inż. Obara Michał „Idea druku 3D oraz budowa i zastosowanie

inż. Obara Michał „Idea druku 3D oraz budowa i zastosowanie

inż. Michał Obara – I rok
Koło Naukowe Techniki Cyfrowej
dr inż. Wojciech Mysiński – opiekun naukowy
IDEA PRINT 3D AND CONSTRUCTION AND APPLICATION OF 3D PRINTER
IDEA DRUKU 3D ORAZ BUDOWA I ZASTOSOWANIE DRUKARKI 3D
Keywords: 3D print, bulding 3D print
Słowa kluczowe: Budowa drukarki 3D, idea druku 3D
Streszczenie
Ponizszy artukuł poswięcony został budowie drukarki 3D. Zawarte zostały w nim informacjie
dotyczace procesu wykonywania elementów oraz składania ramy konstrukcyjnej drukarki.
Umieszczone zostały także praktyczne wiadomości zdobyte podczas tworzenia konstrukcji, oraz
etapy potrzebne do wykonania wydruku.
Abstract
The following article was devoted to the construction of 3D printers, which were contained
information on the execution process components and structural frame for submitting the printer.
There is also gained practical information about creating designs, and stages needed to complete
the print .
1. Idea druku 3D
1.1. Podstawowe wiadomości.
Druk 3D jest to proces wytwarzania trójwymiarowych obiektów fizycznych na podstawie
modelu komputerowego. Ograniczeniem drukowanych obiektów jest nasza wyobraźnia oraz
możliwości sprzętowe drukarki 3D.
Drukarka 3D jest to maszyna sterowana cyfrowo, która umie odtworzyć cyfrowy model formując
go warstwa po warstwie poprzez proces nanoszenia materiału.
Wyróżniamy 3 główne rodzaje druku 3D:
 stereolitografia (SLA) - jest to proces polegający na naświetlaniu światłoczułej żywicy.
Jest to metoda wymagająca specjalnych materiałów oraz dłuższego czasu druku,
 selektywne spiekanie i topienie laserem (SLS, SLM) - metoda polega na spiekaniu
płynnego polimeru za pomocą lasera, w tym przypadku otrzymujemy wydruki najlepszej
jakości oraz wytrzymałości,
 proces łączenia włókna (FFF/FDM) - najczęściej wykorzystywana metoda w amatorskich
zastosowaniach dająca dobre rezultaty przy drukarce 3D o dobrej jakości.
1.2. Podzespoły drukarki 3D.
Podstawowe elementy drukarki 3D drukującej w technologii FDM to:







rama konstrukcyjna - zazwyczaj wykonana z elementów stalowych, aluminiowych oraz
plastikowych w zależności od projektu,
stół roboczy z pokryciem szklanym i podgrzewaniem - podgrzewany stół zmniejsza
skurcz wydruku oraz poprawia przyczepność wydruku do stołu,
silniki krokowe - dobrane o odpowiedniej mocy pozwalają na szybką prace drukarki,
głowica drukująca (tzw. Hot End) – głowica, która wypuszcza materiał. Wielkość dyszy
wylotowej (najczęściej o średnicy: 0,2mm do 0,5mm) wpływa na jakość wydruku oraz
czas druku, im mniejsza średnica tym mniejsza chropowatość wydruku oraz dłuższy czas
potrzebny do wydrukowania,
wytłaczarka filamentu (tzw. Extruder) - urządzenie odpowiedzialne za ilość podawanego
filamentu do głowicy drukującej. Ilość podawanego materiału jest ściśle zależne od
programu drukowanego elementu oraz średnicy filamentu,
układ sterujący z panelem kontrolnym - w konstrukcjach amatorskich najczęściej
stosowany jest układ Ramps 1.4 z Arduino Mega, oraz panelem graficznym
umożliwiającym druk z kart SD oraz kontrolę nad parametrami druku,
zasilacz - najczęściej 12V 100W zasilający układ sterujący, silniki oraz grzałkę głowicy
drukującej. Gdy stół roboczy posiada podgrzewanie na 12V wymagany jest mocniejszy
zasilacz.
Rys. 1. Idea druku FDM.
2. Opis podzespołów drukarki 3D.
Jednym z najwaznieszych elementów drukarki 3D jest rama konstrukcyjna. Prawidłowy
wybór i zaprojektowanie ramy ma bardzo duży wpływ na jakość oraz prędkość druku. W praktyce
budowane są drukarki w układzie równoległym (np. delta) bądz szeregowym (np. standardowa
maszyna CNC). W układzie szeregowym każda oś pracuje niezależnie, przeciwnie pracuje układ
równoległy gdzie do wywołania przemieszczenia w jednej osi konieczna jest współpraca silników.
W projektowanej drukarce wybrany został układ szeregowy oraz rodzaj druku FDM.
Wybrane wcześniejsze założenia zapewniły łatwość wykonania elementów, możliwość mniejszej
dokładnośći obróbki podzespołów oraz pozwoliło dodatkowo zaoszczędzić koszty.
Kolejnym krokiem był dobór materiałów oraz sprecyzowanie rozmiarów konstrukcji, a co za tym
idzie wielkości stołu roboczego i maksymalnej wysokosci druku. Do budowy drukarki warto
stosować profile aluminiowe oraz stalowe elementy łączące. Majac wstępną wizję drukarki 3D
oraz bazę materiałową można przystapić do projektowania w programie do modelowania 3D (np.
Inventor).
Podczas projektowania należy sprecyzować dokładne wielkości elementów, dlatego
wcześniej trzeba podjąć decyzję co do wyboru głowicy drukującej (tzw. Hot End) oraz wielkości
stołu wraz z rodzajem podgrzewania. Prezentowany projekt drukarki został stworzony od podstaw
z materiałów posiadanych w stanie magazynowym, pozwoliło to oszczędzić znacznie koszty
powstawania drukarki 3D.
Rys. 2. Wizualizacja projektu 3D.
Po skończeniu etapu projektowania i analizie kolizji elementów oraz ich ruchu, została
stworzona dokumentacja techniczna. Poszczególne części wykonywane zostały zgodnie z
dokumentacją, z możliwie najtańszych materiałów oraz najtańszej technologi wykonania.
Elementy składowe były wymiarowane za pomoca suwmiarki traserskiej, na stole treserskim, co
pozwoliło na jednakowe zwymiarowanie elementów. Części bloczków aluminiowych, w których
umiejscowione zostały łożyska, wykonywane były na obrabiarce z powodu wymaganej tolerancji
pasowania. Pozostałe elementy wykonane były z wykorzystaniem wiertarki stołowej oraz szlifierki
kątowej. Całość została poskręcana śrubami, co pozwala na drobne modyfikacje. Zastosowanie
aluminium pozwoliło zmniejszyć wagę konstrucji, natomsiat elementy stalowe dodaja sztywności
ramie.
Napędy osi X i Y zrealizowane sa za pomocą paska GT2. Musi być on odpowiednio
naciągnięty, a dodatkowo dodaje się sprężyny nacioągowe aby zmiejszyć luźność paska. Oś Z
wyposażona została w dwie śruby trapezowe zamocowane do wału silnika za pomocą sprzęgła.
Zastosowanie sprzegła niewluje w pewnym zakresie problemy powstałe z braku osiowości badź
niedokładności elementów. Warto podczas kupowania śrub zwrócić uwagę na liniowość
dostarczonych śrub oraz luzy miedzy śrubą, a nakrętką. Można także zastosować nakrętki
wkonane z tworzywa sztucznego o mniejszym współczynniku tarcia niż nakrętki stalowe.
Ważnym elementem konstrukcji są łożyska liniowe. Ich jakość i rodzaj maja ogromny wpływ
na głośność pracy drukarki oraz predkość druku. Zbyt duże opory toczenia przy słabych silnikach
powodują zjawisko gubienia kroków, co skutkuje niepowodzeniem wydruku. Ciekawym
rozwiązaniem są łożyska liniowe firmy "Igus", które wykonane są z tworzywa sztucznego.
Łożyska te mogą pracować w trudnych warunkach, mają niski współczynnik tarcia oraz brak
liniowego wzrostu hałasu wraz z wzrostem prędkości drukowania.
Predkość druku i możliwości zależa także w dużej mierze od silników krokowych, które są
jednym z najdroszych elementów drukarki. Podczas doboru silników ograniczeniem jest układ
sterowania oraz ich wielkość. Najlepszym rozwiązaniem jest wybór silników o największej
rozdzielczości kroków, jak i najwiekszym momentem trzymającym. Układ zasilajacy silnik
ogranicza dobór silnika krokowego ze wzgledów na pobierany prąd. Jeśli chodzi o wielkość
silnika - podczas projektowania możemy uwzglednić miejsce na każdy rodzaj silnika, jednak zbyt
duży silnik krokowy (jego waga) będzie powodować przekoszenie osi Z z powodu większego
obciążenia jednej strony. W prezentowanej konstrukcji zostały zastosowane silniki krokowe w
obudowie NEMA17 i momencie trzymającym 0,6Nm, co pozwala na stabilną prace drukarki
mimo dużego (32cmx40cm) i ciężkiego stołu roboczego.
Powyższy opis dotyczy cześci drukarki odpowiedzialnej za ruch osi jednak bez głowicy z
wytłaczarką nie można wytworzyć żadnej części. Na rynku dostepne są dwa rozwiązania: głowica
drukująca połączona z wytłaczarką i chłodzeniem badź głowica z chłodzeniem połączona za
pomoca ruki teflonowej z wytłaczarką. Wybór jest dowolny jednak zależy od niego konstrukcja
drukarki, ponieważ w drugim przypadku wytłaczarka znajduje sie z boku drukarki, co pozwala na
lepsze wykorzystanie wysokości podnoszenia osi Z. Warto dobrać wytłaczarkę z dobrym
dociskiem filamentu za pomocą jednej śruby, ponieważ ułatwia to zmianę filamentu. Głowica
drukująca jest elementem, który bezpośrednio decyduje o jakości wydruku. Najczęsciej stosowane
dysze to 0,2mm do 0,5mm - im mniejsza średnica, tym mniejsza chropowatość wydruku oraz
dłuższy czas druku. Głowica drukująca powinna być chłodzona w górnej części, aby filament był
nagrzewany przy dyszy, a nie przy wejściu do głowicy. W prezntowanej drukarce użyta została
opcja głowicy połaczonej z wytłaczarką dla filamentu o średnicy 3mm, jednak ze względu na małą
bazę materiałów, lepszym rozwiązaniem jest stosowanie kompletu dla filamentu o średnicy
1,75mm.
Rys. 3. Przykładowe głowice po lewej zespolona, po prawej z rurka teflonową.
Kolejnym podzespołem jest stół roboczy z podgrzewaniem. Jego wielkość najlepiej dobierać
do potrzeb drukowanych elementów oraz rodzaju podgrzewania. Jako pogrzewanie można
zastosować gotowy moduł na 12V dostepny dla drukarek, bądź silikonową matę grzejną.
Zastosowanie maty grzejnej na napiecie 230V pozawala na bardzo szybkie i efektywne
nagrzewanie dużych stołów oraz nie wymaga mocniejszego zasilacza. Podgrzewany stół eliminuje
problem skurczu pierwszych warstw po wydrukowaniu oraz zmniejsza zjawisko odrywania sie
wydruku od stołu. Najczęsciej drukuje sie na szybie hartowanej, jednakże nic nie stoi na
przeszkodzie aby drukować na blacie aluminiowym. Dodatkowo stosuje sie róznego rodzaju maty,
spreje, kleje, mleczka z abs w celu likiwdacji zjawiska wczesnego odrywania się wydruku od
stołu.
Ostatnim aspektem wartym omówienia jest elektronika zastosowana do sterowania drukarki.
Najbardziej populanrnm i najczęściej stosowanym jest układ Ramps 1.4 wraz z Arduino Mega
oraz dodatkowymi elementami takimi jak wyświetlacz graficzny, moduł komunikacji bluetooth,
czytnik kart SD. Schematy podłączenia są ogólno dostepne w internecie. Oprogramowanie do
drukarki jest dostepne bezpłatnie na zasadzie otwartego oprogramowania. Pozostaje wgranie
oprogrmowania do Ardurino Mega i konfiguracja pod drukarkę 3D. Całość zasilana jest z
zasilacza 12V, który warto kupić mocniejszy (np. 100W pod warunkiem braku podgrzewania stołu
na 12V).
Rys. 4. Opisywana drukarka 3D.
3. Proces przygotowywania modelu do druku.
Rys. 5. Przykładowy model z strony Thingiverse.com
Przygotowanie druku 3D składa się z 4 głównych punktów: przygotowanie modelu, zapis
w rozszerzeniu .stl, tworzenie G-KODY, wydruk. Pierwszym krok to przygotowanie geometrii
3D. Można ją pobrać np. ze strony Thingiverse.com, bądź narysować samemu za pomocą np.
SolidWorks, Inventor. Należy przemyśleć ustawienie drukowanego elementu aby drukować bez
wykorzystania podpór (jeśli się oczywiście da). Czasami warto się zastanowić czy nie lepiej
byłoby wydrukować element w kilku częściach, a potem skleić. Im staranniej przemyślany
zostanie proces tworzenia geometrii tym łatwiejszy będzie potem wydruk.
Kolejny punkt to zapis geometrii w pliku .stl. Jeśli model do druku zostanie pobrany z
Internetu to zazwyczaj jest już on zapisany w podanym formacie. Jeżeli geometria zostanie
stworzona samodzielnie to należy także wybrać rodzaj formatu w jakim chce się zapisać plik.
Rys. 6. Wydrukowany i poskładany model.
Następny etap to zaimportowanie pliku .stl do programu tworzącego G-KODY np. Silc3r.
Program tnie model na warstwy zgodnie z zadanymi parametrami, takimi jak: wysokość jednej
warstwy, rozmiar dyszy, rodzaj i ilość wypełnienia, ilość obrysów geometrii, itp. Tworzy również
podpory jeśli istnieje taka potrzeba. W programie ustawia się również temperaturę głowicy oraz
stołu, a także prędkości druku. Taki program posiada bardzo wiele parametrów wpływających na
jakość wydruku. Aby osiągnąć wydruki bardzo dobrej jakości wymagana jest nauka na
praktycznych przykładach. Po wprowadzeniu ustawień tworzymy plik G-KODE.
Ostatnim krokiem jest wydruk. Można drukować za pośrednictwem komputera, bądź przy
pomocy karty SD. W przypadku karty SD plik należy zgrywać na kartę i po umieszczeniu w
drukarce za pomocą panelu sterującego włączyć wydruk. Przy zastosowaniu laptopa drukowanie
przeprowadza się za pośrednictwem programu do komunikacji z drukarką.