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
- Эпоха 3D принтеров уже наступила. URL: http://3dprintage.com/ (дата обращения 19.04.2015)
- 3D-принтер. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3D (дата обращения 19.04.2015)
- Классификация 3D принтеров (7 технологий 3D печати) . URL: http://geektimes.ru/post/159931/ (дата обращения 21.04.2015)
- 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.