15 декабря 2012 г.

3D принтер RepRap. Часть 1 - введение

Эта статья - первая из небольшого цикла статей по сборке, настройке и калибровке 3D принтера RepRap Prusa Mendel (Iteration 2).

Эти статьи не будут детальным пошаговым руководством, скорее это будет нечто вроде плана, набора советов, описания подводных камней и некоторых моментов слабо освещенных в официальной вики проекта RepRap. В общем, систематизацией моего скромного опыта полученного при сборке 3D принтера.

В этой статье речь пойдет о возможностях 3D принтера который можно собрать самостоятельно и о выборе контрактной модели.


Введение

Сначала немного о том что такое 3D принтер, зачем он нужен и почему именно RepRap.

3D принтер это устройство для создания физического объекта на основе компьютерной 3D модели. Иногда 3D принтеры называют устройствами быстрого прототипирования (rapid prototyping), потому что с их помощью можно в кратчайшие сроки пройти путь от идеи до работающего прототипа.

3D принтеров, как и технологий печати - великое множество. И печатать принтеры могут разными материалами - от пластика до нержавеющей стали и биологических тканей. Конечно дома держать (а тем более - собрать самостоятельно) можно не любой 3D принтер. Больше всего для этого подходят принтеры использующие технологию FDM - fused deposition modelling. Суть её в том что трёхмерный объект создается путём последовательного нанесения слоев расплавленного материала (чаще всего - пластика).

Принцип работы FDM принтера достаточно прост - расходный материал (пластик) дозировано подается в экструдер, в котором он плавится и тонкой струйкой выходит через сопло экструдера. Первый слой пластика ложится на поверхность стола для печати (print bed). Последующие слои ложатся поверх предыдущего. Т.к. горячий пластик хорошо склеивается с предыдущим слоем - на выходе получается цельный объект.
Объект в процессе печати.

Благодаря своей простоте, доступности и небольшим габаритам FDM принтеры стали очень популярными - есть множество готовых моделей которые может купить любой желающий, а также есть открытые проекты рассчитанные на самостоятельную сборку 3D принтера.

Покупать или собирать?

Скорее всего, если вы задаетесь таким вопросом, то ответ будет - покупать. Самостоятельная сборка 3D принтера требует много усилий, времени, инструментов, а в результате вряд ли вам удастся сильно сэкономить, да и качество печати, скорее всего, получится хуже чем у покупного принтера. Однако, если вам хочется сделать что-то своими руками, есть запас терпения, свободного времени, и большое желание разобраться как это все работает - то можно взяться за постройку принтера. Кроме того, самостоятельно собранный принтер можно совершенствовать практически бесконечно, улучшая качество и увеличивая скорость печати, или вообще - превратить его в сверлильный станок или гравёр с ЧПУ.

Как промежуточный вариант можно купить набор (kit) для сборки 3D принтера, но это, на мой взгляд, самый плохой вариант. Купив кит, вы не получите самых существенных преимуществ от покупки готового принтера, таких как полностью собранный, проверенный и откалиброванный принтер. Но и получить все преимущества от самостоятельной сборки принтера, такие как - наличие неограниченного количества запасных деталей, высокая ремонтопригодность, и, конечно, удовольствие от конструирования - тоже вряд ли удастся. Скорее всего, большую часть времени вам придется возиться с проблемами конкретного кита.

Почему RepRap Prusa Mendel?

Как я уже говорил, открытых проектов по сборке 3D принтера несколько, среди них: RepRap, Ultimaker, Makerbot Thing O'Matic.

На момент написания этой статьи самым популярным был именно RepRap, и это послужило первой причиной его выбора. Второй причиной послужило то что модели проекта RepRap показались мне проще для сборки. И, наконец, третья причина - это большое количество документации, статей и видео по проекту RepRap. Сообщество очень большое и отзывчивое, ответ на любой вопрос можно получить на форуме или IRC канале.

На главной странице RepRap Wiki можно увидеть несколько различных моделей 3D принтеров:  Mendel, Prusa Mendel, MendelMax, Wallace, RepRapPro Huxley, RepRapPro Mendel. Там же можно и почитать чем они отличаются.
Мой RepRap Prusa Mendel на начальных этапах калибровки.

Если вкратце - RepRap Prusa Mendel это полноразмерный принтер при разработке которого фокусировались на простоте сборки и настройки, а также доступности запчастей. Т.к. у меня нет мастерской со станками и множеством инструментов - этот вариант оказался для меня наиболее подходящим. Впрочем, если у вас ситуация противоположная - я бы рекомендовал обратить внимание на модели принтеров с неподвижным (а вернее перемещающимся по оси Z) столом, такие как Ultimaker.

Как можно догадаться из названия - RepRap Prusa Mendel это модификация принтера RepRap Mendel созданная Джозефом Прюшей (Prusa). Главной предпосылкой в создании этой модификации послужило то, что оригинальный Mendel был слишком сложен в постройке и калибровке. Созданная Прюшей модель оказалась в этом плане намного удачнее.

Что можно напечатать?

К сожалению, методом FDM можно распечатать не любую модель. Главное ограничение здесь в том, что модель печатается послойно, и следующий слой должен ложится на предыдущий (как при строительстве кирпичного дома). Это означает, что если в модели будут определенные отверстия или свесы, может создаться ситуация когда следующему слою будет не на что  ложиться, а зависнуть в воздухе, к сожалению, не получается.

Пример "невозможной" печати - части объекта обведенные красной пунктирной линией "висят в воздухе".

Конечно, принтер может печатать свесы (overhangs) и мосты (bridges) до тех пор пока их угол/длинна не превышают предельного значения, но качество печати при этом падает. Кроме того, принтер должен быть хорошо откалиброван и снабжен вентилятором, что бы хорошо справляться со свесами и мостами.

Пример печасти моста. Расстояние между опорами - 2см.

Пример печати свеса. Длинна свеса 1,4см.


Для решения этих проблем обычно стараются располагать модель таким образом, что бы количество свесов и мостов было минимальным. Если это не удается - модель можно разбить на части, напечатать по частям а затем склеить или свинтить. Еще можно при печати модели печатать также специальные поддерживающие структуры на которые будут ложиться следующие слои, что бы не висеть в воздухе. Используя эти методы, в принципе, можно напечатать модель практически любой формы.

Еще одно существенное ограничение это степень детализации. Нить расплавленного пластика имеет свою толщину (около 0,4мм), да и позиционирование сопла не идеально точное (около 0,1 - 0,2 мм), поэтому слишком мелкие детали распечатать не получится.

Но даже несмотря на эти ограничения список того что можно напечатать с помощью такого 3D принтера огромен - всевозможные модельки, детали, игрушки, предметы обихода и т.д. Я бы советовал посмотреть напечатанные модели на сайте Thingiverse что бы составить общее представление о возможностях 3D принтера. Этот сайт - самое популярное открытое хранилище со всевозможными моделями, которые можно оттуда скачать и распечатать.

Вот немного моделей распечатанных на моем принтере (хотя они не являются образцом качества). Материал - PLA.
Куб-компаньон из игры Portal.

Модель истребителя F-15.

Крепление для вентилятора.

Еще одна система крепления для вентилятора.

Действующая модель редуктора.

Чем печатать?

В качестве расходного материала для принтера используются прутки из различных материалов.   Использование прутка, а не гранул, обусловлено типичной конструкцией экструдера. Дело в том, что при печати необходимо уметь выдавливать точное количество пластика. В случае с пластиковым прутком это просто - т.к. диаметр прутка фиксирован и известен (1,75мм либо 3мм), достаточно просто подать нужное количество прутка в экструдер. Использование гранул вместо прутка сильно бы усложнило конструкцию экструдера. Хотя у пластика в гранулах есть одно неоспоримое преимущество - крайне низкая цена.

В большинстве случаев для печати используются прутки из ABS и PLA. Еще можно печатать водорастворимым PVA, полиэтиленом, нейлоном, поликарбонатом. Но наиболее отработанной, распространенной и безопасной является всё же печать из ABS и PLA.

ABS (aкрилонитрилбутадиенстирол) - прочный пластик с температурой плавления около 100C. Из него, например, сделаны детали конструктора Lego. Части RepRap напечатаны именно из ABS.

PLA - биоразлагаемый пластик с температурой плавления около 60C. В развитых странах используется для производства одноразовой посуды и пакетов. Нетоксичен, основным сырьем для его производства служит кукуруза.

В продаже можно найти прутки практически любых цветов, и даже светящиеся в темноте. Но это позволит лишь делать модели разных цветов, использование нескольких цветов при печати одной модели таким принтерам пока не под силу (если, конечно, модель не печатается по частям). Хотя стоит упомянуть что есть экструдеры с несколькими соплами, которые при печати позволяют одновременно использовать 2-3 различных прутка (например разных цветов, или из разных материалов).

Стоимость и время печати

Пластиковый пруток обычно продается на вес. Килограмм ABS или PLA прутка диаметром 3мм стоит около 20-50$ (в зависимости от качества прутка и наглости продавца). Что бы примерно оценить расход пластика взгляните на эту модельку магистра Йоды:

Модель магистра Йоды из Звездных Войн.

На её печать ушло 40г PLA, в денежном эквиваленте это около $1,5.

Время печати сильно зависит от настроек принтера и самой модели, поэтому дать какую-то оценку здесь тяжело. Скажу только что эта моделька магистра Йоды печаталась чуть больше трёх часов.

Итог

Я надеюсь эта статья помогла вам составить общее прелставление о FDM 3D принтерах. И если вы все же решили построить его самостоятельно - в следующей статье я расскажу о том где можно достать необходимые материалы и инструменты, и во сколько всё это обойдется.

2 комментария:

Анонимный комментирует...

Спасибо за интересный экскурс в мир 3d принтеров.

Медвед Кулибяка комментирует...

Познавательно!

Отправить комментарий