D n'est pas aussi mûre que l'impression traditionnelle sur des feuilles de papier, et un goût pour les travaux pratiques est encore une vraie nécessité pour les utilisateurs. Se coltiner la calibration du placement sur la plateforme, les bouchages de buses ou d'autres problèmes mécaniques ne sont peut-être pas dans la zone de confort de tout un chacun.
De nombreuses techniques d'impression 3D existent. Elles sont habituellement vues comme une certaine forme de construction additive, où la pièce résultante est construite progressivement. Ceci est en opposition avec l'usinage - par exemple, en utilisant une machine-outil contrôlée par ordinateur, où un bloc de matière existante est usiné à la forme finale souhaitée en enlevant le matériau en trop. Certaines matières comme les plastiques se prêtent bien à des procédés additifs, alors que d'autres, comme le métal, sont le plus souvent gérés par des méthodes soustractives.
Even within the domain of 3D printing, there are many variants. Some of the more expensive, such as sintering, involve heating small particles of the material with a laser to fuse them together and form the object being built. In others, a solution of material is locally heated, transforming the liquid solution into a solid layer. In the vast majority of commercial 3D printers that would be in the price range of the enthusiast or a small business, a plastic extrusion process is used. In this, a plastic filament is slowly extruded through a heated nozzle. The plastic melts when going through the nozzle, and fine points or lines of material are deposited in layers to build up the object from bottom to top. This system has its quirks. The first main point to take into account is that very fine object volumes or parts may not come out as expected. Details of less than 2-3 mm thickness may be very brittle once printed and, in fact, may easily be broken off when removing the printed part from the supporting plate. Naturally, the details depend on the actual printer used, and on the level of detail dialed into the printer. With thinner layers (0.1 mm instead of the more common 0.2 mm), finer details will come out better, but at the expense of a much longer print run. Time spans of 2-3 hours are not uncommon for small objects (1-2 cm tall), and can go up from there for larger objects. The second point is that the upper layers of plastic are laid down on top of the lower layers. However, the plastic is quite liquid when leaving the nozzle, and so needs a stable base to rest on while solidifying. Structures such as overhangs or arches in the model will not come out well, if left unsupported.
Même dans le domaine de l'impression 3D, plusieurs variantes existent. Certaines parmi les plus chères, comme le frittage, comprennent le chauffage de petites particules de matière avec un laser pour les fondre ensemble et former l'objet à construire. Dans d'autres, une solution de matière est chauffée localement, transformant la solution liquide en une couche solide. Dans la grande majorité des imprimantes 3D du commerce qui seraient dans la gamme de prix d'un amateur ou d'une petite entreprise, un procédé d'extrusion du plastique est utilisé. Dans celui-ci, un filament de plastique est lentement extrudé à travers une buse chauffante, qui le fait fondre, et des petits points ou lignes de matières sont déposées en couches pour construire l'objet, du bas vers le haut.
Ce système a ses défauts. Le premier point principal à prendre en compte est que les volumes très fins d'un objet ne ressortiront peut-être pas comme attendu. Les détails d'une épaisseur inférieure à 2-3 mm pourraient être très fragiles une fois imprimés et, en fait, pourraient être facilement cassés en retirant la pièce imprimée de la plaque de support. Naturellement, les détails dépendent de l'imprimante réellement utilisée, et du niveau de détail accessible à l'imprimante. Avec des couches plus fines (0,1 mm au lieu des 0,2 mm plus habituels), des détails plus fins sortiront mieux, mais au détriment d'un temps d'impression plus long. Des durées de 2-3 heures sont assez habituelles pour de petits objets (1-2 cm de haut) et peuvent les dépasser pour des objets plus grands.
Le second point est que les couches supérieures du plastique sont étalées sur les couches inférieures. Cependant, le plastique est pratiquement liquide quand il quitte la buse et a ainsi besoin d'une base solide pour se reposer pendant la solidification. Des structures comme des surplombs ou des arches dans le modèle ne vont pas sortir correctement, si elles restent sans support.
Many printer control applications alter our model adding supportive structures. These are printed together with the model itself, and must be removed after printing. In the accompanying image, a model of a wheel rim has been printed. Part of the mat laid down by the printer to fix the part to the supporting plate is still attached to the bottom of the part. The interior of the recess along the rim has been filled in with vertical column-like shapes by the printing software, in an effort to ensure the top edge does not fold down while still hot. These shapes are quite ungainly, but are also thin walls and may easily be pared off with a sharp knife (but do be careful with your fingers). Depending on the shape of the model, cleaning up may be quite involved. In a recent project, a 4×4 link chainmail assembly took one hour of printing time, but then required two hours of manual cleaning up and surfacing. Material loss would also be a concern in an industrial environment: in this case, 3.3 g of the final object required a total of 7.2 g of printed material. A material efficiency of less than 50% can be seen as far from ideal.
Beaucoup d'applications de pilotage d'imprimante altèrent notre modèle en ajoutant des structures de renfort. Elles sont imprimées en même temps que le modèle et doivent être retirées après impression. Dans l'image d'illustration, un modèle de jante a été imprimé. Une partie du matériau étendu par l'imprimante pour fixer la pièce sur la plaque de support est encore attaché au bas de la pièce. Le logiciel d'impression a rempli l'intérieur du creux le long de la jante par des formes ressemblant à des colonnes, dans un souci d'éviter que la partie haute ne s'effondre pendant qu'elle est chaude. Ces formes sont assez disgracieuses, mais ce sont aussi de fines parois et elles peuvent être enlevées facilement avec un couteau effilé (mais soyez prudent avec vos doigts).
Suivant la forme de votre modèle, le nettoyage pourrait être très compliqué. Dans un récent projet, la durée d'impression d'un ensemble de chaînage avec des liens 4 par 4 a pris une heure, mais il fallait deux heures pour nettoyer et refaire l'état de la surface manuellement. Les déchets de matière seraient aussi un problème dans un environnement industriel : dans ce cas, 3,3 g du produit final nécessitaient un total de 7,2 g de matériau d'impression. Un rendement de moins de 50 % est loin d'être idéal.
Building and printing a simple object The actual details of our workflow can vary, depending on which program set we choose to use. However, the main steps will be as follows: • Build the computer model, using volumes. Thin, flat parts must be rendered as volumes, with a thickness that for best results should not go below 1 mm. In this series, we will naturally use FreeCAD for this stage. However, other options such as Blender are also quite suitable, as long as they can export object meshes in the STL file format. • Use a slicer program to convert the object into a series of flat slices. These slices are then converted into a sequence of G-code commands, that in essence tell the printer to place its head at such-and-such coordinates, and turn the plastic extrusion on and off. A common choice for this stage is Slic3r (http://slic3r.org/ ). • Use a third program to connect to the printer, and actually perform the printing process. Printrun / Pronterface (http://www.pronterface.com ) is a popular choice.
Construire et imprimer un objet simple
Les détails réels de notre flux d'actions peuvent varier, suivant le jeu de programmes que nous choisissons d'utiliser. Cependant, les étapes principales seront les suivantes : • Construire le modèle informatique, en utilisant les volumes. Les pièces fines et plates doivent être rendues comme des volumes, avec une épaisseur qui ne descend pas sous 1 mm pour de meilleurs résultats. Dans cette série, nous utiliserons FreeCAD pour cette étape. Cependant, d'autres options telles que Blender sont aussi bien adaptées si des objets maillés peuvent être exportés dans le format de fichier STL. • Utiliser un logiciel de mise en couches pour convertir l'objet en une série de couches plates. Ces couches sont ensuite converties en une séquence de commandes en G-code, qui, à la base, dit à l'imprimante de positionner sa tête à telles ou telles coordonnées, et allume/éteint l'extrusion du plastique. Un choix classique pour cette étape est Slic3r (http://slic3r.org/ ). • Utiliser un troisième programme pour se connecter à l'imprimante, et réaliser effectivement le processus d'impression. Printrun/Pronterface (http://www.pronterface.com ) est un choix populaire.
Two file formats form the glue between stages (a) and (b), and between (b) and ©. The STL format previously discussed in parts 7 and 8 of this series is a standard way to transfer our object’s form from the design application to the slicer. Other choices do exist, such as OBJ files, but do seem to be slightly less well supported. G-Code files may be used to transfer data from the slicer to the printer controller, though this step is omitted if the slicer can also act as a printer controller. Applications such as Slic3r can control directly a certain number of printer models, mostly open-source hardware. However, many (commercial) models require their own software for slicing and controlling the printer, which is usually found only for Windows. This may be a point to take into account if or when selecting a printer to purchase. Let us start with a simple truss object, basically a triangular structure of square bars connected with transverse circular bars. The first point we will need to get right is dimensions. Depending on your printer, there will be limits to the overall size of the object to be printed. In this case, I chose to build a piece 120 mm in length, the size of the longest bar. Bar sections were 3 mm square, to make them easy to print. Finally, the circular joints have an internal radius of 3 mm, and 6 mm external. The overall height of this structure is 4.5 mm.
Deux formats de fichiers font le lien entre les étapes (a) et (b), et entre (b) et ©. Le format STL présenté précédemment dans les parties 7 et 8 de la série est une façon normale de transférer la forme de notre objet de l'application de dessin vers le gestionnaire de couches. D'autres choix existent, tels que les fichiers OBJ, mais ils semblent un peu moins bien supportés. Des fichiers en G-code peuvent être utilisés pour transférer les données du gestionnaire de couches au contrôleur d'impression, bien que cette étape puisse être omise si celui-ci peut aussi faire le contrôle d'impression. Des applications comme Slic3r peuvent piloter directement un certain nombre de modèles d'imprimantes, pour la plupart, des matériels en Open Source. Cependant, beaucoup de modèles (commerciaux) nécessitent leur propre logiciel de mise en couche et de pilotage d'impression, qu'on ne trouve habituellement que pour Windows. Ceci est un point à prendre en compte si ou quand vous choisissez une imprimante à acheter.
Commençons avec un simple objet en treillis, basé sur une structure triangulaire de barres carrées reliées par des barres circulaires transversales. La première chose que nous aurons à corriger sont les dimensions. Suivant votre imprimante, des limites existeront pour la taille hors tout de votre objet à imprimer. Dans ce cas, j'ai choisi de construire une pièce longue de 120 mm, taille de la barre la plus longue. La section des barres est un carré de 3 mm, pour faciliter leur impression. Enfin, les jonctions circulaires ont des rayons intérieur de 3 mm et extérieur de 6 mm. La hauteur totale de la structure est de 4,5 mm.
To set up this piece, a traditional CAD procedure would be to draw a flat representation of the external shape, make sure all joints fit by trimming lines as required so that there is no intrusion of one bit into another, and then draw in the circles representing the holes in each joint. Using the more advanced features of modern 2D CAD applications such as LibreCAD, one could easily add some filleting to make joints a tad more robust at the unions between bars and cylinders. To build a 3D model, however, it is more convenient to think in terms of assemblies. I started out immediately in 3D by drawing a cylinder object in the Part workbench of FreeCAD, to represent one of the joints. I then draw a second, taller, cylinder to represent the cutout for the hole, and subtracted both objects to create a hollow cylinder. I then copied and pasted this complete part into the three final positions for the joints. I then created a flat bar of the appropriate section, and then copied, rotated and scaled it into position three times to form the triangular structure. Some care needs to be taken in this assembly, since it is clear some overlapping of parts has occurred. In the real world, the bars would need to abut to the outside surface of the cylinders, and bar extremities would need to be shaped accordingly. As an alternative, vertical slots could be cut into the cylinder walls, and the bar heads left square and slotted into the cylinders.
Pour réaliser cette pièce, une procédure traditionnelle de CAO serait de dessiner une représentation plane de la forme extérieure ; assurez-vous que toutes les jonctions conviennent en ajustant les lignes au besoin, de sorte qu'il n'y ait aucune intrusion d'un élément dans un autre, et ensuite en dessinant les cercles représentant les trous dans chaque jonction. En utilisant des fonctionnalités plus pointues des applications modernes en 2D telles que LibreCAD, il est possible d'ajouter facilement des congés pour rendre un peu plus robustes les liaisons entre les barres et les cylindres.
Cependant, pour construire un modèle en 3D, il est préférable de penser en terme d'ensembles. J'ai commencé tout de suite en 3D par le dessin d'un objet cylindrique dans l'atelier Part de FreeCAD, pour représenter une des jonctions. Ensuite, j'ai dessiné un second cylindre, plus large, pour représenter la découpe du trou et soustrait les deux objets pour créer un cylindre creux. Puis, j'ai copié/collé cette pièce complète dans les trois positions finales des jonctions. J'ai ensuite créé une barre plate de section appropriée, et je l'ai copiée, tournée et mise à l'échelle en position, trois fois, pour former la structure triangulaire.
Un peu de soin doit être apporté lors de cet assemblage, car il est clair qu'un certain chevauchement des pièces aura lieu. Dans la vie normale, les barres devraient affleurer les bords extérieurs des cylindres et les formes des extrémités des barres devraient correspondre. Comme autre option, des fentes verticales pourraient être réalisées dans les cylindres, et les embouts des barres, laissés carrés, seraient enfilés dans les cylindres.
In the magical world of 3D printing, however, the intrusion of one volume into another may not be a problem. Most printing software can take care of this, so that the plastic material in each volume does not get printed twice over - which would result in a big mess. Instead, software is smart enough to perform a boolean union on all volumes and stitch them together correctly. It must be said, however, that not all printing software is equal in this aspect, and some experimentation may be necessary to find the limits of a particular printer software and hardware combination. Once the external truss had been built up, I wanted to fill in the center with a non-structural mesh. There are several ways of going about this. For instance, one could build a flat volume to fit the empty space, and then cut holes in it to suit. I wanted something a bit more fancy, along the lines of the beehive motives seen in some modern car grills. So I started by building a basic hexagonal shape in the same way I had done the cylindrical joints. I began by drawing a vertical six-sided prism with sides 9 mm long and height 3 mm, then cut out another vertical prism with sides 8 mm long from the center. I then replicated this basic motif to fill the space in a honeycomb structure.
Cependant, dans le monde magique de l'impression en 3D, l'introduction d'un volume dans un autre pourrait ne pas être un problème. La plupart des logiciels d'impression peuvent s'en arranger, de sorte que le matériau plastique de chaque volume ne serait pas imprimé deux fois, ce qui ferait un gros pâté. À la place, le logiciel est assez intelligent pour réaliser une union booléenne de tous les volumes et les solidariser tous correctement. Néanmoins, il faut dire que tous les logiciels d'impression ne sont pas égaux sur ce point et quelques essais peuvent être nécessaires pour trouver les limites combinées du logiciel et du matériel d'une imprimante particulière.
Une fois le treillage extérieur construit, je voulais remplir le centre avec un maillage non structurel. Il y a plusieurs façons de le faire. Par exemple, un volume plat peut être construit, adapté à l'espace vide, puis on pourrait y couper des ouvertures convenables. Je voulais quelque chose de plus raffiné, comme les lignes des motifs en nid d'abeille de certaines calandres de voitures modernes. Aussi, je commençais par construire une forme hexagonale de base, de la même façon que j'avais fait les joints cylindriques. Je commençais par dessiner un prisme vertical à six côtés de 9 mm de long et 3 mm de haut, puis je découpais un autre prisme vertical avec les côtés à 8 mm du centre. Je dupliquais ensuite ce motif de base pour remplir l'espace avec une structure en nid d'abeille.
At this point, I had both the external triangle and the inner grille. However, the grill did protrude slightly from the sides of the triangle. So, it was back to the Draft workbench and I drew a rough approximation of the external triangle as a continuous Wire object. This object, extruded upwards, gave me the shape of the internal space, with some overlap with the triangle’s bars. I then defined the grille as the intersection of the first grill and this new volume, which in essence trimmed its shape down to fit within the interior space of the triangle. The final piece is the combination of the external triangle, plus the grill. This assembly is then made into a single object using a boolean union. Once we have our object prepared, the printing process should be rather straightforward. Starting in FreeCAD, select the final part and export it into an STL file with menu option File > Export. From there, either use the Slic3r, or any equivalent slicer software, to slice and print the model. Once finished, the auxiliary mat can be stripped away. Some surface finishing will probably need to be done, specially on the lower side where it has been in contact with the mat.
À ce stade, j'avais à la fois le triangle extérieur et la grille intérieure. Cependant, la grille dépassait légèrement des bords du triangle. Aussi, je suis retourné dans l'atelier Draft où j'ai dessiné une approximation grossière du triangle extérieur sous forme d'objet Wire continu. Cet objet, extrudé vers le haut, me donna la forme de l'espace intérieur, avec un peu de recouvrement sur les barres du triangle. Ensuite, j'ai défini la grille comme l'intersection de la première grille et du nouveau volume, ce qui, en fait, ajuste sa forme pour qu'elle s'adapte à l'espace intérieur du triangle.
La pièce finale est la combinaison du triangle extérieur, plus la grille. L'assemblage en un seul objet est ensuite fait par une union booléenne.
Une fois que votre objet est prêt, le processus d'impression devrait être plutôt simple. À partir de FreeCAD, sélectionnez la pièce finale et exportez-la dans un fichier STL par l'option de menu Fichier > Exporter. De là, utilisez, soit Slic3r, soit un logiciel de mise en couche équivalent, pour saucissonner et imprimer le modèle.
Une fois fini, le matériau auxiliaire peut être détaché. Une finition de la surface sera probablement nécessaire, particulièrement sur la partie inférieure où elle était en contact avec le socle.
What next? In this article on using FreeCAD, we explored going from a computer model to something physical, using a 3D printing technique. We went through both some of the strong points of 3D printing, and the weak points. We discussed 3D file formats, we built a model in FreeCAD, and printed it using the Slic3r software. This specific model, built in plastic, would probably have no intrinsic purpose. However, it could be used as a basis for a mold for a metal copy, or simply as teaching material on truss structures and internal stresses within a structural object. In the next part of this series, we will change direction once more and explore some of the uses of copying objects to create a repetitive pattern such as chainmail.
Et ensuite ?
Dans cet article sur l'utilisation de FreeCAD, nous avons parcouru le trajet du modèle informatique à l'objet physique, en utilisant les techniques de l'impression en 3D. Nous avons vu quelques-uns des points forts de l'impression en 3D, et aussi ses points faibles. Nous avons parlé des formats de fichier 3D, nous avons construit un modèle dans FreeCAD et l'avons imprimé en utilisant le logiciel Slic3r. Ce modèle précis, construit en plastique, n'aura probablement pas d'usage intrinsèque. Cependant, il peut être utilisé comme base d'un moule pour une copie en métal, ou simplement comme matériel d'enseignement sur les structures en treillage et les contraintes internes dans un objet de structure.
Dans la prochaine partie de la série, nous changerons de direction une fois encore et nous explorerons certaines utilisations de la copie d'objets pour créer un motif répétitif comme une côte de maille.