Домашняя 3D фабрика удивительных вещей

В современно мире технологии 3D печати уже стали хорошо известны, и устройства трехмерного прототипирования, производящие различные модели, пользуются популярностью среди конструкторов, дизайнеров, технологов. Подобные 3D принтеры позволяют создавать прототип практически любого изделия. Действительно, это полезно и очень нужно, но стоимость подобных устройств и производимых ими изделий может оказаться доступна не всем.

Этот фактор значительно тормозит популяризацию технологий трехмерного прототипирования для массового применения. Однако уже сейчас появились устройства, которые стали доступными практически всем.

В этой статье я хотел бы рассказать о таком устройстве, которое сейчас производится и собирается в России.

Первое упоминание о подобном проекте датируется 2004 годом, однако в то время он позиционировался как 3D принтер с возможностью воспроизведения себе подобных. Сейчас же данное направление можно охарактеризовать как создание мини-фабрики в любом доме, в любой квартире, доступной любому человеку. Основной портал, где представлен наиболее полный набор информация по технологии RepRap, на которой базируется наше устройство, располагается по адресу http://reprap.org.

Наш интерес к разработке и созданию 3D принтера начался с идеи применения данного устройства для создания прототипов корпусов роботизированных платформ. Таким образом, можно было быстро и дешево делать макеты, максимально точно отвечающие всем конструктивным особенностям наших роботов. Первый принтер был заказан из-за рубежа, так как это был самый простой на тот момент способ получить данное устройство и опробовать его в работе.

Полученный образец имел значительное количество скрытых проблем, которые проявили себя лишь после сборки и запуска печати.

Для того, чтобы добиться более качественной печати пришлось практически каждую деталь дорабатывать вручную, перепаивать электронику.

Также возникла проблема с печатью. Расплавленный пластиковый пруток, который подает экструдер, обладает эффектом термического расширения, и при остывании детали отлипали и деформировались. Эту проблему удалось решить при использовании подогреваемой платформы, которая позволяет поддерживать постоянную температуру и не допускает отлипания.

Однако, не смотря на все эти проблемы, в итоге мы поняли, что: • 3D-принтер действительно работает и имеет перспективы развития не только как домашнего принтера для производства различных предметов быта, но и для использования его в промышленности, в сфере образования, а также в других областях, где нужны трехмерные модели и дешевые станки с ЧПУ; • качество печати, как и саму конструкцию, можно и нужно улучшить и модернизировать.

Изучив существовашие в то время модели устройств, мы решили, что оптимальным вариантом для нас будет модель http://reprap.org/wiki/Prusa_Mendel. Однако в процессе сборки и эксплуатации мы поняли, что и этот принтер может быть качественно доработан и модернизирован.

Взяв за основу данное устройство, были переделаны все модели деталей, которые позволили обеспечить сведение возникающих во время работы люфтов к нулю, а также упростили сборку конечного продукта. Основными трудностями стали: • поиск необходимых материалов надлежащего качества для сборки устройства. Даже такие простые комплектующие как валы было проблематично найти, а закупив их, пришлось опять вернуться к ручному труду. Уже не говоря, о моторах, подшипниках, фторопласте за которые запрашивали астрономические суммы. Мы пришли к выводу, что российский рынок не желает помогать в работе никоим образом. • Расходный материал для печати. Закупка отечественного пластика показала, что он не годится для печати. Итог: забитое сопло экструдера, несколько дней, потерянных на восстановление. Аналогичная проблема возникла и с некоторыми иностранными поставщиками. Рассмотрим устройство поближе.

Конструкция представляет собой жестко скрепленный каркас, имеющий в своем составе несколько пар направляющих, которые обеспечивают линейные перемещения печатающего механизма (экструдера) по осям X и Y. Печать по оси Z обеспечивается посредством перемещения экструдера вверх-вниз при помощи винтовой передачи. Все перемещения осуществляются за счет использования шаговых двигателей и ременных передач. При этом точность позиционирования печати составляет порядка 100 микрон. Технология печати, используемая при работе принтера, основывается на экструзии пластикового прутка через выходное отверстие сопла, что позволяет слой за слоем получать готовые изделия по загружаемой 3D-модели. В качестве материала прутка используются пластики АБС (акрилонитрилбутадиенстирол, ABS) и ПЛА (полилактидная кислота, PLA), также могут использоваться ПП (полипропилен, PP), ПВД (полиэтилен высокого давления, HDPE), ПНД (полиэтилен низкого давления, LDPE).

Разрабатывая данный принтер, мы старались учесть все недочеты и минусы имевшихся аналогов. Положение валов было перепозиционировано, что позволило существенно уменьшить размеры каретки с экструдером и упростить процесс его сборки/разборки, а также позволило пропустить ремень почти через центр оси, что снизило нагрузки на пластиковые детали принтера. Предусмотрена возможность подключения системы охлаждения деталей, которая не остужает сопло.

В случае прочистки подающего механизма, необходимо лишь открутить 1 винт. Низкая посадка платформы относительно валов оси у, максимально снижает раскачивание на высоких скоростях печати.

Для подачи расплавленного прутка используется специальный экструдер, куда загружается материал и подается под давлением через выходное отверстие сопла.

Помимо модернизации конструкции стояла огромная задача по созданию управляющей электроники. Наш выбор пал на плату, объединяющую в себе сразу все необходимые составляющие. Однако, ознакомившись с имевшимися в открытом доступе чертежами, мы решили разрабатывать полностью электронику сами. Мы добавили фильтры питания, которые обеспечивают защиту платы от помех и перегрузок, надежные разъемы, подобранные под использование доступного всем компьютерного блока питания.

Плата позволяет подключать: — 4 шаговых двигателя, по одному на каждую ось и один мотор на экструдер; — подогреваемую платформу для работы с пластиками, обладающими сильным термическим расширением (на подобие ABS), что позволяет свести к минимуму отлипание трехмерных прототипов и их деформацию при печати; — также предусмотрена возможность подключения дополнительных внешних устройств через каналы I2C и SPI. Это может быть SD карточка для печати напрямую с нее, дисплей, модуль управления электроникой (в стадии разработки). Работа с принтером происходит при помощи специального программного обеспечения: • ReplicatorG; • Skeinforge. Skeinforge предназначен для генерации g-кода из 3D моделей. Он позволяет пользователю изменять различные параметры работы устройства для получения оптимального качества печати. Настройка параметров печати играет немаловажную роль при работе с 3D принтером. ReplicatorG предназначен для связи ПК с принтером и на основе загружаемого g-кода позволяет начать печать.

Основные характеристики 3D принтера: — Вес принтера: 10 кг; — Габаритные размеры принтера: 450х395х400 (ДхШхВ, мм); — Максимально возможные размеры печатаемой модели: 200х200х140 (ДхШхВ, мм); — Используемый материал для печати: пластики ABS, PLA, PP, HDPE, LDPE; — Диаметр выходного отверстия сопла: 0,4 мм; — Теоретическая точность позиционирования: 0,1 мм; На данный момент ведется разработка профессиональной версии устройства, модернизация электроники и подключаемых модулей. Также сейчас проходят тестирование новые сопла, качество печати которых можно увидеть на фотографиях, представленных ниже.