3D принтеры: фабрика на столе. Часть 1

Журнал РАДИОЛОЦМАН, август 2013

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Михаил Русских

Приводится краткая история развития 3D печати, рассматриваются основные элементы 3D принтеров, дается информация о расходных материалах, используемых в 3D принтерах, поясняются основные принципы работы. Перечислены основные характеристики нескольких 3D принтеров ценового диапазона выше $1000.

В последние годы в связи с возникновением рынка недорогих домашних настольных 3D принтеров начала набирать популярность печать трехмерных объектов. Коммерческие 3D принтеры появились еще в конце прошлого века, но из-за высокой цены и крупных размеров они были недоступны для рядового пользователя. Одним из пионеров в области трехмерной печати стала компания 3D Systems. Ее основатель, Чарльз Хулл (Charles W. Hull), разработал технологию послойного выращивания трехмерных объектов из фотополимеризующегося состава, которая получила название стереолитография. Патент на нее был получен в 1986 году. Первый 3D принтер компания выпустила уже в 1987 году. Вскоре начали появляться новые 3D принтеры других компаний, таких как DTM, Stratasys, Z Corporation, а также новые технологии печати трехмерных объектов. К ним можно отнести моделирование методом наплавления (FDM), послойное уплотнение (SGC), селективное лазерное спекание (SLS), электронно-лучевую плавку (EBM) и ряд других менее популярных технологий.

До середины прошлого десятилетия 3D принтеры, большинство из которых весило несколько сотен килограммов и имело размеры крупногабаритного шкафа, использовались для выполнения заказов промышленных предприятий и проектных организаций и не были известны широкой публике. Но в 2006 году доктором британского Университета Бата Адрианом Боуером (Adrian Bowyer) был начат проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper) [1], целью которого было создание самовоспроизводящегося 3D принтера для создания прототипов. Философия самовоспроизводства предполагает распечатку деталей, позволяющих изготовить такой же принтер, на котором и были напечатаны эти детали. Первая версия RepRap, которая вышла в 2008 году и получила название RepRap 1.0 «Darwin» (Рисунок 1), уже могла воспроизвести себя более чем на 50%. Осенью 2009 года появилась модель RepRap 2.0 «Mendel». В версии 2.0 и последующих предполагается использовать в качестве материала для печати различные металлы и сплавы. Помимо этого, вместо экструдера пластика рассматривается возможность применения различных наконечников, таких как лазер, бормашина, паяльник. Это позволит осуществить полное самовоспроизведение.


Рисунок 1.	*RepRap 1.0 «Darwin».*

Проект RepRap, по сути, начал революцию в 3D печати, которую сравнивают с революцией 1970-х годов в компьютерной сфере. В то время стали появляться первые общедоступные персональные компьютеры. Нынешняя революция создала целый рынок недорогих настольных 3D принтеров, на котором представлено большое количество разнообразных моделей таких фирм, как 3D Systems, Z Corporation, Dimension, MakerBot, Ultimaking, EOS, Cubify и других. Наиболее заметные модели будут рассмотрены в этом материале ниже, а пока стоит затронуть общие вопросы, связанные с настольными 3D принтерами, чтобы лучше понять, что они из себя представляют.

Основные элементы 3D принтера

Домашние 3D принтеры, как правило, состоят из следующих основных элементов: рамы, печатающего элемента, платформы, шаговых двигателей с направляющими и электроники.

Рисунок 2.

Двойной печатающий элемент: вид с верхнего (слева) и нижнего (справа) ракурсов.

Рама является конструкционной основой принтера, на которой непосредственно крепятся направляющие с двигателями и устанавливается электроника для управления процессом печати. Рама может представлять собой набор резьбовых шпилек, соединенных пластиковыми деталями, как, например, в моделях RepRap, а может являться основой для полноценного корпуса, выполненного, в основном, из листов металла, фанеры или оргстекла.
Печатающий элемент (Рисунок 2) – сердце 3D принтера. Он состоит из экструдера и модуля, который называется hot end (горячий конец). Экструдер предназначен для приема расходного материала и проталкивания его для дальнейшего плавления. Как правило, он состоит из корпуса, двигателя, шестерен, прижимного ролика и толкающего болта с насечками. Hot end выполняет роль термобарьера и состоит из нагревателя, термистора и сопла. Обычно в непосредственной близости к печатающему элементу располагают вентилятор для оптимального охлаждения. Некоторые модели принтеров могут содержать два или даже три печатающих элемента.
Платформа, называемая также плоскостью для печати, кареткой или столом, определяет размеры печати по осям X и Y. Платформа может быть как с подогревом, так и без, что определяет тип пригодного для печати материала.
Двигатели (Рисунок 3), направляющие, а также различные ремни и шестерни позволяют перемещать печатающий элемент и платформу в соответствии с требуемыми координатами по осям X, Y и Z. Используются шаговые двигатели, в основном модели с моментом удержания 2 – 5 кг/см.
Электроника в 3D принтерах представляет собой, как правило, плату с управляющим микроконтроллером и плату для управления шаговыми двигателями. Например, в принтерах семейства RepRap в качестве управляющей платы используется Arduino Mega 2560, а вращать двигатели позволяет плата RAMPS с установленными на ней драйверами шаговых двигателей. Поскольку RepRap является открытым проектом, вся документация на эти платы находится в открытом доступе. Довольно популярной является также плата Sanguinololu, представляющая собой сочетание Arduino-клона Sanguino и контроллера двигателей Pololu. Также получили широкое распространение платы Generation Electronics различных версий.


Рисунок 3.	*Шаговые двигатели NEMA 17.*

Расходные материалы

Большинство принтеров поддерживает печать двумя видами термопластика: ABS и PLA. ABS-пластик (акрилонитрилбутадиенстирол) является продуктом нефтехимической промышленности и характеризуется повышенной ударопрочностью и долговечностью. Он не токсичен и не имеет запаха. Также он стоек к моющим средствам и щелочам. Однако, его температура плавления довольно высока – примерно 220 – 240 °С. Хотя ABS-пластик является самым распространенным расходным материалом для настольных 3D принтеров, его поддерживают далеко не все представленные на рынке модели. Основной недостаток использования такого пластика – необходимость подогрева платформы. ABS применяется для изготовления деталей автомобилей, корпусов бытовой техники, мебели, канцелярских изделий, сантехники, игрушек и сувениров.

Вторым по популярности считается PLA (полилактид). Это экологически чистый продукт, сырьем для производства которого могут служить такие возобновляемые пищевые ресурсы, как кукуруза, сахарный тростник, сахарная свекла. Температура плавления этого пластика составляет 170 – 180 °С. Для печати таким материалом не обязателен подогрев платформы. PLA также характеризуется высокой прочностью и надежностью. Но при воздействии сильных нагрузок детали из ABS и PLA будут вести себя по-разному. Деталь из PLA будет подвергаться деформации, то есть гнуться и сжиматься, в то время как модель из ABS будет трескаться, то есть разрушаться. Основным недостатком PLA является его недолговечность. Поскольку он изготавливается из натуральных материалов, жизненный цикл напечатанной модели не превышает 1 – 2 лет, после чего она начнет разлагаться. PLA применяется главным образом для производства посуды.

Кроме перечисленных видов термопластика, в некоторых моделях могут использоваться также следующие: PVA (поливинилацетат), PCL (поликапролактон), PP (полипропилен) и HDPE (полиэтилен).

Принцип работы настольных 3D принтеров

Современные настольные 3D принтеры, использующие технологию FDM, фактически представляют собой станки с числовым программным управлением (СЧПУ). Созданная в графическом редакторе трехмерная модель должна быть сохранена в файле с расширением stl (хотя программное обеспечение некоторых принтеров может работать и с другими форматами, например, 3ds или obj). В таком файле информация об объекте хранится в виде списка треугольных граней, описывающих его поверхность, и их нормалей. Далее в специальной программе-слайсере, которая должна поставляться вместе с принтером или быть выложена в сети Интернет, необходимо переконвертировать данные из формата stl в G-код. Этот код, разработанный для управления СЧПУ, предоставляет принтеру координаты, на которые он должен переместить свои рабочие элементы на конкретном шаге работы. В слайсере до генерации G-кода можно настроить параметры печати (Рисунок 4), такие как, скорость движения печатающей головки, коэффициент заполнения детали, температуру плавления и многое другое.


Рисунок 4.	*Настройка печати в слайсере ReplicatorG.*

После получения G-кода модель отправляется на печать. Непосредственно перед печатью принтер нагревает печатающий элемент до требуемой температуры и затем начинает слой за слоем формировать модель, выдавливая экструдером в hot end пластик, где он расплавляется и выходит наружу. Время создания объекта зависит, в первую очередь, от таких факторов, как, скорость перемещения головки, размер модели и коэффициент заполнения этой модели пластиком.

Принтеры, представленные на рынке (стоимостью выше $1000)

В этом разделе будут приведены описания и технические характеристики наиболее распространенных настольных 3D принтеров, представленных сегодня на российском рынке. Это поможет конечному пользователю сориентироваться при покупке такого устройства, поскольку различные модели имеют разную скорость печати, толщину слоя и рабочую область, а диапазон их цен достаточно широк. 3D принтеры будут представлены в порядке убывания цены. Следует учитывать, что указанные ниже цены установлены производителями или их непосредственными торговыми представителями, и в отечественных магазинах могут быть увеличены на 50% – 150%.

CubeX

Этот принтер (Рисунок 5) был выпущен подразделением 3D Systems фирмой Cubify [2]. Он отличается большой рабочей областью, довольно высокой точностью печати и возможностью использования как ABS, так и PLA. Передача данных может осуществляться по интерфейсу USB 2.0 или по беспроводному каналу Wi-Fi. На выставке потребительской электроники CES 2013 CubeX был признан лучшим среди 3D принтеров. На сегодняшний день доступны три модели: CubeX с одним экструдером, CubeX Duo с двумя экструдерами и CubeX Trio с тремя экструдерами. Наличие нескольких экструдеров позволяет печатать разноцветные модели. Однако все преимущества этого принтера компенсируются его высокой стоимостью.

Размер рабочей области (CubeX/ CubeX Duo/ CubeX Trio): 275/230/185 × 265/265/265 × 240/240/240 мм
Толщина слоя: 0.1 мм
Погрешность по осям X и Y: +/- 1%
Скорость печати: 15 мм³/с
Габариты: 51.5 × 51.5 × 59.8 см
Вес (CubeX/ CubeX Duo/ CubeX Trio): 36/37/38 кг
Стоимость (CubeX/ CubeX Duo/ CubeX Trio): $2799/$3299/$4399


Рисунок 5.	*CubeX Duo.*

MakerBot Replicator 2

Принтер (Рисунок 6) разработан компанией MakerBot [3]. Он является усовершенствованной версией уже снятой с производства MakerBot Replicator, к которой, однако, производитель поставляет детали и предоставляет техническую поддержку. Replicator 2 получил много хвалебных отзывов, а также награду от журнала MAKE. Его высокая точность печати, относительно большая рабочая область, высокая скорость работы и небольшой вес оправдывают достаточно высокую стоимость. Однако поддержка только PLA является существенным недостатком данной модели. Сегодня уже доступна модель MakerBot Replicator 2X, которая не сильно отличается от Replicator 2 по техническим характеристикам, однако, имеет улучшенную конструкцию экструдера, делающую загрузку пластика более удобной, специально обработанную платформу, оптимизированную для качественной печати ABS, и продуманное охлаждение, позволяющее модели остывать равномерно. Следует отметить, что принтеры серии MakerBot Replicator стали настолько популярными, что китайская компания MBot 3D [4] предлагает немного измененные копии Replicator (выпускается под названием MBot Cube) и Replicator 2 (выпускается под названием MBot Cube 2) стоимостью $999 и $1399.

Размер рабочей области: 285 × 153 × 155 мм
Толщина слоя: опционально 0.1/0.27/0.34 мм
Погрешность по осям X/Y/Z: 0.011/ 0.011/ 0.0025 мм
Скорость печати: 90 мм/с
Габариты: 49 × 32 × 38 см
Вес: 11.5 кг
Стоимость: $2199 Replicator 2, $2799 Replicator 2X


Рисунок 6.	*MakerBot Replicator 2.*

Ultimaker

Принтер Ultimaker (Рисунок 7), разработанный нидерландской компанией Ultimaker B.V. [5], имеет высокую точность печати, большую скорость перемещения рабочих органов, поддерживает печать PLA и ABS. Также возможна печать PCL, HDPE и PP. Ultimaker является принтером с открытым программным и аппаратным обеспечением, то есть потенциально его может собрать каждый. Принтер поддерживает двойной экструдер, что позволяет печатать двухцветные модели разными материалами.

Размер рабочей области: 210 × 210 × 220 мм
Толщина слоя: 0.01 мм
Погрешность по осям X и Y: 0.05 мм
Скорость печати: рекомендуемая 150 мм/с, максимальная 400 мм/с
Габариты: 34 × 35.5 × 39 см
Вес: 9 кг
Стоимость: €1699 в собранном виде, €1194 за набор


Рисунок 7.	*Ultimaker.*

Felix 2.0

Созданный голландской компанией Felix Printers [6], этот принтер (Рисунок 8) предлагает высокое качество при оптимальной цене. Он имеет достаточно большую область печати, но при этом отличается малым весом за счет открытой конструкции. В качестве расходного материала можно использовать ABS, PLA и нейлон. Кроме того, его хвалят за практически бесшумную работу.

Размер рабочей области: 255 × 205 × 235 мм
Толщина слоя: 0.05 мм
Скорость печати: 54 см³/ч
Габариты: 45 × 50 × 53 см
Вес: 6.7 кг
Стоимость: €1399 в собранном виде, €999 за набор


Рисунок 8.	*Felix 2.0.*

UP! Plus

Легкий принтер UP! Plus (Рисунок 9) китайской компании PP3DP [7] способен печатать как ABS, так и PLA. К сожалению, UP! Plus обладает рядом существенных недостатков, делающих другие решения в этом ценовом диапазоне более конкурентоспособными. К основным недостаткам можно отнести невысокую скорость печати, низкую точность и малый размер рабочего пространства. Кроме того, пользователи данного принтера зачастую жалуются на плохо продуманный нагрев платформы, приводящий при печати к заворачиванию краев модели, небольшую жесткость подвижных элементов, что приводит к необходимости частых калибровок, и на засорение печатающей головки. Однако, UP! весит всего 5 кг, что делает его одним из самых легких 3D принтеров на рынке.

Размер рабочей области: 140 × 140 × 135 мм
Толщина слоя: опционально 0.20/0.25/0.30/0.35/0.40 мм
Погрешность по осям X и Y: 0.2 мм:
Габариты: 24 × 26.6 × 35.5 см
Вес: 5 кг
Стоимость: $149


Рисунок 9.	*UP! Plus.*

Rostock MAX

Rostock MAX (Рисунок 10) разработан командой SeeMeCNC [8] на базе прототипа дельта-принтера Rostock, автором которого является инженер Иоганн С. Рокхол (Johann C. Rocholl), родившийся в немецком городе Росток. Дельта-принтеры представляют собой разновидность дельта-роботов, рабочий механизм которых, как правило, состоит из трех рычагов, прикрепленных к основанию, монтируемому над рабочей зоной. Это позволяет печатающему элементу двигаться по всем трем осям. Rostock MAX позиционируется как принтер с открытым программным и аппаратным обеспечением. Оригинальная конструкция позволяет печатать модели большого объема, поскольку рабочая область в целом превышает 21 литр. Также благодаря такому способу перемещения печатающей головки достигается высокая скорость печати – 300 мм/с. Расходными материалами могут быть ABS и PLA.

Размер рабочей области: 28 см в диаметре, 35 см в высоту
Толщина слоя: 0.1 мм
Точность позиционирования: 0.01875 мм
Скорость печати: 300 мм/с
Стоимость: $1000 в собранном виде, $799 за набор


Рисунок 10.	*Rostock MAX.*

В следующей части будут рассмотрены принтеры стоимостью ниже $1000. Также будет дана информация по общей настройке принтера, повышению качества печати и бесплатным 3D редакторам.

Ссылки

Окончание