Адаптивные технологии. Создание 3D принтера на базе образовательной организации

Разделы: Информатика, Технология, Внеклассная работа, Дополнительное образование, Мастер-класс


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

  1. Акбутин Э.А., Доромейчук Т. Н. 3D-принтер: история создания машины будущего // Юный ученый. — 2015. — №1. — С. 97-98.
  2. Кудашов Н.С., Соболева И. В. Исследование работы и области применения 3D принтера // Юный ученый. — 2017. — №2.2. — С. 58-61.
  3. Сообщество владельцев 3D принтеров https://3dtoday.ru/
  4. Краткая история 3D принтеров http://plastic3d.ru/news/Kratkaya-istoriya-3D-printerov-s-kartinkami и https://habr.com/ru/articles/553958/
  5. 3D принтер https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер
  6. https://www.thingiverse.com/