Вкатываемся в 3D-печать. Разбираем основы на примере бюджетного 3D-принтера EasyThreed X1

Ис­тория любитель­ских 3D-прин­теров началась в 2005 году, ког­да появи­лась пер­вая информа­ция о про­екте RepRap. В его осно­ве лежала идея соз­дания самоко­пиру­юще­гося устрой­ства — 3D-прин­тера, на котором мож­но было бы напеча­тать дру­гой 3D-прин­тер. Реали­зовать эту тех­нологию в целом уда­лось. Соз­датель RepRap, пре­пода­ватель машинос­тро­ения в бри­тан­ском уни­вер­ситете Бата Адри­ан Боуер, пла­ниро­вал рас­простра­нять чер­тежи и схе­мы устрой­ства в интерне­те, что­бы любой жела­ющий мог пос­тро­ить собс­твен­ный 3D-прин­тер без необ­ходимос­ти заказы­вать где‑то дорогос­тоящее обо­рудо­вание. В мар­те 2005 года он запус­тил в сети блог, пос­вящен­ный это­му про­екту, а уже 13 сен­тября сле­дующе­го, 2006 года пер­вый про­тотип RepRap успешно напеча­тал копию собс­твен­ной детали, которую потом исполь­зовали вмес­то ана­логич­ного узла прин­тера, изна­чаль­но изго­тов­ленно­го на заказ.

Фи­наль­ная вер­сия RepRap, получив­шая наиме­нова­ние Darwin в честь извес­тно­го англий­ско­го уче­ного‑натура­лис­та, уви­дела свет в 2008 году. Этот прин­тер сумел вос­про­извести при­мер­но полови­ну деталей, из которых он был изго­тов­лен, а 14 апре­ля 2008 года он напеча­тал пер­вый в исто­рии пот­ребитель­ский пред­мет — дер­жатель меди­апле­ера iPod для креп­ления на при­бор­ной панели в авто­моби­ле Ford Fiesta. В течение 2008 года во всем мире было пос­тро­ено более 100 копий 3D-прин­тера RepRap Darwin, а 30 нояб­ря того же года поль­зователь Уэйд Борц сооб­щил, что ему уда­лось напеча­тать на RepRap пол­ный ком­плект деталей, из которых мож­но соб­рать дру­гой такой же прин­тер.

Схе­ма, впер­вые при­менен­ная в прин­тере RepRap Darwin, исполь­зует­ся во мно­гих 3D-прин­терах и по сей день. Она называ­ется XY Head Z Bed. Как она выг­лядит на прак­тике? Давай раз­берем­ся, пос­мотрев на рисунок.

Ос­нова мно­гих 3D-прин­теров — это печата­ющий модуль с экс­тру­дером. С помощью элек­трод­вигате­ля в этот модуль пода­ется лег­коплав­кая плас­тиковая нить, которую час­то называ­ют филамен­том (от англ. filament, «нить»). Внут­ри модуля она наг­рева­ется, под дей­стви­ем тем­перату­ры пла­вит­ся и бла­года­ря уси­лию дви­гате­ля про­тал­кива­ется через соп­ло экс­тру­дера. Соп­ло име­ет очень малень­кий диаметр, на выходе из него наг­ретая нить получа­ется тон­кой и очень элас­тичной. Абсо­лют­но по такому же прин­ципу работа­ет зна­комый каж­дому «домаш­нему мас­теру» тер­мокле­евой пис­толет, толь­ко вмес­то нити там при­меня­ются тол­стые цилин­дри­чес­кие брус­ки лег­коплав­кого полиме­ра.

Ра­ма 3D-прин­тера, исполь­зующе­го схе­му XY Head Z Bed, пос­тро­ена по клас­сичес­кой декар­товой сис­теме коор­динат. Печата­ющая голов­ка с наг­реватель­ным эле­мен­том и экс­тру­дером переме­щает­ся вдоль осей X и Y, а стол, на котором рас­полага­ется печата­емая деталь, дви­гает­ся по оси Z. Все оси (и сис­тема подачи плас­тиковой нити тоже) при­водят­ся в дви­жение шаговы­ми элек­трод­вигате­лями, а управля­ет этой машине­рией элек­трон­ный кон­трол­лер, в роли которо­го обыч­но выс­тупа­ет одноплат­ный мини‑компь­ютер: Arduino, Raspberry Pi или им подоб­ный. С помощью спе­циаль­ной прог­раммы кон­трол­лер отсы­лает на дви­гате­ли управля­ющие сиг­налы, а они, в свою оче­редь, переме­щают печата­ющий модуль по горизон­тали и вер­тикали. В резуль­тате сла­жен­ной син­хрон­ной работы всех дви­гате­лей печата­ющий модуль может опи­сывать слож­ные тра­екто­рии, соз­давая с помощью наг­ретой нити сво­еоб­разный замыс­ловатый «рисунок».

Де­таль на таком прин­тере печата­ется пос­лой­но. Сна­чала устрой­ство «укла­дыва­ет» на стол пер­вый слой плас­тика, который «при­липа­ет» к его повер­хнос­ти, удер­живая будущую деталь. Затем поверх пер­вого слоя прин­тер «рису­ет» плас­тиком вто­рой, над ним — тре­тий и так далее. Пос­тепен­но, шаг за шагом, на сто­ле 3D-прин­тера «вырас­тает» объ­емное изде­лие.

Центр тяжес­ти в про­цес­се работы такого прин­тера не меня­ет сво­его положе­ния, пос­коль­ку модуль экс­тру­дера не дви­гает­ся по оси Z. Колеба­ния при этом минималь­ны. Минималь­ны и тре­бова­ния к мощ­ности, а так­же надеж­ности при­вода оси Z — «один раз в слой» дви­гатель сме­щает стол на очень малень­кий шаг, сдви­гая плат­форму вниз. Вниз не вверх, в дан­ном слу­чае вес плат­формы помога­ет дви­гате­лю, а не тре­бует от него допол­нитель­ных уси­лий. Получи­лась очень прос­тая и очень надеж­ная конс­трук­ция, а всем, кто хоть нем­ного зна­ком с раз­работ­кой любых устрой­ств, извес­тно, что чем про­ще сис­тема, тем мень­ше веро­ятность слу­чай­ной полом­ки.

Со вре­менем инже­неры при­дума­ли мно­жес­тво тех­нологи­чес­ких решений, улуч­шающих эту конс­трук­цию. Появи­лись раз­личные схе­мы управле­ния экс­тру­дером. Что­бы умень­шить мас­су дви­жущих­ся час­тей, дви­гатель подачи плас­тика на некото­рых моделях перемес­тили в кор­пус. Были раз­работа­ны схе­мы CoreXY, H-Bot, схе­ма Bowden-экс­тру­дера. С исполь­зовани­ем этих схем дос­тига­ется бо́льшая ско­рость печати и точ­ность позици­они­рова­ния экс­тру­дера, чем обес­печива­ется высокое качес­тво получа­емо­го изде­лия.

Во вто­рой модели прин­тера RepRap, Mendel, раз­работ­чики попыта­лись улуч­шить жес­ткость конс­трук­ции, изме­нив схе­му на XZ Head Y Bed. В этой схе­ме печата­ющий модуль с экс­тру­дером дви­гал­ся по осям X и Z, а стол — по оси Y.

Од­нако соз­датели тут же стол­кну­лись с огромным количес­твом проб­лем в нас­трой­ке такого прин­тера. При­вод по оси Z с помощью рем­ней не выдер­жива­ет никакой кри­тики. Попытав­шись испра­вить один недос­таток, инже­неры нап­лодили дру­гие с еще более печаль­ными пос­ледс­тви­ями. Хотя плюс у такой схе­мы все‑таки был, и зна­читель­ный: боль­шая пло­щадь печати.

Мо­дер­низаци­ей и даль­нейшей доработ­кой этой схе­мы занял­ся чеш­ский инже­нер Йозеф Прю­ша. Из его про­екта вырос, пожалуй, самый рас­простра­нен­ный тип самодель­ных и пос­тавля­емых в виде конс­трук­тора ком­плек­тов для сбор­ки 3D-прин­теров: Prusa i3.

Прю­ша поменял при­воды по оси Z с рем­ней на вин­товые шпиль­ки и сде­лал жес­ткую раму. Проч­ность конс­трук­ции мно­гок­ратно повыси­лась, упрости­лась сбор­ка и нас­трой­ка изде­лия. Имен­но это, навер­ное, и явля­ется при­чиной столь высокой популяр­ности схе­мы. Мно­гие про­изво­дите­ли выб­рали XZ Head Y Bed в качес­тве осно­вы для сво­их сбор­ных ком­плек­тов.

Од­нако, что­бы добить­ся нуж­ного резуль­тата, соз­дателю Prusa i3 приш­лось отой­ти от пер­воначаль­ной идеи RepRap и сде­лать мно­гие детали невос­про­изво­димы­ми на самом прин­тере. В плю­се такой схе­мы мы име­ем отно­ситель­но низ­кую сто­имость и воз­можность самос­тоятель­ной сбор­ки.

Но есть и минусы. Для «Прю­ши» очень слож­но сде­лать зак­рытый кор­пус. Кро­ме того, ката­ющий­ся туда‑сюда стол с деталью не добав­ляет качес­тву печати никаких плю­сов, зато уве­личи­вает обте­кание изде­лия потока­ми воз­духа и соз­дает про­доль­ные наг­рузки на неос­тывшем плас­тике. Излишний обдув детали воз­духом уско­ряет зас­тывание некото­рых сор­тов филамен­та, что может при­вес­ти к рас­сла­ива­нию изде­лия, если слои не успе­ли как сле­дует «схва­тить­ся».

Бла­года­ря под­вижно­му сто­лу в про­цес­се работы у прин­тера меня­ется положе­ние цен­тра тяжес­ти, но эту проб­лему решили, урав­новесив конс­трук­цию. В некото­рых моделях для при­вода оси Z исполь­зует­ся два дви­гате­ля, что сни­жает общую надеж­ность узла. Хотя в боль­шинс­тве слу­чаев исполь­зует­ся один шаговый дви­гатель, вра­щающий вер­тикаль­ную шпиль­ку с резь­бой, а вто­рая шпиль­ка, обес­печива­ющая устой­чивость конс­трук­ции, снаб­жена цилин­дри­чес­кой шай­бой с внут­ренней резь­бой и в переме­щении экс­тру­дера по вер­тикали непос­редс­твен­но не учас­тву­ет, играя роль пас­сивной опо­ры.