Введение
Инновационные технологии стремительно входят в нашу жизнь, находя себе новые и новые применения. Многое что сегодня является для обычного человека банальностью, то для человека прошлого века было чем-то фантастическим и недостижимым. В сегодняшнее время идёт мощное развитие всевозможных технологий, которые так или иначе делают нашу жизнь легче и рациональнее. Одним из крупных шагов в развитии автоматизированной технологии производства стало разработка 3D принтера.
Сейчас доступно купить любой DIY мини-3D принтер и по инструкции собрать его.
Но с такими устройствами мы получаем проприетарное программное обеспечение и привязанность к запчастям конкретного производителя.
Самостоятельное же создание аддитивного принтера — трудоёмкий процесс. Такое устройство не получится сделать за один вечер, а его настройка также может занять дополнительное время. Стоимость сборки при самостоятельном поштучном заказе компонентов может превысить цену бюджетного 3D-принтера, изготовленного фабрично.
Но мне, как человеку, увлекающегося техникой, электроникой, робототехникой и наукой, было интересно самому спроектировать и создать по своему чертежу 3 D принтер, который будет доступен и не отличаться от заводских версий.
Объект исследования: аддитивные технологии.
Предмет исследования: 3D-принтер
Цель исследования: собрать 3D принтер и приобщить молодежь к технологии.
Задачи:
- Изучить историю появления и области применения 3D-принтера
- Начертить модель принтера, собрать механику и электронику
- Отладить программный код
- Произвести отладку и пусковые работы.
Новизна нашего проекта состоит в том, что он будет создан не по готовому чертежу. За основу был взят лишь принцип работы. Создание своими руками новой современной модели, это уже эксклюзив.
Практическая значимость исследования состоит в том, что может являться методическим пособием для многих юных изобретателей. Что позволит в дальнейшем нам, совершенствуясь, и накапливая опыт и мастерство, вывести нашу страну в лидеры в сфере инновационных и компьютерах технологий.
Преподавание данной методики на уроках технологии и робототехники.
Апробация работы: были созданы 3D принтеры с различной кинематикой и областью печати. После отладки и коррекции прототипов, произведены полностью работающие 3D принтеры. Которые не уступают и превосходят многие на рынке.
История появления и области применения 3D-принтера
3D печать появилась на свет 40 лет назад и открыла потрясающие возможности для создания различных моделей в прототипировании, стоматологии, мелкосерийном производстве, кастомизированных продуктов, миниатюр, скульптур, макетов и многого другого.
Кто же изобрел 3D-принтер? Какая технология 3D-печати была сначала? И что напечатали на 3D-принтере первым делом? Приоткроем завесу тайны над огромным количеством интересных фактов и историй о появлении технологии.
Итак, как все начиналось…
Этап 1: Рождение идеи
Доктор муниципального промышленного исследовательского института в Нагоя, Хидео Кодама, подал заявку на регистрацию патента на устройство, которое с помощью УФ-засветки послойно формировало жесткий объект из фотополимерной смолы.
По сути, он описал современный фотополимерный принтер, однако не смог в течение года, как того требовало патентное право, предоставить необходимые данные для регистрации патента и забросил идею. Тем не менее, во многих источниках именно его называют изобретателем технологии 3D-печати.
В 1983 году трое инженеров - Ален Ле Мехо, Оливье де Витт и Жан-Клод Андрэ из французского национального центра научных исследований, в попытке создать то, что они называли «фрактальным объектом», пришли к идее использования лазера и мономера, который под воздействием лазера превращался в полимер. Заявку на патент они подали за 3 недели до американца Чака Хала. Первым объектом, созданным на аппарате, стала винтовая лестница. Технологию инженеры назвали стереолитографией, а патент был одобрен только в 1986 году. Благодаря им самый известный формат файла для 3D-печати и называется STL (от англ. stereolithography). К сожалению, институт не разглядел перспектив в изобретении и его коммерциализации, и патент не был использован для создания конечного продукта.
Чак Халл подал патентную заявку 8 августа 1984, и 11 марта 1986 года она была одобрена. Изобретение получило название «Аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии». Чак основал свою компанию - 3D Systems, и в 1988 году выпустил на рынок первый коммерческий 3D-принтер – модель SL1.
Удивительно, но более простой и дешевый способ 3D-печати - FDM (Fused Deposition Modelling) был создан после SLA и SLS, в 1988 году. Его автором стал авиационный инженер Скотт Крамп. Крамп искал простой способ создания игрушечной лягушки для своей дочери и использовал горячий клеевой пистолет: расплавил пластик и разлил его по слоям. Так родилась идея FDM 3D-печати, технологии послойного наплавления пластикой нити. Крамп запатентовал новую идею и стал соучредителем Stratasys вместе со своей женой Лизой Крамп в 1989 году. В 1992 году они выпустили на рынок свой первый серийный продукт - Stratasys 3D Modeler.
Этап 2: 3D-печать становится доступной
Спустя 20 лет, в 2005 году появился проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper) — самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов.
Но фактически группа энтузиастов во главе с Эдрианом смогла наконец создать бюджетный 3D-принтер для домашнего или офисного использования.
Идею быстро подхватили трое техногиков из Нью-Йорка и открыли компанию по производству настольных FDM принтеров - MakerBot. Этот и стало вторым поворотным моментом в современной истории 3D-печати.
Еще одним важным этапом стало появление в сети Интернет файлов печати с открытым исходным кодом. Сайты www.thingiverse.com, www.myminifactory.com и многие другие, содержат как бесплатные, так и платные файлы для 3D-печати. Пользователи делятся моделями в интернете и печатают их самостоятельно.
Относительно недавно, каждый желающий мог скачать готовые модели и собрать по ним 3D принтер. Основной материал для таких работ была фанера, акрил и конструкционный профиль. Основные производители были ZAV, ULTI и Prusa позднее технологии развивались, как и материал. Стали появляться модели из стали и композита. UNI, BR, ZAV, VORON и т.д.
Основные виды Кинематики: «Prusa», H-Bot, COREXYи DELTA.
Проектирование и сборка 3D принтера
Над данным проектом мы работали в программе Autodesk Fusion 360. В ней были созданы все отдельные компоненты и объединены в единую 3D модель (приложение I).
Технические характеристики 3D принтера 1:
Габаритные размеры 3D принтера 502х400х620 мм
Вес 38 кг
Кинематика H-BOT или CORE XY
Тип корпуса закрытый
Область печати 215х315х300 мм
Тип стола нагреваемый
Количество экструдеров 1 шт.
Диаметр сопла экструдера от 0,1 мм до 1 мм
Средняя скорость печати 100 мм/с
Минимальная толщина слоя 0,1 мм
Минимальная толщина стенки 0,1 мм
Технология печати FDM
Программная среда(слайсер) - Repetier-Host (и совместимые)
Поддерживает форматы STL, OBG
Технические характеристики 3D принтера 2:
Габаритные размеры 3D принтера 694х555х940 мм
Вес 84 кг
Кинематика CORE XY или AWD CORE XY
Тип корпуса закрытый
Область печати 350х350х500 мм
Тип стола нагреваемый
Количество экструдеров 1 шт.
Диаметр сопла экструдера от 0,1 мм до 1 мм
Средняя скорость печати 150 мм/с
Минимальная толщина слоя 0,1 мм
Минимальная толщина стенки 0,1 мм
Технология печати FDM
Программная среда(слайсер) - Repetier-Host (и совместимые)
Поддерживает форматы STL, OBG
Основой принтера будет служить алюминиевый профиль и сталь 1, 2 и 5 мм. Производство в России
Из основных приобретённых комплектующих: шаговые двигателя типа NEMA 17 – для привода осей Х, Y, Z, и экструдера, 2 линейных направляющие, ролики, концевые выключатели, система подачи пластика (тип директ), шкивы, резьбовая шпилька, зеркало с нагревательной пластиной, тефлоновая трубка. Полная специфика в дополнительном бланке.
Нами были изготовлены следующие комплектующие:
- Крепление шаговых двигателей (лазерный станок),
- Пластина стола (лазерный станок),
- Крепление линейных направляющих (лазерный станок),
- Соединительные детали рамы (лазерный станок),
- Крепления шкивов (лазерный станок),
- Хотенд экструдера (гибка металла),
- Соединительная муфта (токарный станок),
- Оси для роликов (токарный станок),
- Рама (чпу плазма и гибка)
Изготовив все детали, начинаем поэтапную сборку 3D принтера по узлам:
- Узел «Рама», детали соединяются вытяжными заклепками. Нарезается резьба в специальных отверстиях. Устанавливается конструкционный профиль для жесткости.
- Узел «Стол», состоящий из пластины стола и крепления линейных направляющих.
- Узел «Портал». В нем использовались крепления шаговых двигателей, крепления шкива и линейная направляющих.
Электроника устанавливается на специальную пластину. И монтируется в соответствии с заданием. (расположением экрана и блока питания)
Далее мы прикручиваем крепление шагового двигателя и устанавливаем все шаговые двигатели. Собираем экструдер. И протягиваем 6мм ремень GT2
Работа над электроникой и программным кодом
Благодаря открытому проекту, электроника может использоваться любая. Но рекомендуем:
- В качестве основной платы управления Bigtritech Manta 5 или 8 + CB2
- Драйвера управления 2209
- Экран Bigtritech HDMI 5 или 7 дюймов
- Блок питания MW200/24
- Провода использовать в силиконовой оплетке
- Программировать 3D принтер будем в открытой среде Klipper. На сегодняшней день это самая актуальная прошивка, которая позволяет сделать 3D принтер быстрее и качественнее печать.
Заключение
Современная 3D-печать используется практически везде – от производства и строительства, медицины и электроники до фэшн-индустрии, и используются при этом металл и полимеры. Прогресс в области 3D-печати продвигается очень быстро. Преимущества перед устаревшими методами колоссальны: четкое математическое моделирование заданных характеристик, моментальное прототипирование, создание форм, ранее недоступных для машинного исполнения и безотходность производства.
И чтобы не отставать от актуальных течений в разработке цифровых технологий, мы поставили перед собой цель, создать 3D принтер, который бы стал главным помощником в развитии наших проектов.
В ходе работы над проектом:
- изучены модификации, существующих на рынке домашних 3д принтеров;
- рассмотрены варианты программного обеспечения и выполнен их выбор;
- приобретены двигатели и некоторые комплектующие элементы;
- созданы на станках большинство комплектующих элементов;
- разработана принципиальная электрическая схема соединения всех взаимодействующих электронных узлов;
- выполнен монтаж механических узлов 3D принтера;
- выполнен монтаж электронных компонентов;
- выполнена схема подключения платы управления (прокладка кабеля), блока питания и шаговых двигателей.
Нам удалось достичь поставленную цель.
В дальнейшем мы планируем заниматься разработкой иных ЧПУ технологий.
Литература
- Акбутин Э.А., Доромейчук Т. Н. 3D-принтер: история создания машины будущего // Юный ученый. — 2015. — №1. — С. 97-98.
- Кудашов Н.С., Соболева И. В. Исследование работы и области применения 3D принтера // Юный ученый. — 2017. — №2.2. — С. 58-61.
- Сообщество владельцев 3D принтеров https://3dtoday.ru/
- Краткая история 3D принтеров http://plastic3d.ru/news/Kratkaya-istoriya-3D-printerov-s-kartinkami и https://habr.com/ru/articles/553958/
- 3D принтер https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер
- https://www.thingiverse.com/