УДК 004.356.2

СОЗДАНИЕ 3D ПРИНТЕРА НА БАЗЕ ARDUINO ДЛЯ ЛАБОРАТОРНОГО ПРОТОТИПИРОВАНИЯ

Плесовских Даниил Олегович1, Ечмаев Александр Иванович2
1Тюменский государственный университет (филиал в г. Тобольске), студент 5 курса естественнонаучного факультета, специальность "Профессиональное обучение" (Информатика, вычислительная техника и компьютерные технологии)
2ООО «Сервисный центр АСП» г. Тобольск, сервисный инженер

Аннотация
В статье приводится анализ и систематизация современных технологий 3D принтеров и 3D печати. Проведенное исследование позволяет утверждать, что для образовательных целей и университетских лабораторий возможно самостоятельное создание 3D принтера силами студентов в рамках курсового или дипломного проектирования. Наиболее оптимальным решением данной задачи является выбор в качестве базовой модели Prusa Mendel i2 с дальнейшим ее техническим и программным усовершенствованием.

Ключевые слова: быстрое прототипирование, программное обеспечение для 3D принтера.


ARDUINO BASED 3D PRINTER CREATING FOR LABORATORY PROTOTYPING

Plesovskih Daniil Olegovich1, Echmaev Alexander Ivanovich2
1Tyumen State University (branch in Tobolsk), 5th year student of the faculty of natural sciences, specialty "Vocational training" (Informatics, computer science and computer technologies)
2Service Center ASP LLC the city of Tobolsk, IT service engineer

Abstract
This article provides an analysis and systematization of modern 3D printers and 3D printing technologies. Following research provides an opportunity to claim that for educational purposes and university laboratories independent creating of 3D printer by students as part of coursework or graduation work is possible. The best possible solution for this problem is choosing Prusa Mendel i2 as basic model with further technical and program improvement.

Keywords: 3D печать, 3D принтер, Arduino Mega


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Плесовских Д.О., Ечмаев А.И. Создание 3D принтера на базе arduino для лабораторного прототипирования // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 7 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/07/52797 (дата обращения: 20.11.2016).

За последнее десятилетие цифровые технологии шагнули далеко вперед. То, что мы уже считаем повседневным и обыденными, на самом деле это результат долгих, упорных исследований и экспериментов. Сегодня изготовления различных промышленных предметов или восстановление деталей стало возможно не только в заводских условиях, но и дома, благодаря трехмерной печати, которая активно входит в обычную жизнь и становится неотъемлемой ее частью для многих пользователей. Не смотря на то, что 3D принтеры появились совсем недавно, в СМИ все чаще появляются о разнообразных сферах их применения: техника (изготовление деталей, макетов, шаблонов), быт (печать игрушек, сувениров, посуды и т.д.), получение композитных материалов, изготовление индивидуальных протезов и даже человеческих органов. Рассматривается возможность использования принципа 3D печати при изготовлении строительных конструкций и жилых домов [1].

3D принтер – это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. В зарубежной литературе данный тип устройств называется фаббером, а процесс трехмерной печати — быстрым прототипированием [2].

Данная технология имеет широкие перспективы развития и внедрения, т.к. обладают рядом преимуществ, по сравнению с традиционными методами создания различных деталей. Одним из таких преимуществ является наглядность – деталь гораздо проще воспринимать, когда она является трёхмерным объектом, а не представлена, например, на чертежах. Вторым преимуществом является скорость создания – наиболее ярко это проявляется при выполнении сложных деталей. Третье приемущество – отсутствие физических усилий со стороны человека. Роль человека в этом процессе состоит в создании виртуального макета, при помощи какого-либо графического редактора, позволяющего создавать 3D-модели.

Трехмерная печать становится все более популярной и дешевой, доступной для большинства средних производственных компаний, и даже обычного пользователя. С помощью 3D-принтера можно в корокие сроки полностью разработать проект: создать макет и получить опытный образец, провести нужные испытания образца еще до изготовления готовой продукции, и даже применять по назначению, если он выполнен из пригодного материала. Использование 3D-печати для быстрого прототипирования существенно сокращает время и удешевляет процесс создания продуктов, а так же позволяет предотвращать ряд конструкционных проблем еще на стадии моделирования.

Сегодня, предлагаемые к продаже 3D принтеры по их потребительским качествам достатчно разнообразны. По их назначению классификация представлена в таблице 1 [3].

Таблица 1. Классификация 3D принтеров по назначению (ориентация на потребителя)

Тип принтера

Целевая аудитория

Особенности

Потребительский На людей, работающих дома. Простой, понятный интерфейс.

Печатают ABS и PLA пластиком. Процесс печати длительный. Ориентированы на печать не сложных объектов.

Персональный На малый бизнес с небольшим бюджетом, с потребностью в периодическом использовании 3D печати. 3D принтеров обладают более высоким качеством и точностью печати.
Профессилнальный На компании с постоянной потребностью в прототипировании, моделировании, изготовлении разного рода объектов с высокими показателями качества и точности. Очень габаритные и шумные. Может производить несколько различных объектов одновременно. Требуется обученный оператор для работы на таком принтере.
Промышленный На компании с потребностью в производстве высокоточных, высококачественных продуктов большого размера или объёма. Являются совокупностью точности и качества. Большая площадь печати. Может  быстро менять профиль и использовать материалы от ABS пластика до титана.

 

Первые идеи по трехмерной печати относятся к 80-м годам XX века. Именно в тот период времени был создан стереолитограф, который создавал объекты с помощью специального фотополимерного пластика. Это была первая технология, ставшая основой для современных  3D принтеров: лазер лучом прорисовывал каждый пиксель рисунка, создавая его из жидкого вещества, которое, застыв, становилось твердым элементом объекта.

Сегодня основой для создания моделей на 3D принтерах могут являться разнообразные материалы: несколько видов пластика, гипс, воск, фотополимеры, металл и т.д. Сегодня производители активно создают для 3D принтеров новые компоненты и материалы, позволяющие получать все более реалистичные образцы. В зависимостиот используемого материала выделяют ряд различных технологий печати. Их систематизация представлена в таблице 2.

Таблица 2. Классификация 3D принтеров по технологии печати

Название технологии

Описание технологии

I. Экструзионного типа
FDM (Fused deposition modeling) Рабочий элемент принтера – головка-экструдер плавит пластиковую нить, которой заправляется принтер. Далее расплавленный элемент подается через сопло, а затем достаточно быстро застывает при комнатной температуре. Вместо пластика может быть использован и другой материал, например воск или керамическая смесь.
Технология PolyJet Фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности устройства под воздействием УФ излучения. Важная особенность, отличающая PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.
LENS (Laser engineered net shaping) Материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера. Часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера мгновенно полимеризуется и слой за слоем формирует трехмерную деталь.
II. Спекающего типа
SL (Stereolithography) Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ спекается. После того как один слой готов платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту далее запекается следующий слой
LS (Laser sintering) Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок легкоплавкого пластика, который полимеризуется лазером. Под действием лазера пластик плавится, становится эластичным, а затем спекается в единую массу. Чтобы пластик под действием температуры лазера не воспламенился или не окислился, в камеру, где проводятся работы, добавляют азот (инертный газ).
II. Склеивающего типа
3DP (Three dimensional printing) На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка
LOM (laminated object manufacturing) Тонкие ламинированные листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера и затем спекаются или склеиваются в трехмерный объект.

 

Такое широкое поле применения трехмерной печати диктует необходимость знакомства студентов – будущих специалистов в области информатики, вычислительной техники и компьютерных технологий со спецификой и возможностями данной технологии. Что в свою очередь, требует создания лаборатории прототипирования, оснащенной достаточно мощным компьютером (графической станцией) и 3D принтером. Однако промышленные и серийные трехмерные принтеры достаточно дороги для студенческой лаборатории, где основными разработками, как показывает практика, являются курсовые и дипломные проекты, реализующие творческие идеи студентов [4]. Исходя из этого, предметом данного исследования явилось создание недорогого 3D принтера для студенческой лаборатории быстрого прототипирования.

Для образовательных целей, в рамках дипломного проекта на кафедре информатики и методики ее преподавания, филиала Тюменского государственного универсистета было принято решения о создании такого принтера собственными силами студентов, обучающихся по специальности 051000 – Профессиональное обучение (информатика, вычислительная техника и компьютерные технологии). В рамках данного исследования было проанализировано достаточно большое количество литературных и интернет источников. Основными критериями выбора модели и комплектующих были:

  • Доступность приобретения элементной базы,
  • Невысокая цена элементной базы,
  • Достаточный уровень гарантии качества работы,
  • Доступность управляющих программ для прошивки микроконтроллера.
  • Возможность работы со свободно распространяемым программным обеспечением по 3D моделированию.

Выбранная к реализации модель относится к типу RepRap – семейство недорогих принтеров, которые можно собрать самостоятельно, из доступных материалов. Это устройство с «открытым кодом» – можно воспроизводить, или вносить свои изменения. За основу разработки была выбрана модель Prusa Mendel i2. Основной материал, который используется принтером для печати – PLA пластик, метод печати – экструзия.

Корпусную основу принтера составляют стальные шпильки и оси, которые крепятся с помощью пластиковых деталей и гаек. Боковые стороны образуют равносторонний треугольник со стороной 390 мм. Длина шпильки между боковыми сторонами – 320 мм.

Для подачи пластика в головку, перемещения головки экструдера по направляющим и печатного столика по осям X, Y, Z в конструкцию принтера должны входить пять моторов. В разрабатываемой модели использованы пять шаговых двигателей типа NEMA-17.

Печатный столик, на котором происходит послойное формирование модели – это нагреваемая поверхность. Подогрев выполняется для того, чтобы в процессе печати пластик от него не отлипал. В конструируемой модели использована поверхность MK2b Dual Power. Для контроля температурного режима стола использован термистор. Сам столик для уменьшения температурных потерь имеет многослойную структуру: фанера, термоповерхность, зеркальная поверхность.

Рис.1.

Одну из проблем проектирования 3D принтера составляет выбор управляющей электроники. Сегодня существует множество ее вариантов, в том числе, специально разработанных для 3D печати. В нашем проекте выбрана платформа Arduino Mega, т.к. это достаточно надежное устройство, имеет удобную поддержку, в том числе, и вне RepRap-community, отличается простотой в получении помощи, имеется большое количество дополнительной периферии. Для управления моторами в создаваемой конструкции использован контроллер RAMPS 1.4, который устанавливается на Arduino сверху, а на него, в свою очередь, закрепляются драйверы моторов, обслуживающие периферию. В конструкции использованы 4 драйвера, т.к. Z-моторы спарены, и обслуживаются одним драйвером (моторы, обеспечивающие вертикальное перемещение головки экструдера). Схема подключения периферийных устройств к RAMPS 1.4 показана на рис. 1.

В качестве блока питания в конструкции использован блок от компьютера, дающий напряжение 12 вольт и мощность примерно 300 ватт.

Для обеспечения работоспособности принтера использовано бесплатное ПО с открытым кодом:

1. Программное обеспечение ПК для прошивки Arduino;

2. Sprinter – программное обеспечение, которое сформирует прошивку (firmware) для Arduino;

3. Repetier Host – программа, используемое для преобразования STL-файлов (формат, широко используемый для хранения трехмерных моделей объектов в технологиях быстрого прототипирования. Информация об объекте хранится как список треугольных граней, которые описывают его поверхность, и их нормали), в G-коды, которые понимает контроллер принтера. Несмотря на большое количество настроек Repetier Host имеет достаточно простой и понятный интерфейс (рис.2).

 Рис. 2.

 4. для создания 3D моделей используется программа OpenSCAD (рис.3), предназначенная для программирования твердотельных САПР-моделей. Программа является кроссплатформенным программным продуктом. Представляет собой трехмерный компилятор, который читает файл сценария, описывающего объект, и строит трехмерную модель согласно этому сценарию. Это дает полный контроль над моделью и позволяет легко менять любой шаг в процессе моделирования или производства параметрических конструкций.

 Рис.3.


Библиографический список
  1. Эпоха 3D принтеров уже наступила. URL: http://3dprintage.com/ (дата обращения 19.04.2015)
  2. 3D-принтер. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3D (дата обращения 19.04.2015)
  3. Классификация 3D принтеров (7 технологий 3D печати) . URL: http://geektimes.ru/post/159931/ (дата обращения 21.04.2015)
  4. Буслова Н.С., Ечмаева Г.А., Клименко Е.В. Рекомендации по выполнению выпускной квалификационной работы бакалавров по направлению 540200 – физико-математическое образование, профессионально-образовательный профиль подготовки 540203 информатика: Методическое пособие. – Тобольск: ТГСПА им. Д.И. Менделеева, 2011. – 32 с.


Все статьи автора «Ечмаев Александр Иванович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация