История 3D-печати

История 3D-печати

У 3D-печати была длинная история, в ходе которой он имел различные названия, такие как стереолитография, трехмерная укладка, трехмерная печать. Последнее название прижилось и стало наиболее распространенным. В конце 1980-х и начале 1990-х годов начался рост производства присадок, используемых для быстрого прототипирования, известного как RP. Печать на базе этого расходника занимает время от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от выбранного проекта. RP-модели создаются с помощью автоматизированного проектирования, известного как CAD.

Перед тем как сделать 3Д-принтер, подбирают Soft-машины, способные самостоятельно определять способ создания макета. Таким образом, процедура построения изделий, печатающихся по слоям, стала известна, как трехмерная печать. Первая 3D-печать состоялась в Массачусетском технологическом институте. В начале 1990-х годов MIT инициировал практику, которую сертифицировали, как 3DP, после чего, собственно, и началась история трехмерной печати. В феврале 2011 года Массачусетский технологический институт получил лицензии на 6 корпораций и предложил 3DP для своих продуктов.

Философия RepRap

Итак, что такое RepRap? Это не модельный ряд какой-нибудь компании или семейство устройств, типа GALAXY. Это целая философия, в основе которой лежит концепция машины, умеющей воспроизводить саму себя.

Сразу оговоримся, что RepRap – не коммерческий проект, а, скорее, научный. Его основателем считается британский учёный Адриан Боуэр (Adrian Bowyer), предложивший в 2005 году концепцию 3D принтера, способного напечатать дубликаты своих собственных деталей, сделав таким образом свою точную копию.

3D принтер своими руками.
3D принтер своими руками.

По задумке автора (это требование поддержала в последствии интернациональная команда разработчиков), вся документация по производству, сборке и эксплуатации самовоспроизводящихся принтеров должна быть доступна любому пользователю. К слову, это классическое требование для всех отраслей науки: всякое открытие, которое может принести пользу человечеству, должно быть предано огласке, результаты любого научного исследования должны быть опубликованы.

Идеям Боуэра нельзя отказать в оригинальности. Учёный сравнивает развитие технологий 3d печати с симбиозом растений и насекомых в живой природе. В роли растений здесь выступают 3d принтеры, а в роли насекомых – сообщество энтузиастов. Принтеры распространяются и совершенствуются благодаря усилиям сообщества, а люди получают в своё распоряжение всё более совершенную технику для быстрого прототипирования, попутно улучшая качество своей жизни.

На данном этапе своего развития проект RepRap ещё не достиг заявленных целей. Нынешние RepRap принтеры умеют воспроизводить лишь 30% своих деталей – в основном, пластиковых.

3D принтер своими руками.

Впрочем, по мнению разработчиков, полная репродукция – это дело времени.

Пока ещё трудно оценить реальные перспективы этого амбициозного проекта. Его основатели свято верят, что самовоспроизводящиеся 3d принтеры совершат целую индустриальную революцию, сравнимую по значимости с бумом цифровых технологий, изменившим нашу жизнь до неузнаваемости. Скептики же считают, что RepRap – это всего лишь очередное направление цифровой субкультуры, которое никогда не сможет всерьёз соперничать с традиционными методами производства. Кто из них прав – покажет время.

Принтеры RepRap

На сегодняшний день в мире существуют тысячи RepRap принтеров, а также десятки разновидностей и модификаций. Точное количество устройств неизвестно и вряд ли может быть подсчитано. Причина в нестандартном способе их распространения и, как следствие, отсутствии статистики.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

По аналогии с царством растений, принтеры RepRap имеют довольно сложную классификацию, делясь на виды, группы и классы. Однако большинство из них представляют собой модификации трёх базовых моделей: Дарвин (Darwin), Мендель (Mendel) и Хаксли (Huxley). Названы они в честь знаменитых биологов и являются тремя поколениями устройств RepRap.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Наиболее популярным на данный момент является принтер RepRap II Mendel. Это устройство использует технологию экструзии термопластика и работает, в основном, с пластмассами марок ABS и PLA.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Принтеры RepRap изначально задумывались как компактные устройства, пригодные для транспортировки. Габариты классического RepRap Mendel составляют 500 мм x 400 мм x 360 мм, вес – 7 кг. Между прочим, это существенный прогресс по сравнению с предыдущим поколением – RepRap Darwin, вес которого был вдвое больше, а размер составлял: 600 x 520 x 650 мм.

3D принтер своими руками.

Отрицательным моментом этой оптимизации стало сокращение области печати. У RepRap Mendel её размеры составляют: 200 x 200 x 140 мм. Впрочем, для большинства задач, которые могут возникнуть у моделистов – это оптимальные параметры.

Что касается скорости печати, то у всех устройств семейства RepRap она весьма скромная: в среднем 15 см3/час. Впрочем, стоит ли требовать особой резвости от 3d принтера, чья базовая стоимость составляет $520?

Не стоит ждать чудес и в таких параметрах как точность печати и толщина печатного слоя. Стандартная погрешность для принтеров RepRap составляет 0,1 мм. Толщина печатного слоя – 300 микрон.

3D принтер своими руками.

Если перевести технические характеристики на человеческий язык, то получится, что принтеры RepRap печатают очень медленно и не слишком аккуратно. Впрочем, многое зависит от качества сборки и комплектующих. Умело собранный принтер, да ещё снабжённый улучшенными экструдерами (печатными головками), позволяет добиться весьма приличного качества печати.

3D принтер своими руками.

Что касается принтера третьего поколения – RepRap Huxley, то он был собран на базе модифицации Mendel Mini и получил несколько важных усовершенствований, вроде системы фиксации уровня печати по оси Z.

3D принтер своими руками.

Надо сказать, что у каждого из названных принтеров имеются десятки различных модификаций, представляющих собой вполне самостоятельные проекты. Самыми известными из них являются RepRap Mendel Max, Prusa, Prusa i3, Morgan, Wallace, GolemD. Также стоит упомянуть разработку отечественных энтузиастов под названием SibRap. Не так давно руководитель этого проекта Андрей Нуждов выложил всю документацию в Сеть для свободного доступа.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Итак, семейство RepRep весьма многочисленно, и с каждым месяцем оно пополняется новыми моделями. Впрочем, у этого многообразия есть очевидный недостаток: начинающему «репраперу» весьма непросто сделать свой выбор. Стоят такие принтеры примерно одинаково и имеют схожие технические характеристики. Отличия видны лишь опытным пользователям.

Самым простым решением в такой ситуации будет выбор классики. Mendel и Haxley – проверенные машинки, а их владельцы никогда не испытывают проблем с документацией и консультацией на форумах.

Где достать RepRap принтер

Итак, согласно концепции отца-основателя, RepRap – некоммерческий проект. Однако превратить его во всецело альтруистическое мероприятие – дело, как минимум, сложное. Ведь из высокого спроса на RepRap принтеры среди населения логичным образом вытекает интерес к этому проекту со стороны продавцов и производителей. Да и рядовые пользователи быстро поняли коммерческий потенциал этой затеи. Ведь принтеры RepRap могут быть неплохим источником дохода, если поставить их производство на поток.

Сейчас на рынке можно отыскать немало компаний и частных лиц, торгующих принтерами RepRap и предлагающих услуги по их сборке. Такой вариант подойдёт тем, кто не хочет тратить времени на чтение многочисленной документации, изучение всех нюансов и поиск деталей. В этом случае цена на принтер несколько возрастает, но всё-равно остаётся довольно низкой.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Помимо прочего, есть несколько компаний, выпускающих собственные принтеры на базе RepRap. К примеру, китайская компания RepRapPro имеет в своём арсенале несколько дешёвых 3d принтеров, представляющих собой фирменные модификации тех же RepRap Mendel и RepRap Huxley. Все они тоже стоят вменяемых денег и поставляются в разобранном виде. Более аутентичный способ обзавестись RepRap принтером – покупка комплектующих на специализированных сетевых форумах. В рунете самыми популярными из них на данный момент являются:

  • русскоязычный раздел основного форума проекта RepRap
  • специализированный форумc о системах бюджетного прототипирования
  • а также раздел, посвящённый 3d принтерам на популярном Робофоруме

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

На этих ресурсах можно не только приобрести все необходимые комплектующие и материалы для RepRap принтеров, но и найти энтузиастов, предлагающих услуги по их сборке и наладке. И, конечно же, здесь вам всегда помогут бесплатным советом. Сообщество «репраперов» молодо и очень дружелюбно относится к неофитам.

Что выбрать: RepRap kit или готовый 3D-принтер

3D-принтеру найдется применение в каждом доме, поэтому маркетологи популяризируют технологию среди обычных потребителей, выпуская недорогие 3D-принтеры для бытовых нужд. Хорошее оборудование стоит дорого, но дешевые модели с приемлемым качеством печати можно найти за 25-30 тысяч рублей.

Печатать чужие детали скоро надоедает, а создать свою уникальную сложно, если у вас нет навыка работы с соответствующим ПО и техникой. Но вам не обязательно приобретать готовый принтер — можно немного усложнить себе задачу и собрать RepRap 3D-принтер своими руками, но после этого вы точно станете чуть ли не 3D-профи!

Преимущества принтера RepRap Prusa i3 и других моделей перед готовыми решениями

RepRap и моделизм

Но, прежде чем присоединяться к дружному сообществу фанатов самовоспроизводящихся машин, стоит решить для себя, насколько принтеры RepRap подходят для моделизма.

К сожалению, пока на этот вопрос нельзя дать однозначного ответа. Всё зависит от конкретных задач и направлений моделирования. В одних принтеры RepRap оказываются гениальной находкой, открывающей невиданные доселе горизонты, в других они совершенно бесполезны, ввиду некоторых своих особенностей.

Например, изготовление на RepRap принтере деталей для стендовых моделей имеет ряд преимуществ и недостатков. К преимуществам можно отнести чёткое следование масштабу, заданное уже на уровне компьютерной модели. К тому же RepRap принтеры неплохо справляются с крупными деталями и каркасами, не имеющими высокой детализации.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Основной недостаток бюджетных RepRap принтеров, как нетрудно догадаться, – невысокая точность печати и неровная поверхность отпечатанных прототипов. В большинстве случаев напечатанная деталь потребует дополнительной обработки.

Что касается модельных фигурок, то здесь RepRap явно выигрывает по сравнению с традиционными технологиями.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Непосредственный процесс печати при стандартном размере модели занимает не больше получаса. Вся сложность здесь заключается в создании виртуального прототипа. Ещё одно преимущество этого способа – неограниченные возможности масштабирования. В любом трёхмерном редакторе это делается за пару минут.

3D принтер своими руками.

Отдельно стоит отметить изготовление печатных деталей и пластиковых узлов для радиоуправляемых моделей.

3D принтер своими руками.

3D принтер своими руками.

Пожалуй, это один из лучших способов применения RepRap принтеров. Впрочем, здесь необходимо учитывать физические свойства донорского материала. К примеру, не следует использовать при печати лопастей вертолёта или мультикоптера пластик марки PLA – он слишком хрупок и быстро разрушается под воздействием окружающей среды.

Подводя итоги, можно сказать, что в большинстве областей моделирования использование RepRap принтеров весьма оправдано и имеет хорошие перспективы. Однако технология пока несовершенна – большинство печатных деталей и моделей потребует дополнительной обработки. Не стоит ждать на выходе фабричного качества и высокой детализации.

Что такое DIY kit RepRap Prusa

В продаже есть специальные комплекты для создания своего принтера. Существуют несколько моделей для ручной сборки, самой популярной конструкцией является Prusa. Она относительно легко собирается и настраивается, правильно печатать начинает практически сразу после первой калибровки. На сборку принтера RepRap Prusa i3 или i2 у новичка уходит примерно пара дней.

В интернет-магазинах вы можете купить комплекс с подобной кинематикой примерно за 12-18 тысяч рублей. Prusa – не конкретная модель, а всего лишь принцип работы движения механизма: стол двигается по одной оси X, hotend двигается по Y и Z. Ось Z отвечает за толщину слоя. У этой модели недостаток в движущемся столе, на котором закреплена печатаемая деталь. Скорость принтера около 60-80 мм/с. При разгоне почти наверняка будут происходить пропуски шагов, а поскольку в процессе печати деталь перемещается, то на высокой скорости при резком движении она может просто оторваться от стола.

Как выбрать RepRap kit для лучшей конфигурации принтера

Сложнее всего собирать своими руками Дельта принтер. Хороший принтер с кинематикой дельта стоит дороже обычных. Его уникальность заключается в способе передвижении сопла, контролируемого одновременно тремя осями. Стол остается неподвижным, поэтому отрыв детали от стола во время печати исключается (кроме случаев деламинации). Точная настройка и безлюфтовый механизм обеспечивают качественную печать даже на высоких скоростях — до 200-300 мм/с при условии, что пруток пластика будет успевать расплавляться в хотенде. Конечно, сначала для этого нужно собрать и прошить оборудование, а затем из-за особенностей его кинематики и геометрии потребуется выполнить крайне точную калибровку дельта 3D-принтера и его стола.

Также следует учитывать, что во все сборные комплекты входит плата с уже настроенной конфигурацией для предложенной модели. Это одновременно и достоинство готовых комплектов, и их недостаток: поменять предустановленную прошивку в мозгах принтера зачастую невозможно.

Чем RepRap 3D printer лучше готовых решений для 3D-печати

Еще более сложным решением является самостоятельная сборка RepRap Prusa i3 DIY kit и аналогичных комплектов и последующее программирование оборудования. Покупка комплектующих по отдельности обычно выходит дешевле, чем приобретение готового комплекта. Главное — тщательно продумать конструкцию и составить подробный список деталей, куда обязательно должны войти шаговые двигатели, ремни, ролики, валы, подшипники, RepRap экструдер, hotend, плата управления, нагревательный стол и материал для каркаса. Вам придется применить знания математики и геометрии, полученные в школе, отточить умение пользоваться линейкой, рулеткой и уровнем. Точность принтера будет зависеть от ваших вычислений и сил, которые вы вложите в его сборку.

А когда закончите работу с железом, начнется более сложный процесс — настройка RepRap принтера, которую мы обязательно рассмотрим позже. Для этого потребуется выбрать прошивку, закачать ее в управляющую плату и настраивать каждый параметр самостоятельно, ориентируясь на габариты устройства, длину осей и мощность шаговых двигателей. Полная настройка может затянуться на несколько недель, при этом уйдет много пластика. Если такие трудности вас не пугают, мы рады приветствовать вас в мире мейкеров и 3D-энтузиастов!

Материалы для 3D-печати

Материалы для 3D печати

Процесс подбора печатающих материалов для 3D-печати начался уже с момента создания принтера. Сегодня промышленность предлагает довольно большой выбор расходников. Перед тем как сделать 3Д-принтер, нужно уметь выбрать правильный тип материалов для печати:

  1. Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) — популярный материал для первых трехмерных моделей. Он очень прочный, немного гибкий и может легко быть экструдирован, что делает его идеальным для этого типа печати. Недостатком ABS является то, что он требует более высокой температуры, чем, например, материал PLA. Для печати материалов ABS обычно используется температура 210-250 0C.
  2. Полимагнитная кислота (PLA) является еще одним распространенным материалом среди энтузиастов 3D-печати. Это биоразлагаемый термопласт, который получают из возобновляемых ресурсов. В результате PLA-материалы более экологичны среди других пластмасс. Еще одной особенностью PLA является его биосовместимость с человеческим телом, что нужно учитывать, перед тем, как сделать 3Д-принтер для использования в домашних условиях. Структура PLA сложнее, чем у АБС, и материал плавится при 180-220 0С, что значительно ниже, чем у АБС.
  3. ПВА-волокна (поливиниловый спирт) легко печатаются и используются для поддержки объекта во время процесса печати для моделей с выступами, которые обычным образом не могут быть напечатаны. Этот тип нити является отличным материалом для 3D-принтера с двойным экструдером. Он основан на поливиниловом спирте, поэтому обладает хорошими свойствами, основными из которых являются нетоксичность и способность к биологическому разложению после растворения в воде. Именно этот материал создает перспективу бизнеса на 3Д-принтере.

Пользователю необязательно печатать в 3D с пластиком. Теоретически можно печатать объекты с использованием любого расплавленного материала, который затвердевает достаточно быстро. В июле 2011 года исследователи из Университета Эксетера в Англии представили прототип пищевого принтера, который может печатать 3D-объекты с использованием расплавленного шоколада.

Инструменты и конструктивные особенности качественной сборки 3-D принтера

Для того, чтобы сделать 3D принтер, вам не надо быть инженером-механиком или досконально ориентироваться в электротехнике. Скажем так, если вы можете накрутить гайку на болт, вы в состоянии создать этот 3D принтер.

Вам не придется тратить огромные суммы на покупку необходимых деталей, узлов и инструментов. 3D принтер RepRap разработан на базе недорогих узлов и доступных инструментов.

Для разработки механической составляющей вам понадобятся следующие инструменты и необходимость выдержать некоторые особеннолсти отдельных деталей и узлов конструкции.

Механика

1. Ключи.

Как правило используют болты-гайки M8, M4 и M3, так что понадобятся ключи под соответсвующие шестигранные головки или отвертки, если шляпка будет с пазами под отвертку.

2. Штангель-циркуль.

Создать и заставить работать собственный RepRap 3D принтер без штангель-циркуля у вас не получится. Штангель вам понадобится для калибровки рамы и линейных осей. Конечно же, работать с цифровым штангелем легче (показан на рисунке ниже), но и без цифровой индикации вполне подойдет.

Цифровой штангель-циркуль

При работе с цифровым штангель-циркулем важно помнить две вещи:

  • После работы желательно извлекать батарейку. Эти устройства до конца не выключаются.
  • Перед проведением измерений, всегда обнуляйте показания на штангеле (кнопка zero на рисунке выше). Обнулять надо даже если на индикаторе уже показывается значение 00.0. Без обнуления (калибровки) штангеля, показания могут быть не точными.

3. Уровень.

Уровень вам понадобится при сборке рамы, осей и общей калибровке 3D принтера. Желательно использовать небольшой по габаритам уровень (смотрите на рисунке ниже).

Водяной уровень

4. Вертикальный уровень.

Незамысловатое устройство — груз на веревке с заостренным наконечником. Понадобится для калибровки установленных направляющих оси Z. В качестве груза можно использовать обычную гайку, но с острым наконечником, конечно, работать удобнее.

Вертикальный уровень

5. Корпуса для установки линейных подшипников на оси Z.

В зависимости от типа используемых подшипников, вам понадобятся различные инструменты. По сути есть два варианта:

  • Отдельные подшипники в корпусе типа PLA или напечатанные корпуса для бронзовых втулок.
  • Корпуса для установки подшипников могут быть частью изначально напечатанной детали.

Корпус подшипника, напечатанный на 3D принтере

6. Плоский шлиц на валах двигателей.

Шлиц на валу шагового двигателя

Если на валах ваших шаговых двигателей уже предусмотрены шлицы, значит все отлично. Если же шлицев нет, точность вашего 3D принтера может значительно упасть из-за ненадежного крепежа и проскальзывания.

Электроника

Вам понадобятся инструменты для пайки компонентов на плат (если вы купили нераспаянную плату) и для пайки концевых выключателей, двигателей.

1. Пайка.

Для пайки шилда на Arduino или, если вы купите уже распаянный шилд, то контактов концевых выключателей и т.д. и т.п., вам понадобятся инструменты, которые приведены ниже.

Паяльник. Во первых, у него должно быть маленькое удобное жало, а во вторых, желательно приобрести для него подставку. Например, подобную той, что показана на рисунке ниже.

Паяльник с подставкой

Припой (олово для пайки).

«Третья рука» — это не обязательный аксессуар, но поверьте, он значительно облегчит процесс пайки.

Третья рука для пайки

2.Кусачки для оголения контактов.

Очень часто контакты на проводах зачищают ножом. Этот способ требует некоторой сноровки и времени. Так что рекомендуем приобрести универсальный инструмент для зачистки контактов на проводах. Ваши провода будут аккуратные и вы их сто процентов не повредите.

Кусачки для зачистки проводов

3. DIY Sanguinololu — паять своими руками или нет?

Платы Sanguinololu по сути состоят из одного SMD компонента. Этот компонент также называется чипом FTDI от названия компании, которая его производит. Этот чип является мостом USB-to-Serial. Если же вы используете чип ATMega, который установлен на всех шилдах RepRap для Arduino, вы сможете передавать данные на персональный компьютер только через серийный интерфейс. Чип FTDI дает возможность передавать данные между ATMega и компьютером через USB.

Чип FTDI очень маленький и припаять его своими руками очень сложно. Если у вас нет большого опыта в пайке, настоятельно рекомендуем обратиться к поставщику с целью приобрести плату с уже установленным FTDI чипом.

Формат файлов для печати

Формат файлов для печати

Печать на обычном принтере возможна, если он понимает формат документа. Эта способность аналогична и для 3Д-моделей, поэтому, изготавливая 3D-принтер своими руками, предварительно выбирают формат печати будущих моделей. STL-файл является одним из самых популярных форматов файлов для 3D-принтеров. Он поддерживается большим разнообразием устройств, и многие файлы можно найти в репозиториях трехмерных моделей, выполненных на базе этого формата.

STL означает STereoLithography или Standard Tessellation Language. Первоначально он был одним из основных форматов в программном обеспечении САПР, созданных системами 3D. В настоящее время этот формат можно найти во многих пакетах программного обеспечения для трехмерной печати, его просто и легко выводить, и это одна из причин, почему он стал популярным.

OBJ (Object Files) — это еще один популярный формат файлов принтеров у пользователей, которые делают 3D-принтер своими руками. Первоначально он использовался в пакете анимации Advanced Visualizer, разработанном Wavefront Technologies. OBJ-файл представляет собой трехмерную геометрию и содержит несколько различных атрибутов:

  • вершинные нормали;
  • геометрические вершины;
  • многоугольные грани;
  • координаты текстуры.

Файлы объектов печати могут быть либо в ASCII (.obj), либо в двоичном формате (.mod).

Основные узлы 3D принтера

Основание (рама) 3D принтера

Рама 3D принтера

Рама обеспечиавет жесткость 3D принтера. На раму добавятся три оси. Рама состоит из труб, которые соединены между собой с помощью дополнительных напечатанных деталей.

Основаня особенность RepRap модели: это принтер, который может печатать собственные узлы.

Принтеры RepRap разработаны таким образом, что они могут напечатать узлы собственной конструкции. Как только у вас появится рабочий 3D принтер, вы сможете напечатать детали для нового принтера или дополнительные узлы для модернизации вашей конструкции. Кстати, детали от принтера RepRap регулярно продаются на ebay.

Сбоку от рамы (справа сверху и слева сверху, а также на рисунке ближе к нам), вы увидите напечатанные детали. Они используются для управления осями координат Y и Z.

Рама 3D принтера2

Ось Y и опоры

Рама RepRap Prusa Mendel с собранной осью Y показаны на рисунке ниже.

Ось Y и опоры

Ось Y имеет одну степень свободы: перемещение от передней к задней части рамы и наоборот. Координата Y управляется с помощью ремня, который садится на шкив шагового двигателя, который вы также можете увидеть на рисунке. На подвижном столе четыре опоры, которые по две на каждую направляющую.

Как и в большинстве ЧПУ-машин, в 3D принтере перемещение вдоль направляющих осей происходит с использованием опор скольжения или, что встречается реже, с использованием линейных подшипников.

Опоры скольжения по сути являются подшипниками скольжения и представляют из себя обычные втулки нужного диаметра. Основная ох отличительная особенность — они должны легко скользить по направляющей. Подобные опоры часто используют для поворота вокруг оси, но в нашем случае их задача — скользить вдоль оси направляющей.

Линейные подшипники имеют внутри небольшие шарики и обеспечивают свободное перемещение в одном направлении. В общем то и подшипники качения, и подшипники скольжения (втулки) можно напечатать на 3D принтере или изготовить из металла. Как правило металлические подшипники скольжения изготавливают из медных сплавов, так как эти сплавы имеют низкий коеффициент трения и является самосмазывающимся. В 3D прринтере RepRap обычно используют металлические подшипники LM8UU.

На заметку! Самодельные 3D принтеры могут отличаться от представленной в этой статье модели.

Например, если вы хотите напечатать подшипниковые втулки на своем принтере — вперед! Все будет работать!

Подшипники (бронзовые втулки) установленные в напечатанные на принтере корпусные части:

Ось Y и опоры2

Напечатанный на 3D принтере подшипник скольжения:

Ось Y и опоры3

Ось Z и ось Y

3D принтер RepRap с установленными осями X, Y и Z:

Ось Z и ось Y

На рисунке выше представлено основание 3D принтера с собранными осями Y, Z и X. Оси Z и Y по сути являются частью конструкции. Ось Z перемещает ось X вверх и вниз относительно рамы основания. Ось Х обеспечивает перемещение экструдера влево-вправо относительно рамы основания.

Крепежные узлы для линейных осей 3D принтера:

Ось Z и ось Y 2

Ось Z и ось Х собираются с использованием из двух напечатанных деталей для крепежа винта (слева на рисунке выше) и мотора (справа на рисунке выше). Кронштейн для винта состоит из двух вертикальных секций: прямоугольный паз и шестигранный. В прямоугольный профиль устанавливаются два подшипника. Этот паз по сути служит направляющей для вертикальной оси. В шестиграннике устанавливаются два болта М8 и spring. Вал с резьбой устанавливается там же. Кроме того, резьбовой вал соединяется с шаговым двигателем на верхней части рамы. В результате шаговый двигатель будет передавать вращение резьбовому валу, обеспечивая его вращение вокруг собственной оси, благодаря чему каретка будет перемещаться вверх и вниз. Собранный узел представлен на рисунке ниже:

Собранный узел для перемещения рабочего органа 3D принтера вдоль вертикальной оси координат Z:

Ось Z и ось Y 3

Кронштейн для мотора состоит из аналогичных профилей и устанавливается практически так же. Вы наверняка обратили внимание, что ось Z управляется двумя шаговыми двигателями. Этот вариант гораздо лучше чем использование ремня и одного привода. Во первых, мы получаем более высокую точность. Во-вторых, ремень стоит недешево, а сама конструкция с его использованием обрастет дополнительными узлами и деталями. При этом оси Y и Х управляются одним двигателем и ремнем. Здесь использование двух двигателей не имеет особого смысла.

Экструдер

Обычно на 3D принтерах RepRap устанавливают экструдер с отдельным приводом и зубчатой передачей. Экструдер состоит из двух частей: верхняя часть, в которой температура небольшая. Из нее подается пластик. И нижняя часть с высокой температурой. В этой части пластик плавится и подается для непосредственной печати детали. На английском эти части носят соответствующие названия: Wade extruder (холодная часть) и the hot-end (горячий наконечник).

Экструдер с отдельным приводом и зубчатой передачей:

Экструдер

Экструдер состоит из большого зубчатого колеса, движение которому передается от маленького колеса с шагового двигателя. Благодаря вращению большой шестерни, осуществляется подача пластика к наконечнику, где он плавится и подается дальше для печати.

Наконечник обычно изготавливается из медных сплавов. Внутри вдоль его вертикальной оси просверлено отверстие. Материал для печати изготавливается в двух типоразмерах: пруток 3 мм и 1.75 мм в диаметре. Так что отверстие в вашем наконечнике не должен превышать типоразмер материала, который вы используете для печати! Обычно отверстие делают диаметром меньше 1 мм (чаще всего — 0.5 мм).

Для нагрева наконечника используют два метода: с использованием резистора или никель-хром проволоки. Вариант с никель-хромовой проволокой конструктивно проще — требует меньше дополнительных деталей в конструкции.

Блок для нагрева с установленным резистором:

Экструдер 1

Механизм нагрева с использованием никель-хромовой проволоки:

Экструдер 2

Механизм подачи материала должен включать еще три важных узла: термистор для измерения температуры, дополнительную преграду для разделения нагретой и холодной частей и сопло, через которое подается материал для печати изделия.

Термистор подключается к вашей плате управления (Arduino в данном случае) — так же как и резистор или никель-хром проволока — и дает возможность контролировать температуру нагрева. Температуру надо настраивать, без термистора достигнуть нужной температуры и поддерживать ее не получится.

Дополнительная преграда не должна позволять нагреться охлажденной части экструдера. Охлажденная часть изготавливается на 3D принтере и, соответственно, тоже пожет спокойно растаять, если не контролировать температуру.для этого узла обычно используют PEEK. PEEK устойчив к высоким температурам и имеет очень низкий коэффициент теплопроводности. Есть у него и некоторые недостатки: сложно найти кусок, подходящий к нашему экструдеру, он дорогой. Кроме того, внутри надо будет установить PFTE трубу для передачи тепла. PFTE трубу найти тоже не просто.

Есть интересный вариант: использовать вместо PEEK и PFTE бамбука. Бамбук обладает теми же свойствами, что и PEEK: устойчив к высоким температурам и проводит мало тепла. Он дешевле, найти его проще.

Сопло — важнейшая часть экструдера. Это конец нагретой части экструдера, через который подается расплавленный пластик непосредственно для изготовления детали. На сопле должна быть точная резьба и центральное отверстие диаметром менее 1 мм (обычно — 0.5 мм).

Нагревающаяся часть экструдера. Подходит для использования с никель-хромовой проволокой или с резисторами для подогрева:

Экструдер 3

Ось X

Собранный экструдер — включая все перечисленные выше узлы — устанавливается на каретке Х-оси.

На рисунке ниже показана собранная ось Х с двумя направляющими валами, напечатанными крепежами и напечатанной кареткой:

Ось X

Каретка по оси Х может устанавливаться на втулках (подшипники скольжения) или на линейных подшипниках. Движение каретке передается от одного шагового двигателя со шкивом через зубчатый ремень.

Собранный экструдер, установленный на каретке оси Х (обратите внимание на ремень на фоне):

Ось X 1

Стол для печати

Детали печатаются на столе. Три оси координат обеспечивают перемещение экструдера над столом диапазоне 200 мм по Х, 200 мм Y, 100 мм вдоль вертикальной оси координат Z.

Стол состоит из двух частей: нижняя часть, которая установлена на направляющих оси Х и второй части, которая устанавливается над первой. На поверхности второй части непосредственно печатается деталь.

Верхнюю, вторую часть стола надо выставлять по уровню. Для этого желательно предусмотреть регулировку с помощью болтов.

На фото ниже представлен стол, состоящий из двух частей. На рисунке хорошо видны втулки. Нижняя часть стола установлена на опорах скольжения и может перемещаться вдоль оси Х.

Стол для печати

Популярная модификация 3D принтера — использование подогрева стола. Благодаря этому значительно уменьшается «сворачивание» (деформация) напечатанных изделий, особенно на нижних слоях. Подобная деформация возникает из-за неравномерного охлаждения внутренней и внешней частей напечатанного изделия. Материал с внешней стороны будет остывать и «усаживаться» быстрее, чем материал внутри. Из-за этого охлажденный материал будет рваться или загибаться, в то время как горячий — нет. Это неравномерное изменение характеристик материала вызывает сворачивание прямых углов и может вызвать различность внутренней структуры напечатанного изделия. Особенно большая опасность разрывая слоя материала, который подается для печати на нижних слоях, так как стол будет охлаждать эти слои гораздо быстрее чем верхние слои.

На примере детали слева на рисунке ниже ярко видны разрывы и сворачивание, в то время как на детали справа этого уже нет.

Разрывы и сворачивание деталей, изготовленных на 3D принтере

Решение этой проблемы — использование стола с подогревом. В результате внутрення часть детали будет иметь температуру, близкую к внешней. Как правило стол для печати нагревают до 100 градусов по цельсию.

Например, такой вот столик с подогревом, установленный на подвижном столе 3D принтера:

Специальный стол с подогревом для 3D принтера

Стол подогревается на протяжении всего процесса печати. Обычно поверх стола с подогревом устанавливают стеклянную плиту. Плиту с подогревом можно изготовить самому, а можно купить уже готовую. Купить, конечно же легче, но изготовить самому — намного дешевле. Когда вы устанавливаете стол с подогревом, проверьте температуру транзистора на вашей плате Arduino. Если она слишком большая, то стоит подумать о доплнитнльном охлаждении (например, кулер).

Важно!

Если вы устанавливаете радиатор для охлаждения ваших электронных компонентов, всегда используйте термопасту. С термопастой охлаждение будет происходить равномерно. Без термопасты компоненты не смогут передавать большую часть тепла радиатору (так как воздух проводит тепло очень плохо).

Не вздумайте использовать клей вместо термопасты!

Шаговые двигатели

В 3D принтере RepRap Prusa Mendel используется пять шаговых двигателей:

  • Один для управления осью Y
  • Один для управления осью X
  • Два для управления осью Z
  • Один для управления экструдером

Обычно все шаговые двигатели одинаковые. Но это не обязательно. Одинаковыми обязательно должны быть двигатели для управления перемещением вдоль оси Z. В 3D принтере RepRap Prusa Mendel используются биполярные шаговые двигатели NEMA17.

«Внутренности» шагового двигателя показаны на фото ниже.

Шаговый двигатель - разрез

ВАЖНО!

Не все двигатели NEMA17 одинаковые по своим техническим характеристикам!

Самый важный для нас параметр двигателя — крутящий момент. При этом крутящий момент двигателя часто ограничивается его драйвером.

Шаговые двигатели очень часто используются в робототехнике и мехатронике. Мотор состоит из двух наборов катушек, которые расположены по окружности вокруг центрального вала с нарезанными зубьями. Вал по сути является постоянным магнитом. Каждая пара катушек является частью фазы. Катушки, которые относятся к одной фазе генерируют магнитное поле с наличием северного и южного полюсов. В моторах, которые используются в 3D принтере RepRap Prusa Mendel предусмотрены две фазы. Электорника на RepRap управляет шаговыми двигателями с помощью так называемых микрошагов. В этом режиме изменяется сила тока, которая подается на фазу и в результате вал шагового двигателя проворачивается на небольшой угол (делает маленький шаг).

Контроллеры шаговых двигателей

Управлять биполярным шаговым двигателем сложно, особенно в режиме микро-шага. Униполярные шаговики проще в управлении, но при одинаковых массово-габаритных характеристиках, они выдают на выходе меньший крутящий момент. Для реализации управления шаговыми двигателями были разработаны специальные контроллеры (драйвера шаговых двигателей). С использованием этих драйверов достаточно послать один управляющий сигнал для одного микро-шага. Это значительно упрощает управление шаговым двигателем.

В RepRap чаще всего используют драйвера шаговых двигателей Pololu. Они производятся на маленькой плате с минимально необходимой обвязкой. Драйвер состоит из очень маленьких компонентов, так что его сборка происходит на производстве. В 2010 году у Pololu возникли проблемы с объемами производства — драйвера покупались настолько часто, что компания просто не успевала их производить. Так что в связи с этим возникла open-source версия этого драйвера под названием StepStick.

Предупреждение! По поводу платы StepStick!

Порой у пользователей драйверов StepStick возникало замыкание! Это может привести к поломке не только самого драйвера, но и к выходу из строя самой платы RAMPS и Arduino. Так что перед установкой и использованием StepStick проверьте нет ли короткого замыкания в схеме с помощью мультиметра.

Шаговые двигатели тянут электрический ток при вращении ротора и при даже при его остановке в процессе работы. Именно по этой причине на каждом контроллера двигателя есть потенциометр, который регулирует ток, подаваемый на мотор.

Для того, чтобы не подавать чрезмерные токи на ваши шаговые двигатели, рекомендуется вывести каждый потенциометр в «нулевое» положение, провернув каждый из них против часовой стрелки и потом немного его «открыть», провернув ппримерно на 1/4 допустимого хода по часовой стрелке. Если вы столкнетесь с тем, ваши двигатели не обеспечивают достаточный крутящий момент, «откройте» потенциометр немного сильнее и т.д.

Концевые выключатели

Перед началом печати рабочий орган 3D принтера должен быть выведен в начальное, «нулевое» положение. Это положение по сути является «нулем» принимаемой нами системы координат, в которой работает 3D принтер.

Для этого устанавливают три концевых выключателя. Концевики устанавливаются на каждую ось координат, в места, за пределы которых наш рабочий орган не будет перемещаться. То есть, отрицательных координат у нас не может быть.

  • Для оси X это положение, которое соответствует крайнему левому положению стола для печати;
  • Для ост Y — это крайнее заднее положение;
  • Для оси Z — это положение, в котором конец экструдера касается стола для печати. Перед началом печати экструдер немного подымется над столом.

Можно использовать механические или оптические концевые выключатели. Обычно ставят механические концевые выключатели, так как они дешевле, проще в установке и работают так же как оптические бесконтактные.

Концевые выключатели имеют ограниченное количество циклов отрабатывания вкл/выкл. В большинстве случаев они обеспечивают работу на протяжении 10000 циклов, то есть вам этого хватит на несколько лет. Теоретически считается, что оптические бесконтактные выключатели более надежные, чем механические. С точки зрения практики это предмет множества дискуссий.

Датчики положения особенно необходимы для оси Z. Начальное положение экструдера относительно стола для печати очень важно. Например, можно использовать датчики Холла, которые фиксируют наличие магнитного поля. Магнит устанавливается снизу на X-end idler или X-end мотора. Небольшой потенциометр даст вам возможность сделать точную настройку расстояния между концом экструдера и столом для печати. Эти варианты гораздо более практичные, чем перемщеть ваш механический или оптический концевик вверх и вниз.

Нет необходимости устанавливать концевые выключатели с двух сторон оси. Максимальное расстояние перемещение по осям координат настраивается на уровне программирования вашего микроконтроллера Arduino.

На рисунке ниже показан собранный модуль оптического концевого выключателя.

Оптический концевой выключатель

На рисунке ниже показан механический концевой выключатель, установленный на оси Z. Обратите внимание, что конец экструдера находится в нескольких сантиметрах над столом для печати. Это значит, что концевой выключатель установлен слишком высоко. Аналогичные концевые выключатели устанавливаются на осях X, Y. На рисунке также виден Arduino с RepRap шилдом.

Механический концевой выключатель

Электроника

Процессом печати управляет электроника. Для принтеров RepRap (они являются open-source проектом) чаще всего используют:

  • RAMPS, DIY-шилд для Arduino MEGA
  • Sanguinololu, DIY-плата по типу «все в одном», с микропроцессором на борту

Платы RepRap выполняют несколько функций:

  • Обработка инструкций G-кода.
  • Управление контроллерами четырех шаговых двигателей (в 3D принтере RepRap Prusa Mendel оба шаговых двигателя для оси Z подключаются к одному драйверу двигателя).
  • Контролирует температуру на экструдере и отслеживает состояние термистора на нем.
  • Контролирует концевые выключатели (концевые выключатели используются для «выхода в нуль» рабочего органа с экструдером).
  • Контролирует температуру стола с подогревом и следит за состоянием термистора на нем.

Контроллер подключается к персональному компьютеру с использованием USB-to-serial конвертера. Arduino с установленной платой RAMPS имеет встроенный конвертер. Конвертер есть и на плате Sanguinololu.

Платы RAMPS появились на рынке раньше чем Sanguinololu, постоянно обновлялись и продолжают обновляться. RAMPS изготавливается в формате шилда для Arduino MEGA 1280 или 2560 (или их клона). На плате RAMPS предусмотрены следующие дополнительные фичи:

  • Один дополнительный канал для термистора (в общей сложности их три);
  • Опционально устанавливаемый SD card ридер.

Плата RAMPS с четырьмя контроллерами шаговых двигателей Pololu, установленная на Arduino MEGA:

RAMPS для 3D принтера

Плата Sanguinololu — это относительно новое решения для управления 3D принтерами. На ней не предусмотрен дополнительный канал для термистора. Подключить SD карту можно, но это сложнее чем на RAMPS. Основное преимущество — для работы Sanguinololu не нужна плата Arduino Mega, так как вся необходимая начинка уже на ней предусмотрена. В результате эта плата стоит дешевле, чем комплект Arduino Mega — RAMPS. Полный комплект с клоном Arduino Mega, четырьмя драйверами Pololu, RAMPS обойдется вам около 100 долларов. Полный DIY комплект Sanguinololu стоит около 80 долларов. (Учтите, цены не являются до конца реальными. Например, на данный момент Китай предлагает RAMPS DIY KIT по цене около 25 долларов. Хотелось бы обратить ваше внимание исключительно на разницу в цене).

Учтите, что при сборе Sanguinololu вам надо установить очень маленький чип (USB-to-serial конвертер). Перед покупкой желательно убедиться, что микропроцессор ATMega прошит Sanguinololu бутлоадером. В противном случае вам придется прошивать микропроцессор самостоятельно, а это не так то просто.

Если вы хотите пойти по пути наименьшего сопротивления, рекомендуем использовать плату RAMPS. Хотя платы Sanguinololu значительно меньше по размеру и дешевле. В общем, решать вам.

Плата Sanguinololu в сборе с четырьмя установленными контроллерами шаговых двигателей Pololy:

Sanguinololu для 3D принтера

Как собрать и сделать 3D принтер своими руками

Существует много разновидностей самодельных 3D принтеров. Одни формируют фигурки из гипса, другие печатают детали при помощи головки слоями. Есть варианты, формирующие предметы лазером или на полимере. Такие модели сложные в сборке и дорогие по цене. Да и предметы, изготовленные по этим технологиями, хрупки для того, чтобы их использовать в качестве запчасти для какого-либо прибора.

Для сборки трехмерного принтера своими руками понадобится набор следующих инструментов и навыков:

  • паяльник;
  • набор отверток;
  • шестигранники;
  • инструкция по сборке;
  • знания в электронике и инженерии.

Соблюдая простые правила, человек, обладающий вышеперечисленными инструментами и знаниями, сможет собрать прибор за короткое время.

Приобретение необходимых деталей и инструментов

В процессе сборки 3D-принтера понадобятся необходимые комплектующие:

  1. Рама – главная часть прибора. От ее тяжести, качества и устойчивости зависит дальнейшая работа аппарата. Постоянная борьба с некачественной печатью, а также повышенные скорости в работе уйдут на второй план. Идеальным выбором станет стальная рама Российского производства, которая стоит примерно – 5000 руб. В эту стоимость входят необходимые элементы крепежа.
  2. Направляющий вал. Он продается отдельно. Для сборки 3D принтера своими руками подойдет 1 комплект вала, который состоит из 6 деталей и стоит от 3000 руб. Для процесса необходимы полированные модели. От этого напрямую зависит качество печатаемых деталей.
  3. Шпильки М5. Для сборки понадобится 2 штуки, цена одной – 200 руб. Их можно приобрести в любом строительном магазине. Они должны быть идеально ровными. Для проверки можно расположить деталь на стеклянной поверхности и катать ее. Ровное изделие гарантирует беспрепятственную прокатку.
  4. Комплект подшипников, муфт и ремней. Это обязательные детали для сборки 3D принтера своими руками. Стоимость набора от 800 руб.
  5. Механический ограничитель. Важная деталь, без которой не реализуется процесс эксплуатации. Стоимость 1 штуки – от 25 руб. Для процесса понадобится 3 экземпляра. Опытные мастера приобретают четвертый вариант – на запас.
  6. Дисплей. Для сборки трехмерного принтера требуется монитор с картридером. Это необязательная деталь. Она нужна лишь при печати с компьютера.

В этом видео дается обзор комплектующих для самодельного 3D принтера:

Сборка механической части

Самостоятельная сборка – это трудоемкий процесс. Для его проведения не достаточно просто желания. На сборку 3D принтера уходит до 2 лет работы профессиональной команды. Для того, чтобы все действительно заработало, нужно быть предельно внимательным и соблюдать правила при сборке.

В сборке трехмерного принтера своими руками нет ничего сложного, если все запчасти будут приобретены и правильно установлены. Это касается деталей с электронным направлением.

Для процесса понадобится следующее:

  • RAMPS 1.4 – это основная плата 3D принтера, работающая на расширении Arduino. Именно к ней подключаются работающие модели, система и драйвера.
  • Arduino Mega 2560 R3 – это микроконтроллер, отвечающий за интегральные схемы и модули. Устройство достаточно просто подключать. Работает бесперебойно при правильной установке системы.
  • Драйверы А4988 – электронные компоненты, популярные драйвера шагового двигателя, работают от напряжения от 1 до 35 Вт.

Три эти детали обойдутся покупателю от 1100 руб. Важно иметь в виду то, что платы не подвержены горению, и не стоит покупать лишних деталей на запас.

В этом видео показана механическая часть самодельного 3д принтера:

Сборка радиоэлектронной части

Для подключения электроники понадобится стандартная схема, она будет приложена в инструкции по эксплуатации программного обеспечения — Arduino IDE. Затем настройки проводят в зависимости от возможностей прибора.

Особенностью сборки трехмерного принтера своими руками является то, что в данном типе электроники должен функционировать «мозг». Таковой деталью является Arduino 2560 R3. Прошивка будет заливаться именно на этот элемент. Его легко спалить из-за неправильного подсоединения полярности, подключая концы или установки шагового двигателя. Для этого, важно, чтобы сборкой занимался человек, имеющий опыт в этой сфере.
Купить 3D принтер Creality3D Ender 3 177434034

Загрузка и установка программного обеспечения

Установка программного обеспечения не менее важна, чем предыдущие процессы. За работу моторов отвечают шаговые драйверы. Они имеют построечный резистор, который выставлен на нужный ток и не нуждается в накрутке. В качестве запасной платы лучше использовать Arduino MEGA R3. Понижающий регулятор необходим для защиты напряжения платы. К примеру, понижение проходит с 12 до 5 Вт. Электроника, используемая при сборке 3D принтера своими руками, очень капризная и часто выходит из строя.

Довольно сложный механизм принтера нуждается в программном обеспечении. Необходимо провести подготовительные работы. Для этого понадобится официальная прошивка от 3D—diy. Заливка программы осуществляется IDE Arduino 1.0.6. На дисплее отображается кнопка Auto Home, которую следует нажать после.

В гибкой и точной настройке печати применяют программу Cura Software. Она позволяет настроить степень заполнения объекта и другие параметры печати:

  • диаметр сопла;
  • температуру плавления пластика;
  • толщину слоев.

Все эти параметры влияют на качество печати и результат. Проект Marlin лежит в основе прошивки и находится в открытом доступе для пользователей. Прошивка распространена и подходит для разных устройств, и настройки производятся по-разному. Коррективы вносятся в зависимости от особенностей трехмерного принтера.

Полезно также почитать:  Десятка лучших бесплатных программ моделирования для 3D-печати  

Тестирование и настройка трехмерного принтера

Важно убедиться в правильном подключении концевиков и полярности для шаговиков. В случае, если движения каретки проходят в противоположную сторону от нужной, необходимо повернуть клемму на 180 градусов. Если после всех правильно проделанных процедур остался неприятный свист, то возможно дело в шаговиках. Для этого подкручивают подстроечные резисторы.

Для первой тестовой печати понадобится не менее 50 минут. Далее будет происходить диагностирование проблем тестовой детали в сравнении с другими результатами идентичных моделей. Таким образом, можно будет определить, с чем связана проблема печати. К примеру, это из-за неправильной конфигурации компьютера или технических характеристик.

Печать

Первая печать считается самой важной, так как от ее показателей зависит качество подключения, сборки и подсоединения контактов своими руками. Рекомендовано печатать первые модели из PLA-пластика. Также можно использовать любой вид гибкого прута. Это наиболее простая модель для сборки, обслуживания и ремонта. Обладает высоким качеством в сравнении с другими изделиями. Из-за своей распространенности по этому материалу можно найти кучу информации, отвечающей на интересующие вопросы.

В печатном аппарате можно устанавливать сразу 2 экструдера или один с двумя головками. После проведения процесса калибровки необходимо распечатать образец 1x1x1 см. Если слои сильно сдвинулись, значит, есть проблема перегрева двигателей. Для решения используют двигатели A4988 с микрошагом 1/16, силу тока настраивают на наименьшей позиции. Для того, чтобы добиться большего качества, проводят прошивку принтера.

В этом видео показан первый пуск самодельного 3д принтера:

Как собрать 3d-принтер на Arduino

Огромная часть 3D-мейкеров знакомится с печатной техникой через сборку самодельных устройств. Это могут быть как кит-наборы, так и принтеры, которые они собрали с нуля по разным схемам. Если вы решили выбрать эту дорогу, то советуем ознакомиться с данной инструкцией. Она поможет собрать принтер в верной последовательности и не допустить большого количества ошибок.

Подготовка к сборке принтера по схеме с нуля

Начнем с выбора проекта. И тут сразу же встает вопрос: какой бюджет мы закладываем в создание принтера? Сегодня на рынке есть множество готовых решений, которые стоят не таких больших денег. Так есть ли смысл вкладываться в сборку кустарного варианта? Однозначно – это того стоит. И тут есть несколько плюсов:

  1. Вы можете сделать большую область печати, чем в стандартном 3D-принтере из магазина.
  2. Самодельный принтер легко усовершенствовать и починить. Вы сможете запросто сделать большую часть запчастей на самом устройстве печати.
  3. Собирая принтер своими руками, вы поймете всю механику работы устройства, научитесь решать простые ошибки, устранять дефекты печати.

Цена на полный комплект для сборки будет все равно ниже, чем стоимость готового девайса с аналогичными характеристиками из магазина. К точному выбору проекта мы еще вернемся.

Для сборки вам пригодятся инструменты, а именно: отвертка крестовая, мультиметр, наждачная бумага, клей, пассатижи, паяльный инструмент, силиконовое масло, изолента, нож канцелярский, пластиковые хомуты и парочка ровных рук.

Интересно! Множество современных брендов начинали свой путь в 3D-печати с создания моделей в кустарных условиях.

Глобально есть две схемы сборки принтера с ноля в домашних условиях:

  1. Кит-комплект. Или принтер по запчастям. По факту это готовая модель, но разобранная до болтика. Подобные варианты стоят чуть дешевле моделей под ключ. Но на деле это кем-то придуманное устройство, в которое сложно внести какие-либо изменения.
  2. Сборка с нуля по схеме с использованием управляющей платы на Arduino. Этот вариант больше подходит. Управляющая плата «Ардуино» позволяет вносить изменения в работу механики без особых знаний электроники. Для нее создано множество дополнительных контроллеров, хабов и плат.

Сборка на Arduino обойдется дешевле любого кит-комплекта. Полная стоимость принтера может встать до 20 000 рублей с учетом металлической рамы. Часть дополнительных деталей можно напечатать на самом принтере, когда он будет готов к первому старту. Аналогичные готовые или кит-решения обойдутся в 30 000–40 000 рублей.

Информация! В интернете есть масса вариантов по сборке принтера на основе старых или «убитых» устройств печати. Настоятельно не рекомендуем покупать такие девайсы под восстановление. Проще сделать устройство с нуля, чем воскрешать полуживой принтер.

За основу сборки можно взять бесплатную схему с сети. Например, одна из самых популярных сборок основана на механике модели Prusa i3 или Prusa i2 (RepRap Mendel). Основание принтера можно сделать из МДФ-плиты или оргстекла. Со временем лучше заменить ее на металлическую основу. Это немного удорожит конструкцию, но сделает ее более прочной и надежной.

чертеж рамы Prusa i3

Чертеж рамы Prusa i3

Следующий важный момент – заказ комплектующих. В рамках нашего проекта мы рассмотрим покупку деталей для сборки принтера по схеме Prusa i3. Это надежный вариант, проверенный тысячами пользователей по всему миру.

Что нужно купить:

  • направляющие валы в комплекте из 6 штук;
  • шпильки типа M5 – две штуки (можно купить и в обычном строительном магазине);
  • комплект электроники: Аrduino Mega 2560 R3 – 1 штука, RAMPS 1.4 — 2 штуки (второй про запас), шаговые двигатели – 6 штук;
  • понижающий регулятор напряжения;
  • комплект шаговых моторов, нужно 4 штуки, но продают по 5 в комплекте;
  • комплект муфт, ремней и подшипников;
  • блок на 12 В – 1 штука;
  • механический ограничитель – 3 штуки;
  • дисплей со встроенным SD-картридером – 1 штука;
  • подогреваемый стол – 1 штука;
  • кнопка и клемма – 1 штука;
  • вентилятор (кулер) на обдув заготовки – 1 штука;
  • экструдер – 1 штука;
  • вентилятор для охлаждения драйверов – 1 штука;
  • запасные сопла в комплекте;
  • сверло для чистки сопла;
  • комплект для регулировки рабочего стола – лучше взять пару штук;
  • пружины в комплекте для стола – 5 штук, из них 4 потребуется;
  • прямоугольный кусок ровного стекла, которое ляжет на стол, – 1 штука;
  • один комплект проводов для подключения шаговых двигателей.

Все эти запчасти есть в продаже на китайском маркетплейсе AliExpress. Конечная стоимость может различаться от магазина к магазину. Берите запчасти только у проверенных поставщиков с высоким пользовательским рейтингом.

Лайфхак! Разбивайте закупку запчастей на 2–3 посылки, чтобы не попасть под таможенную пошлину. С 2021 года порог бесплатного ввоза товаров из Китая составляет $100. Это около 7400 рублей по курсу весны 2021 года.

Как собрать простой 3D-принтер на Arduino самостоятельно: пошаговая инструкция от А до Я

Теперь рассмотрим весь путь сборки принтера – с момента установки рамы до первого пробного запуска. В этой части мы разберем механику и кинематику устройства, пошаговые этапы сборки и мелкие нюансы.

Важно! Готовую металлическую раму под Prusa i3 можно купить в интернете. Мы рекомендуем именно этот вариант.

Компоненты для сборки

Компоненты для сборки

Создание оси Y

В нашем случае сборка принтера начинается с установки рамы. Она является опорной частью для оси Y. Весь процесс сборки можно разбить на несколько этапов:

  1. Установка П-образной рамы. К ней прикручиваем заднюю стенку с крепежом под мотор и выставляем две боковые косынки. После чего ставим передние ребра жесткости.
  2. Собираем переднюю стенку с натяжителем ремня. Последний состоит из подшипника и нескольких пластин. Прикручиваем переднюю стенку к основной раме.
  3. Ставим крепеж для двигателей оси Z. Их монтируют на боковые стойки рамы.
  4. Собираем торцевые опоры для верхней части рамы. В официальной инструкции указано, что в них должны быть вставлены подшипники типа 625z. Их ставить не нужно. Потом выставите ходовые винты как есть. Это поможет избавить принтер от эффекта вобблинга.
  5. Собираем каретку по оси Y. Чтобы у винтов каретки соблюдалась соосность, нужно сначала выставить сами валы и только потом протягивать винты.
  6. Установка валов и каретки. Действуем по алгоритму: сначала вставляем валы в заднюю стенку, после чего устанавливаем на них каретку и уже потом продеваем валы в переднюю стенку. Фиксируем валы прижимными пластинами.

Основа под ось Y готова. Рама собрана на 90 %.

готовая рама

Готовая рама

Ось X и ось Y

Теперь нужно собрать ось Х, которая будет работать совместно с передвигающийся нижней платформой (осью Y). Здесь также будет несколько этапов сборки:

  1. Собираем правую и левую каретку оси X. Подшипники фиксируем при помощи пластиковых стяжек.
  2. Собираем каретку экструдера. Важная деталь: в экструдере подшипники смотрят внутрь.
  3. Устанавливаем валы для оси X. Сначала в одну каретку (левую или правую), потом продеваем каретку экструдера и закрепляем валы в обратной каретке.
  4. Устанавливаем валы для оси Z и на них надеваем собранную ось X. Проверяем ее ход, если все хорошо, протягиваем прижимные винты.

Кинематика устройства построена. Теперь можно переходить к установке и подключению основных электромеханических частей.

Внимание! Работайте без спешки! Если пропустить какой-то момент, то потом придется разбирать принтер практически до болтиков.

Собранная каретка оси X на раме

Собранная каретка оси X на раме

Подключение основных элементов

Главные части принтера – это механика и электрика. Разберем установку данных элементов в правильном порядке:

  1. Крепим двигатель оси X. Предварительно устанавливаем на него зубчатый шкив.
  2. Выставляем двигатели оси Z в левом и правом держателе.
  3. Ставим муфты на валы движков. Фиксируем их при помощи прижимных винтов с нижней части.
  4. Ставим ходовые винты через подшипник торцевой опоры. Они фиксируют правую и левую каретку.
  5. Ставим двигатели оси X. Протягиваем их винтами.
  6. Устанавливаем ремни на двигатели. Не забываем ослабить натяжители.
  7. Устанавливаем концевики осей X, Y и Z. Здесь важно не ошибиться, иначе можно получить отзеркаленную модель при печати.
  8. Установка «мозгов» системы. Монтируем плату Arduino на раме принтера.
  9. Устанавливаем блок питания. Разъем питания крепят к специальной пластине. К нему заводят провода от блока питания. Их припаивают к разъему. На клеммы накидывают провода, которые пойдут на питание основного чипа контроллера, и другие элементы системы.
  10. Монтируем LCD-дисплей и экструдер. Способы их коммутации ниже в статье.

Распайка блока питания

Распайка блока питания

Основные элементы собраны и подключены. Осталось установить нагревательный стол.

Стол для печати

Рабочую поверхность крепят к каретке оси Y при помощи винтов. При ее установке используют специальные пружинки, чтобы у поверхности была правильная геометрия. Кабели питания и провода термистора упаковывают в оплетку. Их аккуратно проводят под нижней частью стола и подключают согласно инструкции.

Монтаж проводов под столом

Монтаж проводов под столом

Отладка

Первичная отладка включает в себя:

  1. Проверку жесткости конструкции, протяжку болтов, если это потребуется.
  2. Проверка натяжения ремней. Они не должны провисать, при этом платформа и экструдер должны передвигаться без особых усилий.
  3. Калибровка нагревательного стола при помощи подпружиненных затяжных болтов.
  4. Проверка наличия всех проводов для коммутации.

Далее можно приступать к самому главному и сложному – подключении электронной и электрической части принтера.

внешний вид принтера

Принтер в сборе

Как подключить электронику на «Ардуино»?

При работе с Arduino нужно соблюдать правильный алгоритм коммутации. Иначе можно просто спалить какую-нибудь деталь.

Подключение:

  1. Ставим перемычки под каждый драйвер шагового двигателя на плате RAMPS. Потребуется по 3 джампера под каждый драйвер.
  2. Устанавливаем драйвера шаговых двигателей на разъемы X, Y, Z, E1. Наклеиваем на них радиаторы.
  3. Монтируем плату RAMPS поверх Arduino.

Теперь нужно подключить электрику согласно указанной ниже схеме:

схема подключения

Важно! Если вы хотите сделать более надежную и долговечную систему, стоит немного усовершенствовать плату Arduino. А именно – отвязать ее от питания, которое приходит с RAMPS. Для этого откусите диод на плате RAMPS и припаяйте регулятор напряжения ко входу питания. Его нужно заблаговременно выставить на 5 В, попутно выпаяв стандартное гнездо питания. Сам регулятор можно поместить на заднюю стенку Arduino.

Регулятор за платой Arduino

Регулятор за платой Arduino

Особое внимание коммутации проводов для двигателей по оси Z. Их можно подключать:

  • параллельно, но каждый штекер идет в свое гнездо (стандартная схема коммутации RAMPS);
  • последовательно, используя один штекер (схема ниже).

схема

Коммутация элементов электрики к RAMPS:

  • к разъему Т0 подключаем термистор хотэнда;
  • к разъему D10 – нагрев хотэнда;
  • к разъему D8 – нагрев рабочего стола;
  • к разъему D9 – обдув рабочей зоны.

Ставим вентилятор на обдув драйверов и рабочую зону заготовки. Принтер готов, осталось только накатить прошивку и сделать первичную настройку.

Установка программного обеспечения

Программное обеспечение включает в себя два важных момента – установку прошивки на сам принтер, а также инсталляцию слайсера на ПК. Рассмотрим оба пункта последовательно:

  1. Скачиваем прошивку с официальных источников Arduino. Например, можно взять драйверы здесь. Устанавливаем прошивку через интерфейс утилиты IDE Arduino 1.0.6. На дисплее принтера выбираем Auto Home, чтобы проверить калибровку концевиков и полярность шаговиков. Если оси работают в обратную сторону, нужно повернуть клемму у мотора на 180 градусов.
  2. Ставим слайсер на ПК. Это программа для обработки и подготовки к печати трехмерной модели. Здесь же можно задать некоторые параметры печати для самого принтера, немного подкрутить характеристики. Рекомендуем использовать бесплатный софт. Например, слайсер Cura. Его можно скачать с официального сайта разработчика.

Это основные шаги по установке ПО. Точечные настройки будет выставлять сам пользователь по мере обучения.

Подготовка к эксплуатации: настройка и калибровка

На финишной прямой стоит еще раз все проверить, а также сделать первичную калибровку и настройку:

  1. Проверьте ход всех кареток. Смажьте валы силиконовым маслом.
  2. Посмотрите проводку, чтобы ничего не коротило и не замыкало.
  3. Откалибруйте печатную платформу при помощи чистого листа формата A4. Отпустите регулировочные винты, подложите лист бумаги между соплом экструдера и самой поверхностью. Выставите правильную геометрию стола и высоту сопла, затяните винты.
  4. Попробуйте выгнать тестовый кубик, чтобы вылезли все неточности и дефекты печати.
  5. Скачайте или создайте модель, которую нужно напечатать. Выгрузите ее в слайсер. Установите нужные параметры и скиньте проект на SD-карту.
  6. Загрузите филамент в экструдер. Катушка с пластиком должна свободно прокручиваться над конструкцией принтера.
  7. Вставьте флешку в принтер, попробуйте выгнать печать.

Однако это не все, что нужно учитывать при монтаже принтера. Часто пользователи допускают ряд банальных ошибок, которых можно избежать еще до момента сборки.

Ошибки и способы их избежать

Самые частые ошибки и методы их решения:

  1. Вырезать раму подручными средствами. Например, выпиливать куски оргстекла обычной ножовкой или лобзиком. Скорее всего, вы нарушите геометрию деталей. Будет страдать как прочность всей конструкции, так и точность печати. Не дешевите на данном моменте. Поручите работу по вырезке деталей лазерной мастерской.
  2. Рама из тонкого материала. Если вы все-таки решили удешевить проект, используя оргстекло, МДФ-плиту или фанеру вместо металла, стоит брать материал не менее 6 мм толщиной. Иначе рама может просто лопнуть или развалиться.
  3. Покупка дешевых компонентов. Лучше немного переплатить и купить запчасти у проверенного продавца, чем заказать некачественную продукцию, но за чуть меньшую стоимость. Ищите компромисс между недорого и качественно.
  4. Отказ от системы охлаждения. Это может привести к потере качества из-за невозможности установки нужного температурного режима. Вторая, более серьёзная проблема – это выход из строя «мозгов» устройства. А именно – драйверов движков или платы RAMPS. Не стоит экономить на безопасности.
  5. Ставить высокие показатели скорости, теряя на качестве. Если принтер может печатать на скорости 150 мм/с, это совсем не означает, что он справится на 5+. Увеличение скорости влечет за собой падения качества. Могут появиться дефекты печати. Ищите золотую середину или не берите «горящие» проекты.

Это самые частые ошибки, которые допускают пользователи при сборке и работе на только что собранном 3D-принтере.

Интересно! Для снижения шума и вибраций используйте резиновые ножки-демпферы от стиральной машинки. Их можно купить в любом хозяйственном магазине. Это не сильно удорожит сборку, но повлияет на качество печати.

Собрать 3D-принтер по схеме несложно. Главное – никуда не торопиться и делать все по шагам. Также стоит заранее просчитать все траты на бумаге и держать в уме основные ошибки, которые могут возникнуть в процессе сборки.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Хочу сразу сделать маленькую ремарку — этот принтер Я начинал разрабатывать для себя и сейчас хоть и для многих это уже не актуальный принт, но он ничем не уступает новым системам и вполне ещё жизнеспособен.
Этот принтер Я начал разрабатывать ещё в прошлом году, когда я решил перейти с i2 на что-то дешёвое и доступное с минимумом вложений, простое. так мой выбор пал на раму i3.
На просторах интернета Я долго искал подходящий вариант рамы, но всегда что-то не устраивало и чего-то не хватало. одним из критериев было — это размер рамы, чтобы не пришлось пилить валы, так как мало ли где они ещё в жизни пригодятся.:D
Было выбрано 4 варианта рамы: это стальной вариант; акриловый(точно не помню название, но по моему ‘Давинчи’;); стальной вариант i3+ и частично стандартная рама с какими-то улучшениями. На сегодняшний день модификаций i3 очень много. И на основе них была разработан 1-й вариант рамы с Директом и 12В столом и на шпильках М5.(о нём я писал ранее). Пластиковые детали подбирал на всем известном сайте.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Принтер печатает и сегодня без всяких проблем и ни разу меня не подводил. Единственное, что — это не так давно был заменён стол на 220В и установлен экран 12864 и заменены напечатанные шестерни экструдера на шестерни из нейлона (Спасибо за пробники PrintProduct ;)), так как из ABS стёрлись :D. Печатал на нём же — двойная польза и тест пластика, и польза для принтера!

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Этот принтер у меня основной на сегодняшний день и я на нём провожу тесты разных пластиков(этот принт перепробовал уже всё практически,что можно и нельзя) и новых примочек по электронике, что можно применить в новых моих принтерах — обкатываю технологии.:D
Затем был разработан 2-ой вариант рамы с учётом рамы №1.
Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
На этом принтере были установлены ходовые винты, стол на 220В, боуден подача с экструдером MR8, подсветка зоны печати немного изменена конфигурация рамы (много всяких мелочей). Комплект пластиковых деталей был подобран другой, именно уже с определёнными возможностями для установки всяких полезных мелочей, а так же удобства их использования именно под эту раму.
Главное отличие от рамы №1:
Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Первый вариант.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Второй вариант.
Так же была разработана 3-я версия рамы, но она мало чем отличалась от второго варианта. Была не много упрощена в крепёжных отверстиях(не значительно) и убрана кнопка включения подсветки зоны печати.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Не так давно меня попросили собрать ещё один такой принтер, на что и я согласился. Но мне хотелось не много доработать раму с учётом не только своего опыта использования своих принтеров, но и учесть не доработки других подобных моделей в виде эстетического и практического характера, а именно:
1. Убрать электронику в бокс, но не печатный, а что бы он сочетался с самой рамой.
2. Вынести кнопку RESET с самой платы, что бы удобнее было его перезагружать при работе с Cura(У меня после печати надо его перезагрузить принтер прежде чем, программа его увидит)
3. Сделать индикатор срабатывания реле. Так как у стола на 220В реле транзисторах и не подаёт ни каких звуков, а индикатор только на самом реле. Для удобства контроля нагрева стола.
В итоге появилась новая модификация рамы. Я назвал её версией 3.1 (так как всё таки версий рам №2 было 2 типа- обычная и упрощённая)
4. Установить Ramps 1.4 горизонтально, чтобы было удобнее подключать USB шнур.
И так появилась рама №4. Тут уже более серьёзные изменения, но они в основном конструктивные и глазом не видны в основном.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Там же стоит и реле нагрева стола.
Вот пример первой его печати:

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.

Простейший принтер RepRap i3 моей конструкции.
Загнутые углы, потому, что для этого пластика слишком большая температура экструдера (это FDPlast чёрный)

Получилось (кратко):
1. Зона печати 200х200х310
2. Стол 220В 200W на 3мм алюминиевой пластине (МК3)
3. Экструдер MK8
4. Хотенд E3DV6
5. Ходовые винты М8 350мм
6. Закрытая электроника.
7. Рама толщиной 8 мм на винтах М4
8. Электроника Ramps 1.4
На момент передачи принта не было установлено охлаждение зоны печати, так как куллеров 40х40 нормальных не смогли найти и их поставим позже (не срочная функция на сегодня:D)
Самую первую версию принтера я гоняю уже ровно год и качество печати не ухудшилось, с учётом моих издевательств над принтером и никакого ТО тоже Я не проводил. Получилась без отказная и не прихотливая машина для печати. Да и жалоб у обладателей этих принтов нет. В дальнейшем уже есть мысли о новых доработках рамы.
Это моё хобби и Я не на что не претендую!

Полезные советы

Для правильной сборки важно соблюдать инструкцию по применению и советы опытных мастеров, которые были выявлены путем проб и ошибок:

  • В сборке 3D принтеров своими руками не используют подшипников типа 625z, которые отвечают за крепление торцевых опор.
  • Ходовые винты помогут избавить от колебаний при высокой скорости работающей головки.
  • При сборке каретки используют стальную проставку черного цвета, но ее нет в комплекте с рамой. На замену приходят пластиковые втулки, которые подойдут для этих целей.
  • Монтирование креплений концевика должно происходить к передней стенке. В случае ошибки модели будут пропечатываться зеркальным образом. Новая прошивка не исправит проблемы. Единственный выход – перепаять клемму.
  • Соединяя части RAMPS и Arduino не стоит забывать и бесперебойной работе принтера. Для этого ардуино отвязывают от питания с платы RAMPS. Диод, отвечающий за эту функцию, выпаивают или отрезают. Регулятор припаивается на входе питания и выставляется на отметке 5 Вт.

Совсем недавно мало кто задумывался о сборке 3D принтера своими руками. На данное время эта тема очень востребована. Специалисты научились изготавливать детали для аппарата самостоятельно. Преимущество самодельных моделей в сравнении с заводскими заключается в цене и лучшем качестве. Наиболее большую разницу можно разглядеть у китайских устройств.