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 S t r e s z c z e n i e 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. A b s t r a c t 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.