Главная » Статьи » Разработка собственного 3D принтера

Разработка собственного 3D принтера

1. Покупка

Принтер я покупал еще до того, как окончательно решил построить на этом свое дело. Кроме технических характеристик, учитывались такие параметры, как открытость, цена расходников, легкость воспроизводства и много других. В итоге, часть данных вылилась вот в такую таблицу:

Соответсвенно, зелёненькие поля – это хорошо, красненькие – плохо. После мучительных раздумий выбор пал на RepRap Mendel Tricolour. Заказал я его непосредственно у изобретателя – в Бристоле, с доставкой через UPS. Стоил он около 1200$, на таможне пришлось заплатить 30% налога, а т.к. опыта работы с таможней у меня не было, пришлось заключить договор на услуги брокеров с той же службой доставки (это еще около 50$). Благо все документы мне прислали по почте и никуда ехать не пришлось . В итоге, приблизительно через 2 недели после заказа принтер привезли прямо мне под дом.

2. Сборка

В коробке все было прекрасно – каждый вид винтиков, гаечек был в отдельном пакетике с наклейкой, на которой было написано количество и название. Было видно, что ребята реально стараются сделать все “на отлично”. В документах была ссылка на сайт с инструкцией по сборке. К тому времени, как пришел принтер, я её уже всю изучил вдоль и поперёк и даже купил все необходимые инструменты (это тоже описано в инструкции):

Вот так выглядела открытая коробка:

Вот что было внутри:

Собирал я его с перерывами в течение 5-ти дней, всего понадобилось больше 20-ти часов (конечно это долго, это ведь был 1-й 3D принтер в моей жизни, на 2-й у меня ушло 10 часов). Весь процесс сборки можете посмотреть вот в этом видео (не переживайте – длительность всего 40 минут):

Итак, первый 3D принтер собран – началось мое путешествие в мир 3D печати. Впрочем, как, наверное, и у всех “взлёт” хоть и произошел, но не обошлось без приключений. Например, контакт нагревательной поверхности был не очень хорошим и она плохо прогревала алюминиевую поверхность. Вот видео моей 1-й печати на моем 1-ом принтере:

А вот собственно и сам напечатанный объект:

3. Рама

Хоть я и считал, что для первого раза результат замечательный, уже хотелось большего, поэтому в голове крутились мысли о том, что нужна более надежная рама. Текущая рама была собрана из 8мм шпилек и прогибалась при диагональных нагрузках. Так родилась идея практически монолитного корпуса из алюминия. К этому времени я уже освоил замечательную программу Designspark Mechanical, в ней и решил разрабатывать (кстати, если вам интересно, чем можно создать 3D модель – можете почитать вот эту статью).

Итак, сперва нужно было создать 3D модель. Тут мне очень помогло то, что вся информация по RepRap-принтерам – Open source. Поэтому 3D модели всех пластмассовых деталей (и не только) уже есть на GitHub. Но к деталям мы вернёмся позднее, а на повестке дня стояла рама для принтера:

rods

Измерил расстояние между шпильками и нарисовал их

rama01

Объединил все шпильки треугольником, добавил отверстие под разъём питания. Чтобы не рисовать 2-ю раму, сделал эту абсолютно симметричной по оси Z. Поэтому внизу по центру получилось две шпильки (это придаст дополнительную прочность конструкции) и отверстие под разъём питания теперь тоже с двух сторон. Добавил крепежные отверстия и ручку для переноски принтера (за одно будет работать как защита для экструдеров)

rama02

Скопировал треугольную раму, предварительно измерив расстояние между рамами в принтере. Но не хватает горизонтальной жесткости…

rama03

Поэтому добавил поперечную Х-образную раму

Вот, что получилось:

4. Крепление сопла

Следующим на “прокачку” попало крепление сопла, т.к. однажды охлаждающий вентилятор вышел из строя, и эта деталь расплавилась. Делать его пришлось в большой спешке, т.к. принтер стал неработоспособным. Ребята из Хакерспейса помогли быстро сделать модель из алюминия:

Вскоре после этого я доработал модель – сделал отверстия, тем самым максимально облегчил и, в то же время, увеличил площадь рассеивания тепла. Теперь можно использовать один вентилятор на два сопла, а при термостойких подшипниках вообще обойтись без охлаждения (если заменить каретку, но об этом чуть позже).

5. Турбина

Всё это время также шли работы над турбиной для обдува, хороший обдув очень важен при печати “мостов”, да и вообще при печати. И нормальная турбина получилась не сразу. Сначала я попробовал сделать турбину меньшего размера с узким соплом:

но, как оказалось, законы аэродинамики действуют на всех и в такой турбине хорошего давления не добьёшься, т.к. в таком маленьком объеме воздуху некуда было деваться и он, отражаясь от стенки, создавал обратное давление. Следующая версия турбины была более удачной и однозначно лучше штатной:

Но нет предела совершенству, развиваемое давление было недостаточным, а у меня появились турбины от ноутбуков DELL. Оставалось сделать правильный корпус, для этого нужно было сделать 3D модель вентилятора, чтобы точно сделать посадочное отверстие. Как я это делал можете посмотреть в этом видео:

А вот и сама турбина:

6. Основные узлы

По мере того, как принтер совершенствовался, возникали новые цели. Теперь стояла задача повысить скорость печати. Для этого нужно было повысить напряжение на шаговых двигателях, соответсnвенно, они будут больше греться, а также усилятся вибрации при смене направления движения. Было решено заменить все остальные запчасти на алюминиевые. И я принялся за работу:

zmotor01

На двигатели оси Z нагрузка невелика, но я исходил из того, что со временем переделаю их на упорные подшипники, поэтому нужна большая жесткость, ну и заодно, алюминиевый корпус будет радиатором и защитой для шагового двигателя

zmotor02

Нижнее крепление объединяет обе шпильки в одну прочную конструкцию

zmotor03

Вот как это должно быть в сборе

motorx

А вот крепление двигателя X как раз хорошо работает, как радиатор и, конечно, придает нужную жесткость. Я переделал его на шариковые подшипники

motorx02

Другой конец оси Х – тут видно что есть крепление под шариковый подшипник, и есть адаптер под подшипник скольжения. На самом деле я еще не определился, что лучше. В данный момент один принтер работает на шариковых подшипниках, другой – на подшипниках скольжения.

motory01

Другой конец оси Х – тут видно что есть крепление под шариковый подшипник, и есть адаптер под подшипник скольжения. На самом деле я еще не определился, что лучше. В данный момент один принтер работает на шариковых подшипниках, другой – на подшипниках скольжения.

Вот, что у меня получилось:

7. Каретка

После всех этих модернизаций остался только один пластмассовый основной узел – Каретка. Сложность была в том, что в ней 3 подшипника, а если есть хоть малейший перекос, подшипники начинают “заедать”, делать борозды на оси. Сложность калибровки в таких случаях растет не линейно, а по гиперболе. Кроме того, она должна быть легкой:

head03

Я постарался максимально облегчить деталь, в то же время, сохранив прочность, оставил небольшой люфт для калибровки подшипников.

head02

Также нужно было придумать механизм крепления ремня с возможностью замены не разбирая саму каретку.

head01

А вот и конечный результат с креплением сопел

8. Корпус контроллера

Контроллер принтера все это время был без корпуса, и так как на работу принтера это не влияло, я все время откладывал это на потом. Но вот настало время эстетического апгрейда:

melzi04

Корпус получился довольно сложный, с нашим логотипом, защитной сеткой для радиатора, и возможностью установки вентилятора для принудительного обдува.

melzi01

Поэтому печатал его по частям.

melzi02

Затем клеил и полировал

melzi04 (1)

Вот, что получилось в итоге. Вентилятор пока стоит “для красоты”, т.к. дополнительное охлаждение не требуется.

9. Провода

Волей случая в моем распоряженнии оказались моток МГТФ провода и оплётка для проводов. Это позволило мне систематизировать жгуты проводов и заодно защитить их от механических повреждений.

10. Новый контроллер

Последним, но не окончательным апгрейдом на данный момент, является замена контроллера. Изначально Mendel поставляли с контроллером Melzi, довольно хорошее, на мой взгляд, решение (на тот момент), на одной плате размещены все необходимые компоненты для управления принтером с одним экструдером. Но были и минусы – например, для установки еще 2-х экструдеров нужно было установить еще один контроллер и связать их шиной обмена данных. Т.к. принтеры использовались практически постоянно, были случаи выхода из строя micro-USB разъема. Но с марта 2015-го принтеры начали комплектовать контроллером Duet, он быстрее, способен сам управлять 3-мя экструдерами (если на него поставить плату расширения) и к тому же есть встроенный Ethernnet-порт, который позволяет подключаться по сети. В дополнение ко всему этому реализована автокомпенсация платформы с использованием ИК-датчика. Частота 84МГц (у Melzi 16Мгц) позволяет держать веб-сервер прямо на контроллере и при этом спокойно выполнять все функции 3D принтера. Как только я прочитал о всех этих возможностях, я понял – это те контроллеры, которые я хочу видеть в своих принтерах и принялся за дело:

Duet01

Корпус для нового контроллера, и сам контроллер.

duet02

Высота корпуса должна быть достаточной для размещения контроллера вместе с платой расширения.

Duet03

Крепление ИК-датчика на каретке. Концевик на оси Х позволит избавиться от одного микропереключателя, т.к. теперь его функцию будет выполнять ИК-датчик.

Вот, что получилось в итоге:

11. Резюме

Конечно, это не всё, что я сделал с принтером. Я не рассказал о доработке экструдеров, замене шестеренок на металлические, опытах с подшипниками, конверторах питания для турбин, датчиках подачи материала, но все это еще в работе и может поменяться. В общем-то были и неудачные модификации, от которых потом пришлось отказаться. В планах еще корпус, воздушные фильтры, термокамера, универсальный экструдер под все диаметры и думаю появятся еще идеи. Но это уже будет часть 2. Надеюсь, вам было интересно, много информации, которая не вошла в эту статью вы можете найти на наших страничках в соцсетях (большие круглые кнопки в самом верху, справа), а также можете там задавать свои вопросы – я обычно не жмусь и с радостью делюсь опытом. Ну и пару фото напоследок: