Розробка власного 3D принтера

1. Придбання

Принтер я купував ще до того, як остаточно вирішив побудувати на цьому свою справу. Крім технічних характеристик, враховувалися такі параметри, як відкритість, ціна витратних матеріалів, легкість відтворення і багато інших. У підсумку, частина даних вилилася ось у таку таблицю:

Відповідно, зелені поля – це добре, червоні – погано. Після болісних роздумів вибір пав на RepRap Mendel Tricolour. Замовив я його безпосередньо у винахідника – в Брістолі, з доставкою через UPS. Коштував він близько 1200$, на митниці довелося заплатити 30% податку, а так як досвіду роботи з митницею у мене не було, довелося укласти договір на послуги брокерів з тієї ж службою доставки (це ще близько 50$). Благо всі документи мені прислали поштою і нікуди їхати не довелося. У підсумку, приблизно через 2 тижні після замовлення принтер привезли прямо мені під будинок.

2. Збірка

У коробці все було прекрасно – кожен вид винятково, гаєчок був в окремому пакетику з наклейкою, на якій було написано кількість і назву. Було видно, що хлопці реально намагаються зробити все “на відмінно”. У документах було посилання на сайт з інструкція по збірці. На той час, як прийшов принтер, я її вже всю вивчив вздовж і впоперек і навіть купив всі необхідні інструменти (це теж описано в інструкції):

Ось так виглядала відкрита коробка:

Ось, що було всередині:

Збирав я його з перервами протягом 5-ти днів, всього знадобилося більше 20-ти годин (звичайно це довго, адже це був 1-й 3D принтер в моєму житті, на 2-й у мене пішло 10 годин). Весь процес складання можна подивитися ось в цьому відео (не хвилюйтесь – тривалість всього 40 хвилин):

Отже, перший 3D принтер зібраний – почалася моя подорож у світ 3D друку. Втім, як, напевно, і у всіх “зліт” хоч і стався, але не обійшлося без пригод. Наприклад, контакт нагрівальної поверхні був не дуже добрим і вона погано прогрівала алюмінієву поверхню. Ось відео мого 1-го друку на моєму 1-ому принтері:

А ось власне і сам надрукований об’єкт:

3. Рама

Хоч я і вважав, що для 1-го разу результат чудовий, вже хотілося більшого, тому в голові крутилися думки про те, що потрібна більш надійна рама. Поточна рама була зібрана з 8мм шпильок і прогиналася при діагональних навантаженнях. Так народилася ідея практично монолітного корпусу з алюмінію. До цього часу я вже опанував чудову програму Designspark Mechanical, в ній і вирішив розробляти (до речі, якщо вам цікаво, чим можна створити 3D модель – можете почитати ось цю статтю).

Отже, спершу потрібно було створити 3D модель. Тут мені дуже допомогло те, що вся інформація по RepRap-принтерам – Open source. Тому 3D моделі всіх пластмасових деталей (і не тільки) вже є на GitHub. Але до деталей ми повернемося пізніше, а на порядку денному стояла рама для принтера:

Виміряв відстань між шпильками і намалював їх

Об’єднав всі шпильки трикутником, додав отвір під роз’єм живлення. Щоб не малювати 2-у раму, зробив цю абсолютно симетричну по осі Z. Тому внизу по центру вийшло дві шпильки (це додасть додаткову міцність конструкції) і отвір під роз’єм живлення тепер теж з двох сторін. Додав кріпильні отвори і ручку для перенесення принтера (за одне буде працювати як захист для екструдерів)

Скопіював трикутну раму, попередньо вимірявши відстань між рамами в принтері. Але не вистачає горизонтальної жорсткості

Тому додав поперечну Х-подібну раму

Ось, що вийшло:

4. Кріплення сопла

Наступним на “прокачку” попало кріплення сопла, так як одного разу охолоджуючий вентилятор вийшов з ладу і ця деталь розплавилася. Робити його довелося у великому поспіху, тому що принтер став непрацездатним. хлопці з Хакерспейса допомогли зробити модель з алюминію:

Незабаром після цього я допрацював модель – зробив отвори, тим самим максимально полегшив і, в той же час, збільшив площу розсіювання тепла. Тепер можна використовувати один вентилятор на два сопла, а при термостійких підшипниках взагалі обійтися без охолодження (якщо замінити каретку, але про це трохи пізніше).

5. Турбіна

Весь цей час також йшли роботи над турбіною для обдування, гарне охолодження дуже важливий при друці “мостів”, та і взагалі при друці. І нормальна турбіна вийшла не одразу. Спочатку я спробував зробити турбіну меншого розміру з вузьким соплом:

але, як виявилося, закони аеродинаміки діють на всіх і в такій турбіні хорошого тиску не доб’єшся, так як в такому маленькому обсязі повітря нікуди було діватися і він, відбиваючись від стінки, створював зворотній тиск. Наступна версія турбіни була більш вдалою і однозначно краще штатної:

Але немає межі досконалості, тиск, який розвивається, не вистачило б, а у мене з’явилися турбіни від ноутбуків DELL. Залишалося зробити правильний корпус, для цього потрібно було зробити 3D модель вентилятора, щоб точно зробити розмір отвору. Як я це робив можете подивитися в цьому відео:

А ось і сама турбіна:

6. Основні вузли

У міру того, як принтер удосконалювався, виникали нові цілі. Тепер стояло завдання підвищити швидкість друку. Для цього потрібно було підвищити напругу на крокових двигунах, відповідно, вони будуть більше грітися, а також посиляться вібрації при зміні напрямку руху. Було вирішено замінити всі інші запчастини на алюмінієві. І я взявся за роботу:

На двигуни осі Z навантаження невелике, але я виходив з того, що з часом перероблю їх на упорні підшипники, тому потрібна велика жорсткість, ну і заодно, алюмінієвий корпус буде радіатором і захистом для крокової двигуна

Нижнє кріплення об’єднує обидві шпильки в одну міцну конструкцію

Ось як це повинно бути в зборі

А ось кріплення двигуна X якраз добре працює, як радіатор і, звичайно, надає потрібну жорсткість. Я переробив його на кулькові підшипники

Інший кінець осі Х – тут видно що є кріплення під кульковий підшипник, і є адаптер під підшипник ковзання. Насправді я ще не визначився, що краще. В даний момент один принтер працює на кулькових підшипниках, інший – на підшипниках ковзання.

Кріплення двигуна Y теж працює, як радіатор (це двигун гріється більше всіх), ну і, звичайно, додає міцність конструкції.

Ось, що в мене вийшло:

7. Каретка

Після всіх цих модернізацій залишився тільки один пластмасовий основний вузол – каретка. Складність була в тому, що в ній 3 підшипника, а якщо є хоч найменший перекіс, підшипники починають “заїдати”, робити борозни на осі. Складність калібрування в таких випадках зростає не лінійно, а по гіперболі. Крім того, вона повинна бути легкою:

Я постарався максимально полегшити деталь, в той же час, зберігши міцність, залишив невеликий люфт для калібрування підшипників.

Також потрібно було придумати механізм кріплення ременя, з можливістю заміни не розбираючи саму каретку.

А ось і кінцевий результат з кріпленням сопел

8. Корпус контролера

Контролер принтера весь цей час був без корпусу, і так як на роботу принтера це не впливало, я весь час відкладав це на потім. Але ось настав час естетичного апгрейда:

Корпус вийшов досить складний, з нашим логотипом, захисною сіткою для радіатора і можливістю установки вентилятора для примусового обдування.

Тому друкував його по частинам.

Потім клеїв і полірував

Ось, що вийшло в результаті. Вентилятор поки стоїть “для краси”, тому що додаткове охолодження не потрібно.

9. Дроти

Волею випадку в моєму розпорядженні опинилися моток МГТФ дрота і обплетення для проводів. Це дозволило мені систематизувати джгути проводів і заодно захистити їх від механічних пошкоджень.

10. Новий контролер

Останнім, але не остаточним апгрейдом на даний момент, є заміна контролера. Спочатку Mendel поставляли з контролером Melzi, досить добре, на мій погляд, рішення (на той момент), на одній платі розміщені всі необхідні компоненти для керування принтером з одним екструдером. Але були і мінуси – наприклад, для установки ще 2-х екструдерів потрібно було встановити ще один контролер і зв’язати їх шиною обміну даних. Оскільки принтери використовувалися практично постійно, були випадки виходу з ладу micro-USB роз’єму. Але з березня 2015-го принтери почали комплектувати контролером Duet, він швидше, здатний сам керувати 3-ма екструдерами (якщо на нього поставити плату розширення) і до того ж є вбудований Ethernnet-порт, який дозволяє підключатися по мережі. На додаток до всього цього реалізована автокомпенсація платформи з використанням ІК-датчика. Частота 84МГц (у Melzi 16Мгц) дозволяє тримати веб-сервер прямо на контролері і при цьому спокійно виконувати всі функції 3D принтера. Як тільки я прочитав про всіх цих можливостях, я зрозумів – це ті контролери, котрі я хочу бачити в своїх принтерах і взявся за справу:

Корпус для нового контролера і сам контролер.

Висота корпусу повинна бути достатньою для розміщення контролера разом з платою розширення.

Кріплення ІК-датчика на каретці. Кінцевик на осі Х дозволить позбутися від одного мікроперемикача, тому що тепер його функцію виконуватиме ІК-датчик.

Ось, що вийшло в підсумку:

11. Резюме

Звичайно, це не все, що я зробив з принтером. Я не розповів про доопрацювання екструдерів, заміні шестерінок на металеві, дослідах з підшипниками, конверторах живлення для турбін, датчиках подачі матеріалу, але все це ще в роботі і може помінятися. Взагалі-то були і невдалі модифікації, від яких потім довелося відмовитися. У планах ще корпус, повітряні фільтри, термокамера, універсальний екструдер під всі діаметри і думаю з’являться ще ідеї. Але це вже буде частина 2. Сподіваюся, вам було цікаво, багато інформації, яка не увійшла в цю статтю ви можете знайти на наших сторінках в соцмережах (великі круглі кнопки в самому верху, справа), а також можете там ставити свої питання – я зазвичай не жмусь і з радістю ділюся досвідом. Ну і пару фото наостанок: