3d принтер собрать самому детали из али. Установка подшипников в каретки печатной головы

3D-принтер – устройство, которое может печатать или создавать объемные изображения.

Современные промышленные модели работают на специализированном пластическом материале (разработчики научили девайсы работать со всеми видами пластиков), который наносится на форму и постепенно создает объемную модель. При этом устройство может работать на любых «чернилах».

О чём пойдет речь:

Как это работает

Принцип создания объекта также может по факту быть разным – от фрезерования, до нанесения пластичного материала в виде заданной формы послойно. Уже сейчас существуют большие строительные модели, которые «печатают» дома из бетона, имеются и сенсационные слухи о попытке печати на принтере живых органов.

При этом можно «спуститься на Землю» и сделать своими руками подходящую модель для поделок, конструирования или других прикладных целей. Итак, собираем 3D принтер своими руками – сколько времени это может занять? Все зависит от выделенного времени, от инструкции, в целом, на сборку уходит максимум несколько дней, устройство помещается на небольшой стол.

Подготовка к сборке

Начнем с того, что соберем 3D принтер H BOT своими руками – речь идет о доступной методологи сборки, включающей схемы и даже видео. В результате устройство поможет вам делать небольшие объемные фигурки.

Это устройство может существенно помочь в моделировании, дизайне или мебельном производств, а также если сделано просто для интереса и домашних дел. В конце концов такую штуку можно просто продать и на этом заработать.

В промышленной сборке используются технологии:

лазерного попиксельного нанесения пластичного вещества;
лазерного спекания пластика;
струйную, выдавливающую на форму разогретый пластик.

С первого взгляда третий метод является самым доступным, но опять же остается вопрос реализации такого оборудования, которое на практике состоит из целого ряда металлических направляющих, позиционирующих печатную головку. Фактически вы можете сделать девайс, печатающий цветы на пирожных или тортах, учитывая специфику создания подобных кондитерских изделий. При этом с девайсом, печатающим из пластика, его будут роднить общие элементы и конструкция.

Что потребуется:

датчики, которые будут считывать характеристики наносимого вещества, в случае пластика речь идет о замерах температуры в сопле экструдера и стола, где происходит формовка;
шаговые двигатели с функцией микрошага, которые будут заниматься позиционированием печатной головки (есть готовый комплект H bot);
концевые датчики, отслеживающие точность движения и соответствие системе координат;
термисторы;
нагревательные элементы для печатного вещества.

Если вы будете печатать кондитерские изделия из теста или крема, в зависимости от его состава и консистенции может потребоваться нагревание или охлаждение материала, а также перемешивание, чтобы сохранить наносимую массу пластичной. Вариаций на тему может быть множество, но мы рассматриваем общий случай создания 3D-печатного устройства. Для тренировки можно использовать комплекты «сделай сам», H bot и пошаговые инструкции – так называемые Rewrap 3D, предназначенные именно для самостоятельной сборки. Они работают в основном на базе акрила, с помощью которого получают различные фигурки или детали из пластика.

Выбираем лучшее из имеющегося опыта

Итак, собираем 3d принтер своими руками. Сделать его из отдельных комплектующих, например, датчиков и шаговых двигателей, могут себе позволить только инженеры-кулибины. Для большинства людей воплощение в жизнь такой задачи даже при наличии проекта – это не реализуемая идея. Однако, можно пойти другим путем и использовать готовые модули, из которых получается готовое устройство. Общий принцип сборки, надеемся, уже понятен.

Осталось выбрать готовые модули, которые могут быть использованы в самостоятельной сборке такого устройства (на фото):

Конструкция представляет собой корпус, собранный из отдельных деталей, выполненных по чертежам из фанеры на лазерной резке. Пример можно посмотреть у UltiMaker Original (предлагаем пошаговую инструкцию на английском в PDF в виде слайд-презентации, всего 109 страниц). Можно начинать работы, сделав стол для 3D принтера.

Позиционирующая рамка (ее также называют скоростной кинематикой), самая лучшая и точная – это H BOT. Она есть в продаже и представляет собой уже готовую рельсовую рамку, обеспечивающую отличную базу позиционирования сопла на рельсовом механизме. H BOT впервые показан был в устройстве от Replicator 5, аналог есть MakerBot.

В качестве электроники в самостоятельно собранных моделях себя отлично показал RAMPS 1.4 c прошивкой MARLIN.

Экструдер МК8, требуется небольшая доработка, но вполне реально даже для неопытных мастеров, в качестве хотэнта (термонагревателя для акрила) используется E3D V6, который оптимизирован термотрубкой.

В качестве основы, опыт показывает, лучше всего подходят полупромышленные модели Signum Thingiverse, а также ZAV, которые можно найти на Робофоруме.

Корпусные рамки доступны уже в продаже, но их можно сделать по собственным чертежам, которые составляются по визуальному примеру. На их базе можно увидеть не один 3D принтер, собранный своими руками.

Итоговые параметры самодельного 3D принтера

Размеры заготовки 20*20*20 см.
Материал – любой пластик с диаметром нити 1,6-1,9 мм;
Скорость печати – 200 мм/с, высокоскоростная подача материала.

Некоторые важные дополнения к пошаговой инструкции

Необходимо изолировать шаговые двигатели и установить на них охлаждение;
Чтобы получить термокамеру, конструкцию собираем со стеклом. Особенно оно актуально при установке второго экструдера с целью повышения скорости печати и создания более сложных форм.
Также можно заимствовать позитивный и известный многим опыт китайских разработчиков makeblock на платформе i3 – речь идет о фирменной раме, доступной в продаже. Для управления с компьютера используется arduino mega 2560+ ramps с софтом printrun, который можно свободно скачать.

Что такое Arduino MEGA 2560? Это микроконтролер на основе ATmega2560. В него входит все необходимое для управления периферическим устройством типа 3D принтера. Arduino представляет собой довольно сложное устройство для неопытных пользователей, с которым однако, можно просто разобраться при необходимости. Можно использовать рекомендованный микроконтролер RAMPS 1.4. Для сборки рекомендуем собирать по PDF файлам, показанным выше.

Возможно эта идея уже засела у вас в голове. Так с чего же начать?

Прежде чем закупать части будущего rep-rap устройства, следует решить какая степень самостоятельности вам нужна. Есть пара вариантов заиметь 3d принтер, не покупая Их мы и опишем в статье.

1. Закупка всех частей по-отдельности - чистый DIY

Здесь понадобится основательно изучить вопрос. Составить схему сборки и подобрать детали. Человеку с навыками конструирования это будет не сложно и даже интересно.

Придется выбирать электронику, двигатели, датчики, компоновку и механические части. О корпусе также придется позаботиться самостоятельно, поэтому без навыков проектирования в CAD программах не обойтись.

Полный список запчастей будет состоять примерно из 30-40 пунктов, в зависимости от конфигурации 3д принтера.

Если же хочется пойти по более простому и быстрому пути, то схему сборки можно найти в сети, благо их достаточно много, ведь сам проект rep-rap объединяет людей по принципу сделал сам, помоги собрать следующий. Rep-rap подразумевает клонирование последующих 3d принтеров, с помощью уже собранных.

Названия некоторых схем сборки - Rostock, Prusa и Mosaic.

Значит выбрали вы схему, определились с функционалом и размерами, теперь пришло время тратить денежки. Тут кто на что горазд. Можно найти детали на Али и заказать доставку по почте. В принципе большинство нужных деталей производится в Китае, поэтому брать, так сказать из первых рук может быть разумным ходом. Но стоит учесть, что качество некоторых деталей, например валов по которым будут двигаться каретка и рабочий стол, может не оправдать ваших надежд.

Если есть возможность, то купить валы или рельсовые направляющие лучше в России. Здесь их будет проще заменить в случае покупки брака.

Вообще в России есть масса магазинов, которые продают все необходимые запчасти. Разница в цене вряд ли будет существенной, но при покупке в России время вы точно сэкономите, а возможно и нервы. Сами понимаете, доставка почтой не очень надежный вариант, проблемы возникают не редко.

Что касается частей корпуса, то их можно также купить или заказать печать предварительно подготовленных моделей. Корпус может быть из пластика или из фанеры, рама может быть и вовсе из металла. В общем вариантов обзавестись нужны ми деталями куча.

Как показала практикахот енд лучше купить готовый, так выйдет и дешевле и быстрее. Вариантов не мало, почитайте отзывы и решите какой ваш. Наиболее распространенный Hot-End E3D-v6. Показал себя с лучшей стороны. Н адежный, легк о наст раивается и ремонтируется.

Сборка

Запастись терпением, отверткой, паяльником и вперед. Конечно задача не из легких, человеку не подготовленному будет не просто. Но это лишь вопрос времени. Скорее всего придется что-то переделывать, возможно покупать по новой детали, так как качество не всегда бывает подходящим, но в итоге вы получите результат.

Что касается процесса сборки, то в данной статье мы не будем подробно описывать его, ведь в сети вы и так найдете массу пошаговых инструкций. Главное все делать не спеша, ведь согласитесь будет обидно, если вы сожжете контроллер просто перепутав полярность при подключении проводов. Обязательно проверяйте себя!

Выводы по чистому DIY

Что можно сказать точно – описанный процесс подойдет и понравится далеко не каждому. Для более-менее качественной сборки понадобятся инженерные навыки и терпение. После сборки будет еще этап настройки и калибровки, что потребует еще и некоторых знаний процесса программирования. DIY больше подойдет тем, кому интересен сам процесс сборки оборудования, а не только печать на 3d принтере. Итоговая стоимость вряд ли будет сильно ниже, чем при покупке готового КИТ-а, тут смысл именно в процессе.

Купить готовый конструктор или не совсем DIY

Тут все проще. Покупаете набор готовых деталей (КИТ для сборки) и по приложенной инструкции самостоятельно собираете 3д принтер. Инженером быть не обязательно, но любить конструктор придется.

Конечно и в данном случае несколько вариантов развития событий. Можно взять набор у «кустарей» по объявлению и надеяться на то, что Вам положили все детали и крепеж. Инструкций по сборке обычно не прилагается, но их можно поискать в интернете. Скорее всего это будет одна из модификаций Prusa с напечатанными на таком же 3d принтере деталями, на стальную раму тут точно не стоит рассчитывать.

Но если уж решились поиграть в конструктор и не рыскать по «Алиэкспресу» в поисках нужного узла, присмотритесь к фирменным DIY решениям от серьезных производителей. Там вы сможете быть уверенным в том, что все части в комплекте, а в случае чего у вас даже будет гарантия на электронные платы и сложные узлы. Мало того, вы обязательно получите нормальную инструкцию, все необходимые прошивки и тех. поддержку продавца.

Как собрать?

Сборка такого конструктора идет по заранее продуманному пути, следуете указаниям в инструкции, в крайнем случае просите помощи у тех. поддержки и через пару дней 3d принтер уже печатает первые изделия. Важно что в случае с готовым конструктором, корпус обычно изготовлен на станке и не имеет напечатанных деталей. Варианты из металла чуть подороже чем из фанеры или оргстекла, но и жесткость конструкции более высокая, а это непременное условие качества 3d печати.

Кому это нужно?

Собрать таким образом 3d принтер, самостоятельно сможет любой человек. Эти наборы часто покупают школы, чтобы привлечь детей к инженерному направлению. Конечно здесь тоже может потребоваться паяльник, но это не будет проблемой ведь инструкции обычно очень наглядны.

В принципе это упрощенный вариант предыдущего способа. Так что если шибко хочется самостоятельно собрать 3d принтер, но при этому не заморачиваться с поиском запчастей и на всякий случай иметь тех. поддержку в виде продавца или производителя, то КИТ- набор ваш выбор.

Цена вопроса

Готовый конструктор выйдет несколько дороже. Так ставший популярным от Испансого производителя электроники BQ, обойдется в 39000 рублей. Зато в коробке вы найдете аккуратно разложенные по коробочкам детали, аля Икеа. К тому же в комплекте идет тех. поддержка и гарантия 1 год.

Ну и для сравнения, готовый к работе 3d принтер, который не требует самостоятельной сборки можно купить за 29000 рублей. Причем это даже не самый дешевый вариант. уже знаком многим. Продажи этой модели очень высоки не только в России, но и во всем мире. Просто покупаете и печатаете, все собрано до вас на заводе.

Так что же выбрать в итоге?

У приведенных в статье способов может быть несколько вариаций. Кто-то решит купить плату и двигатели, а остальное точить, паять, вырезать самому. Другой возьмет готовый набор корпуса и напечатанные шестерни. Третий и вовсе достанет шаговые двигатели из старого бумажного принтера. Все это зависит от желания и возможностей.

Если сам процесс сборки вам не интересен, то лучше купить и оставить этот процесс интересующимся. Благо 3д принтеры уже не экзотика и их стоимость падает с каждым днем.

В любом случае нужно понимать, что точность и качество напечатанных изделий будет выше, если вы приобретете 3d принтер, собранный на полноценном производстве. Поэтому для решения серьезных задач, нужно выбирать серьезные инструменты.

Стоит чуть больше 2 тысяч $. Кому то это покажется небольшой суммой, а кому то совсем неподъемной. Глядя на простую конструкцию 3D принтеров многие задаются вопросом — а можно ли самостоятельно сделать 3D-принтер!?

Действительно, кто не хотел бы сэкономить? Ситуация с 3Д-принтерами аналогична – цена на них высокая, а возможности открываются огромные как для работы и бизнеса, так и для увлечений. Поэтому многие задаются вопросом: как сделать 3D-принтер своими руками?

Эта статья разрабатывась специально для того, что бы ознакомить интересующихся с фактами и мифами в теме изготовления самодельных 3D принтеров. Вы узнаете все как оно есть.

Уточним сразу – сделать самостоятельно 3Д-принтер «с нуля» сможет только человек с большим практическим опытом, знающий полностью электронику, способный работать как головой, так и руками, и, хорошо бы, с опытом работы и разборки станков с ЧПУ.

Виды 3D-принтеров

Сначала надо конкретизировать, о каких видах 3-мерных принтеров будет идти речь. В статье мы поговорим о 3D-принтерах, которые создают реальный объект из расплавленного ABS-пластика.

Также есть и другие виды принтеров. Например, создающие объект из гипса, когда струйная головка накладывает слои один на другой. Есть и устройства, формирующие объекты из полимера лазером. Но для всех таких принтеров характерны огромная сложность и дороговизна. Да и плоды их работы отличаются чрезмерной хрупкостью и пригодны, разве что, для демонстрации.

А вот принтеры на АБС-пластике изготавливают действительно прочные детали, способные служить по назначению. К примеру, можете распечатать шестеренку, поставить ее в машину и использовать «на полную катушку». Потому что ABS-пластик отличается прочностью и практичностью.
3D-принтеры, печатающие на ABS-пластике, являются как раз той категорией, которая развивается семимильными шагами. Они могут применяться и в производстве, и в быту.

Устройство ABS-3D-принтера

Основные узлы:
1) корпус;
2) направляющие;
3) печатающая головка;
4) шаровые двигатели;
5) блок питания;
6) контроллеры.

Если убрать печатающую головку, то конструкция схожа с обычной системой ЧПУ-станка, предназначенного для гравирования или фрезеровки. Однако имеются свои нюансы.

Оцениваем 3D-принтер по его составным частям

Готовый принтер можно купить по цене от 1,5 до 3 тыс. долларов. Не так уж и дорого за столь интересное, универсальное изделие. А что если самому попробовать собрать?
Первое, не самое приятное явление, — вам придется покупать все составные части принтера по розничным ценам, а компании-производители закупают их оптом, что намного дешевле.

Корпус 3D принтера

Цена изменяется в диапазоне от 100 до 250 $. Корпус можно собирать как из фанеры, так и с огрстекла, пластмассы, алюминия. От этого и будет зависеть цена плюс оплата работы по лазерной резке. Высочайшие требования к точности, ровности, жесткости основы делают попытку построить корпус с помощью лобзика и напильника достаточно сложной. По крайней мере, вам потребуется весьма большая аккуратность при изготовлении. Наиболее простым решением является заказ резки материала на ЧПУ станке прямо по чертежам 3D принтера.

Направляющие

Могут стоить от 100 до 300 $. Различаются по типу и качеству. Следует отметить, что от качества работы направляющих зависит главное – будет ли принтер печатать детали точно или они выйдут кривые. Среди дешевых можно назвать цилиндрические направляющие. Но если хотите достичь точности повыше, желательно приобрести линейные направляющие. А ведь линейные почти в 10 раз дороже!

Для изготовления 3D принтера своими руками обычно используют направляющие (вместе с кареткой) от обычных принтеров. Благо БУ струйник можно взять за копейки.

Шаговый двигатель

Относительно просто разобраться: более-менее неплохой мотор стоит 30 $, в принтере их 4, итого – 120 $. Хорошо подходят от старых матричных принтеров. Однако, время когда такой принтер можно было взять за самовывоз — уже прошло.

Печатающая головка 3D принтера

Она так же называется экструдер, подающий тоненькую расплавленную ленточку из ABS-пластика. Надо выточить самостоятельно или заказать. В экструдере есть шаговый мотор, нагреватель, датчик температуры, вентилятор, сопло (которое выточить наиболее сложно). Всего обойдется от 60 до 150 $. 99% строителей 3D принтеров экструдер предпочитают покупать.

Блок питания

Качественный, готовый к использованию блок, например, от компьютера, будет стоить 100-120 $. Впрочем, подобно другим самодельщикам можно использовать блок питания от старого компьютера.

Контроллеры

Наверно, самые сложные детали. Сделать самостоятельно контроллер подавляющее большинство самодельщиков попросту не сможет. Если вы купите эту деталь на рынке, то контроллер придется немало дорабатывать, чтобы он смог управлять работой 3D-принтера. Да и уровень ваших знаний и навыков для этого должен быть академическим. Контроллер управляет шаговыми двигателями, нагревателями и регулирует подачу ABS-пластика. К тому же все эти операции должны быть согласованы с компьютером и специальным ПО. Контроллер может обойтись вам от 200 до 500 $. Впрочем, можно скачать схему контроллера 3D принтера и заказать ее сборку знакомому электронщику. Для него работы на один вечер, а стоимость деталей будет около 50$.

Прочее

Ну и, конечно же, надо прикупить разных там шестеренок, ремней, приводов, контактов и т.п. Еще соберется минимум 80 $. Однако, как в остальных пунктах есть вариант использовать шестеренки и зубчатые ремни от струйных принтеров. Размеры шестеренок особого значения не имеют, скорость движения всегда можно отрегулировать в программе управления 3D принтером.

Вот и подсчитайте. Бюджет получается в размере 760-1520 долларов если покупать все детали и в 110-150 баксов, если постараться с поиском доноров для самодельного 3D принтера. Ну и еще — этот расчет без учета приложения множества сил и времени для обеспечения слаженной работы всех составных частей.
Найти все необходимые детали – это непростая задача. Но и здесь есть варианты, хотя с подводными камнями (об этом позже).

Сейчас хотелось бы поговорить о приобретении КИТов – комплектов для самостоятельной сборки. Правда, подобные КИТы включают только базовые детали, в них, например, может отсутствовать корпус и контроллер. Стоят наборы от 500 до 900 $ — все зависит от полноты и качества комплекта.

Так реально ли собрать 3D-принтер самостоятельно?

Пришло время ответить на вопрос: все-таки реально ли самостоятельно собрать 3Д-принтер так, чтобы он еще и работал??
Вынужден открыть вам один секрет: самому сделать все почти невозможно. Однако, если комбинировать имеющие в продаже с тем что можно достать — вполне реально!

Купить КИТ 3D принтера

Ситуация с КИТами вроде как проще. Главное, чтобы в него входила печатающая головка и контроллер. Но и здесь нас подстерегают трудности. Скажу наперед: из всех привезенных зарубежных КИТов удалось собрать все, правда, пришлось как следует повозится и некоторые части переделать самостоятельно. За это стоит поблагодарить Почту России. Она может сломать неломаемое!

Однако внимание! Чтобы все собрать и настроить должным образом требуется весьма специфические знания, коорые придется извлекать из интернета самостоятельно.

Итоги

Давайте конкретизируем проблемы, с которыми сталкивается человек, собирающий 3D принтер своими руками.

1. Достаточно сложно собрать прочный каркас без малейших люфтов. А даже с минимальными «шатаниями» изделия будут получаться заметно кривыми. Сделать ровный каркас и установить необходимые направляющие может только очень аккуратный человек или станок ЧПУ.

2. Дешевые «3D-самопалы» часто заклинивает. Все из-за тех самых люфтов и недостаточной жесткости. Стоит всего лишь небрежно взять в руки такой принтер со слабеньким корпусом, и его может заклинить, что повлечет за собой большие неприятности. В этом главный «камень преткновения» недорогих 3D-принтеров и комплектов для их сборки, продающихся за «недорого». В подобных системах комбинацию «дешево и качественно» вы не встретите. Доказано на практике!
Для уменьшения этой проблемы стоит использовать качественные материалы для корпуса (МДФ плита вместо тонкой фанеры, толстое оргстекло и тд) и желательно заказать резку этого материала на ЧПУ фрезере. Конечно можно и лобзиком вручную — но тут помните, каждый миллиметр может иметь значение!

3. Контроллеры. Плохие контроллеры вызывают много проблем. В производственном процессе они нестабильны, их часто глючит, бывают сбои. А качественные контроллеры надо разрабатывать под конкретную модель принтера с учетом всех нюансов и применяемых деталей. Результатом является или покупка готового контроллера для 3D принтера или выяснение на форумах — какая схема подходит для именно того 3D принтера, который вы собрались делать.
Хорошим решением является покупка контроллера 3D принтера о котором уже есть масса отзывов и готовых решений по настройке.

4. Печатающая головка (ПГ). Самостоятельно сделанная ПГ вряд ли будет точно печатать. Для деталей будет характерна грубость, в отличие от заводских 3Д-принтеров. Реальное разрешение продаваемых в КИТ-наборах ПГ не превышает 0,3-0,4 мм. К примеру, многие из заводских принтеров уже могут печатать слоями 0,01-0,1 мм. Впрочем, головку можно купить и отдельно.

Не подумайте, что цель этой статьи – разубедить вас в своих силах или полностью отбить охоту от самостоятельного создания 3D принтера. Просто вдумайтесь и решите — сможете ли вы справиться с такой не тривиальной задачей, как изготовление 3D принтера своими руками. Для полного описания такого изготовления потребуется не одна статья. Даже имея на руках все чертежи, придется изучить массу материалов, провести множество тестов, настроек, потратить много часов на кропотливый труд. Если вам интересно работать руками и потратить 2-3 месяца на сборку и настройку — вперед! Но если вы хотите через пару дней получить готовый, то лучше пойти и купить 3D принтер.

Мне периодически задают вопросы по "малинкам", "апельсинкам" и тому, куда это вообще и зачем. И тут я начинаю понимать, что перед тем, как писать "узкие" инструкции по настройке, неплохо было бы вкратце рассказать о том, как эта кухня вообще работает, снизу вверх и слева направо. Лучше поздно, чем никогда, поэтому вашему вниманию предлагается некое подобие ликбеза по ардуинам, рампсам и другим страшным словам.

Тому, что у нас сейчас есть возможность за разумные деньги купить или собрать собственный FDM 3D-принтер, мы обязаны движению RepRap. Не буду сейчас о его истории и идеологии - нам сейчас важно то, что именно в рамках RepRap сформировался определенный "джентльменский набор" железа и софта.

Чтобы не повторяться, скажу один раз: в рамках данного материала я рассматриваю только "обычные" FDM 3D принтеры, не уделяя внимания промышленным проприетарным монстрам, это совершенно отдельная вселенная со своими законами. Бытовые устройства с "собственными" железом и софтом тоже остануться за рамками этой статьи. Далее под "3D принтером" я понимаю полностью или частично открытое устройство, "уши" которого торчат из RepRap.

Часть первая - 8 бит хватит всем.

Поговорим про восьмибитные микроконтроллеры Atmel с архитектурой AVR, применительно к 3D-печати. Исторически сложилось так, что "мозг" большинства принтеров - это восьмибитный микроконтроллер от Atmel с архитектурой AVR, в частности, ATmega 2560. А в этом виноват другой монументальный проект^ его название - Arduino. Программная его составляющая в данном случае не интереса - Arduino-код более прост для понимания новичками (по сравнению с обычным C/С++), но работает медленно, а ресурсы жрет как бесплатные.

Поэтому, когда ардуинщики упираются в нехватку производительности, они или бросают затею, или потихоньку превращаются в эмбеддеров ("классических" разработчиков микроконтроллерных устройств). При этом, кстати, "железо" Arduino бросать совершенно не обязательно - оно (в виде китайских клонов) дешевое и удобное, просто начинает рассматриваться не как Arduino, а как микроконтроллер с минимальной необходимой обвязкой.

По факту, Arduino IDE используется как удобный в установке набор из компилятора и программатора, "языком" Arduino в прошивках и не пахнет.

Но я немного отвлекся. Задача микроконтроллера - выдавать управляющие воздействия (осуществлять так называемый "ногодрыг") в соответствии с получаемыми инструкциями и показаниями датчиков. Очень важный момент: данные маломощные микроконтроллеры обладают всеми типичными чертами компьютера - в маленьком чипе есть процессор, оперативная память, постоянная память (FLASH и EEPROM). Но если ПК работает под управлением операционной системы (и она уже "разруливает" взаимодействие железа и многочисленных программ), то на "меге" у нас крутится ровно одна программа, работающая с железом напрямую. Это принципиально.

Часто можно услышать вопрос, почему не делают контроллеры 3D-принтеров на основе микрокомпьютера вроде того же Raspberry Pi. Казалось бы, вычислительной мощности вагон, можно сразу сделать и веб-интерфейс, и кучу удобных плюшек… Но! Тут мы вторгаемся в страшную область систем реального времени.

Википедия дает следующее определение: "Система, которая должна реагировать на события во внешней по отношению к системе среде или воздействовать на среду в рамках требуемых временных ограничений". Если совсем на пальцах: когда программа работает "на железе" непосредственно, программист полностью контролирует процесс и может быть уверен, что заложенные действия произойдут в нужной последовательности, и что на десятом повторении между ними не вклинится какое-то другое. А когда мы имеем дело с операционной системой, то она решает, когда исполнять пользовательскую программу, а когда отвлечься на работу с сетевым адаптером или экраном. Повлиять на работу ОС, конечно, можно. Но предсказуемую работу с требуемой точностью можно получить не в Windows, и не в Debian Linux (на вариациях которой в основном работают микро-пк), а в так называемой ОСРВ (операционная система реального времени, RTOS), изначально разработанной (или доработанной) для данных задач. Применение RTOS в RepRap на сегодняшний день - жуткая экзотика. А вот если заглянуть к разработчикам станков с ЧПУ, там уже нормальное явление.

Для примера - плата не на AVR, а на 32-битном NXP LPC1768. Smoothieboard называется. Мощи - уйма, функций - тоже.

А дело все в том, что на данном этапе развития RepRap, "8 бит хватит всем". Да, 8 бит, 16 МГц, 256 килобайт флеш-памяти и 8 килобайт оперативной. Если не всем, то очень многим. А тем, кому недостаточно (это бывает, например, при работе с микрошагом 1/32 и с графическим дисплеем, а также с дельта-принтерами, у которых относительно сложная математика расчета перемещений), в качестве решения предлагаются более продвинутые микроконтроллеры. Другая архитектура, больше памяти, больше вычислительной мощности. И софт все равно в основном работает "на железе", хотя, некоторые заигрывания с RTOS маячат на горизонте.

Marlin и Mega: частота сигнала STEP

Прежде чем переходить ко второй части и начинать разговор об электронике RepRap. Я хочу попытаться разобраться с одним спорным моментом - потенциальных проблемах с микрошагом 1/32. Если теоретически прикинуть, то исходя из технических возможностей платформу её производительности не должно хватать для перемещения со скоростью выше 125 мм/с.

Для проверки этого продположения я построил "тестовый стенд", подключил логический анализатор, и стал экспериментировать. "Стенд" представляет собой классический бутерброд "Mega+RAMPS" с переделанным пятивольтовым питанием, установлен один драйвер DRV8825 (1/32). Двигатель и ток упоминать смысла нет - результаты полностью идентичны при "полном" подключении, при наличии драйвера и отсутствии двигателя, при отсутствии и драйвера и двигателя.

Анализатор - китайский клон Saleae Logic, подключен к пину STEP драйвера. Прошивка Marlin 1.0.2 настроена следующим образом: максимальная скорость 1000 мм/с на ось, CoreXY, 160 шагов на мм (это для двигателя с шагом 1.8", 20-зубого шкива, ремня GT2 и дробления 1/32).

Методика эксперимента

Задаем маленькое ускорение (100 мм/с) и запускаем перемещение по оси X на 1000 мм с различными целевыми скоростями. Например, G-код G1 X1000 F20000. 20000 - это скорость в мм/мин, 333.3(3) мм/с. И смотрим, что у нас с импульсами STEP.

Общие результаты

То есть, отталкиваясь от частоты прерываний в 10 КГц, мы получаем эффективную частоту до 40 КГц. Применив к этому немножко арифметики, получаем вот что:

до 62.5 мм/с - один шаг на прерывание;
до 125 мм/с - два шага на прерывание;
до 250 мм/с - четыре шага на прерывание.

Это теория. А что на практике? А если задать больше 250 мм/с? Ну, хорошо, даю G1 X1000 F20000 (333.3(3) мм/с) и анализирую полученное. Измеренная частота импульсов при этом составляет почти 40 КГц (250 мм/с). Логично.

На скорости выше 10000 мм/мин (166,6(6) мм/с) я стабильно получаю провалы в тактировании. На обоих движках синхронно (напомню, CoreXY). Длятся они 33 мс, находятся примерно за 0.1 с до начала снижения скорости. Иногда такой же провал есть в начале движения - через 0.1 после завершения набора скорости. Вообще, есть подозрение, что он устойчиво пропадает на скорости до 125 мм/с - то есть, когда не применяются 4 шага на прерывание, но это только подозрение.

Как интерпретировать этот результат - я не знаю. С какими-то внешними воздействиями она не коррелирует - с общением по последовательному порту не совпадает, прошивка собрана без поддержки всяких дисплеев и SD-карт.

Мысли

1. Если не пытаться что-то нашаманить с Marlin, потолок скорости (1.8", 1/32, 20 зубов, GT2) - 250 мм/с.
2. На скоростях выше 125 мм/с (гипотетически) есть глюк с провалом тактирования. Где и как он будет проявляться в реальной работе - я предсказать не могу.
3. В более сложных условиях (когда процессор что-то усиленно считает) точно будет не лучше, а скорее - хуже. Насколько - вопрос для куда более монументального исследования, ведь придется сопоставлять запланированные программой перемещения с реально выданными (и захваченными) импульсами - на это у меня пороху не хватит.

Часть 2. Шаговый квартет.

Во второй части речь пойдет о том, как описанный ранее микроконтроллер управляет шаговыми двигателями.

Move it!

В «прямоугольных» принтерах нужно обеспечить перемещение по трем осям. Допустим, двигать печатающую головку по X и Z, а стол с моделью - по Y. Это, например, привычный, любимый китайскими продавцами и нашими покупателями Prusa i3. Или Mendel. Можно двигать голову только по X, а стол - по Y и Z. Это, например, Felix. Я практически сразу как вляпался в 3D-печать (с МС5, у которого XY-стол и Z-голова), так стал поклонником перемещения головы по X и Y, а стола - по Z. Это кинематика Ultimaker, H-Bot, CoreXY.

Короче, вариантов много. Давайте для простоты считать, что у нас три мотора, каждый из которых отвечает за движение чего-нибудь по одной из осей в пространстве, согласно декартовой системе координат. У «прюши» за вертикальное перемещение отвечают два двигателя, суть явления это не меняет. Итак, три мотора. Почему в заголовке квартет? Потому что надо еще пластик подавать.

В ногу

Традиционно используются шаговые двигатели. Их фишка - хитрая конструкция обмоток статора, в роторе используется постоянный магнит (то есть, контактов, касающихся ротора нет - ничего не стирается и не искрит). Шаговый двигатель, согласно своему названию, двигается дискретно. Наиболее распространенный в рамках RepRap образчик имеет типоразмер NEMA17 (по сути, регламентируется посадочное место - четыре крепежных отверстия и выступ с валом, плюс два габарита, длина может варьироваться), оснащен двумя обмотками (4 провода), а полный оборот его состоит из 200 шагов (1.8 градуса на шаг).

В простейшем случае, вращение шагового двигателя осуществляется путем последовательной активации обмоток. Под активацией понимается приложение к обмотке напряжения питания прямой или обратной полярности. При этом схема управления (драйвер) должна не только уметь коммутировать «плюс» и «минус», но и ограничивать потребляемый обмотками ток. Режим с коммутацией полного тока называется полношаговым, и у него есть весомый недостаток - на низких скоростях двигатель жутко дергается, на чуть более высоких - начинает греметь. В общем, ничего хорошего. Для увеличения плавности движения (точность не увеличивается, дискретность полных шагов никуда не пропадает!) применяется микрошаговый режим управления. Он заключается в том, что ограничение тока, подаваемого на обмотки, изменяется по синусоиде. То есть, на один реальный шаг приходится некоторое количество промежуточных состояний - микрошагов.

Для реализации микрошагового управления двигателями применяются специализированные микросхемы. В рамках RepRap их две - A4988 и DRV8825 (модули на основе этих микросхем обычно называются так же). Плюс, осторожно сюда начинают проникать хитроумные TMC2100. Драйверы шаговых двигателей традиционно выполняются в виде модулей с ножками, но бывают и напаяны на плату. Второй вариант с первого взгляда менее удобен (нет возможности изменить тип драйвера, да и при выходе оного из строя возникает внезапный геморрой), но плюсы тоже имеются - на продвинутых платах обычно реализуется программное управление током двигателей, а на многослойных платах с нормальной разводкой запаянные драйверы охлаждаются через «пузо» чипа на теплоотводный слой платы.

Но, опять же, говоря о самом распространенном варианте - микросхема драйвера на собственной печатной плате с ножками. На входе у нее три сигнала - STEP, DIR, ENABLE. Еще три вывода отвечают за конфигурацию микрошага. На них мы подаем или не подаем логическую единицу, устанавливая или снимая джамперы (перемычки). Логика микрошага прячется внутри чипа, нам туда влезать не надо. Можно запомнить только одно - ENABLE разрешает работу драйвера, DIR определяет направление вращения, а импульс, поданный на STEP, говорит драйверу о том, что необходимо сделать один микрошаг (в соответствии с заданной джамперами конфигурацией).

Основное отличие DRV8825 от A4988 - поддержка дробления шага 1/32. Есть другие тонкости, но для начала достаточно этого. Да, модули с этими чипами вставляются в колодки управляющей платы по-разному. Ну, так получилось с точки зрения оптимальной разводки плат модулей. А неопытные пользователи жгут.

В общем случае, чем выше значение дробления, тем плавнее и тише работают двигатели. Но при этом увеличивается нагрузка на «ногодрыг» - ведь выдавать STEP приходится чаще. О проблемах при работе на 1/16 лично мне не известно, а вот когда возникает желание полностью перейти на 1/32, уже может возникнуть нехватка производительности «меги». Особняком тут стоят TMC2100. Это драйверы, которые принимают сигнал STEP с частотой как для 1/16, а сами «додумывают» до 1/256. В результате имеем плавную бесшумную работу, но не без недостатков. Во-первых, модули на TMC2100 стоят дорого. Во-вторых, лично у меня (на самодельном CoreXY под названием Kubocore) с этими драйверами наблюдаются проблемы в виде пропуска шагов (соответственно, сбой позиционирования) при ускорениях выше 2000 - с DRV8825 такого нет.

Резюмируя в трех словах: на каждый драйвер нужно две ноги микроконтроллера, чтобы задать направление и выдавать импульс микрошага. Вход разрешения работы драйвера обычно общий на все оси - кнопка отключения двигателей в Repetier-Host как раз одна. Микрошаг - это хорошо с точки зрения плавности движений и борьбы с резонансами и вибрацией. Ограничение максимального тока двигателей надо настраивать с помощью подстроечных резисторов на модулях драйверов. При превышении тока мы получим чрезмерный нагрев драйверов и двигателей, при недостаточном токе будет пропуск шагов.

Спотыкач

В RepRap не предусмотрено обратной связи по положению. То есть, программа управляющего контроллера не знает, где в данный момент находятся подвижные части принтера. Странно, конечно. Но при прямой механике и нормальных настройках это работает. Принтер перед началом печати перемещает все, что можно, в начальную позицию, и от нее уже отталкивается во всех передвижениях. Так вот, противное явление пропуска шагов. Контроллер выдает драйверу импульсы, драйвер пытается провернуть ротор. Но при чрезмерной нагрузке (или недостаточном токе) происходит "отскок" - ротор начинает поворачиваться, а потом возвращается в исходное положение. Если это происходит на оси X или Y, мы получаем сдвиг слоя. На оси Z - принтер начинает "вмазывать" следующий слой в предыдущий, тоже ничего хорошего. Нередко пропуск происходит на экструдере (из-за забива сопла, чрезмерной подачи, недостаточной температуры, слишком малого расстояния до стола при начале печати), тогда мы имеем частично или полностью непропечатанные слои.

С тем, как проявляется пропуск шагов, все относительно понятно. Почему это происходит? Вот основные причины:

1. Слишком большая нагрузка. Например, перетянутый ремень. Или перекошенные направляющие. Или "убитые" подшипники.

2. Инерция. Чтобы быстро разогнать или затормозить тяжелый объект, нужно затратить больше усилий, чем при плавном изменении скорости. Поэтому сочетание больших ускорений с тяжелой кареткой (или столом) вполне может вызвать пропуск шагов при резком старте.

3. Неправильная настройка тока драйвера.

Последний пункт - вообще тема для отдельной статьи. Если вкратце - у каждого шагового двигателя есть такой параметр, как номинальный ток. Он для распространенных моторов находится в диапазоне 1.2 - 1.8 А. Так вот, при таком ограничении тока у вас должно все хорошо работать. Если нет - значит, двигатели перегружены. Если нет пропуска шагов с более низким ограничением - вообще прекрасно. При снижении тока относительно номинала уменьшается нагрев драйверов (а они могут перегреваться) и двигателей (больше 80 градусов не рекомендуется), плюс, снижается громкость "песни" шаговиков.

Часть 3. Горячка.

В первой части цикла я рассказывал о маленьких слабеньких 8-битных микроконтроллерах Atmel архитектуры AVR, конкретно - о Mega 2560, которая "рулит" большинством любительских 3D-принтеров. Вторая часть посвящена управлению шаговыми двигателями. Теперь - о нагревательных приборах.

Суть FDM (fused deposition modeling, торговая марка Stratasys, всем обычно до лампочки, но острожные люди придумали FFF - fused filament fabrication) в послойном наплавлении филамента. Наплавление происходит следующим образом: филамент должен расплавиться в определенной зоне хотэнда, и расплав, подталкиваемый твердой частью прутка, выдавливается через сопло. При движении печатающей головки происходит одновременное выдавливание филамента и приглаживание его к предыдущему слою концом сопла.

Казалось бы, все просто. Охлаждаем верхнюю часть трубки термобарьера, а нижнюю - нагреваем, и все хорошо. Но есть нюанс. Нужно с приличной точностью поддерживать температуру хотэнда, чтобы она гуляла лишь в небольших пределах. Иначе получим неприятный эффект - часть слоев печатается при более низкой температуре (филамент более вязкий), часть - при более высокой (более жидкий), а результат выглядит похожим на Z-вобблинг. И вот, у нас в полный рост встает вопрос стабилизации температуры нагревателя, обладающего очень маленькой инерцией - из-за малой теплоемкости любой внешний «чих» (сквозняк, вентилятор обдува, мало ли что еще) или ошибка регулирования моментально приводит к заметному изменению температур.

Здесь мы вторгаемся в чертоги дисциплины под названием ТАУ (теория автоматического управления). Не совсем моя специальность (айтишник, но выпускающая кафедра АСУ), но курс такой у нас был, с преподавателем, который показывал слайды на проекторе и периодически над ними угорал с комментариями: «Ой, доверил этим студентам лекции в электронный вид переводить, они тут таких косяков налепили, ну, ничего, вы разберетесь». Ладно, лирические воспоминания в сторону, поприветствуем ПИД-регулятор.

Нельзя писать про ПИД-регулирование без этой формулы. В рамках данной статьи она просто для красоты.

Очень рекомендую ознакомиться со статьей , там довольно доступно написано про ПИД-регулирование. Если же совсем упростить, то выглядит картина так: у нас есть некоторое целевое значение температуры. И с определенной частотой мы получаем текущее значение температуры, и нам необходимо выдать управляющее воздействие, чтобы уменьшить ошибку - разницу между текущим и целевым значением. Управляющее воздействие в данном случае - ШИМ-сигнал на затвор полевого транзистора (мосфета) нагревателя. От 0 до 255 «попугаев», где 255 - максимальная мощность. Для тех, кто не знает, что такое ШИМ - простейшее описание явления.

Итак. Каждый «такт» работы с нагревателем нам необходимо принять решение о выдаче от 0 до 255. Да, мы можем просто включать или выключать нагреватель, не заморачиваясь ШИМ. Допустим, температура выше 210 градусов - не включаем. Ниже 200 - включаем. Только в случае с нагревателем хотэнда такой разброс нас не устроит, придется поднимать частоту «тактов» работы, а это дополнительные прерывания, работа АЦП тоже не бесплатная, а у нас крайне ограниченные вычислительные ресурсы. В общем, надо управлять точнее. Поэтому ПИД-регулирование. П - пропорциональное, И - интегральное, Д - дифференциальное. Пропорциональная составляющая отвечает за «прямую» реакцию на отклонение, интегральная - за на накопленную ошибку, дифференциальная в ответе за обработку скорости изменения ошибки.

Если еще проще - ПИД-регулятор выдает управляющее воздействие в зависимости от текущего отклонения, с учетом «истории» и скорости изменения отклонения. Нечасто я слышу о калибровке ПИД-регулятора «марлина», но функция такая имеется, в результате мы получаем три коэффициента (пропорциональный, интегральный, дифференциальный) позволяющие наиболее точно управлять именно нашим нагревателем, а не сферическим в вакууме. Желающие могут почитать про код M303 .

График температуры хотэнда (Repetier-Host, Marlin)

Чтобы проиллюстрировать крайне низкую инерцию хотэнда, я на него просто дунул.

Ладно, это про хотэнд. Он есть у всех, если речь идет о FDM/FFF. Но некоторые любят погорячее, так возникает великий и ужасный, жгущий мосфеты и рампсы, нагревательный стол. С электронной точки зрения с ним все сложнее, чем с хотэндом - мощность относительно большая. А вот с позиций автоматического регулирования проще - система более инертная, да и допустимая амплитуда отклонения выше. Поэтому стол с целью экономии вычислительных ресурсов обычно управляется по принципу bang-bang («пыщь-пыщь»), этот подход я выше описывал. Пока температура не достигла максимума, греем на 100%. Потом пусть остывает до допустимого минимума, и снова греем. Также отмечу, что при подключении горячего стола через электромеханическое реле (а так нередко делают, чтобы «разгрузить» мосфет) только bang-bang является допустимым вариантом, ШИМить реле не надо.

Датчики

Напоследок - про терморезисторы и термопары. Терморезистор изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры, характеризуется номинальным сопротивлением при 25 градусах и температурным коэффициентом. По факту, устройство нелинейное, и в том же «марлине» есть таблицы для пересчета полученных с терморезистора данных в температуру. Термопара - редкий гость в RepRap, но попадается. Принцип действия иной, термопара является источником ЭДС. Ну, то есть, выдает определенное напряжение, величина которого зависит от температуры. Напрямую к RAMPS и подобным платам не подключается, но активные адаптеры существуют. Что интересно, также в «марлине» предусмотрены таблицы для металлических (платиновых) термометров сопротивления. Не такая уж редкая вещь в промышленной автоматике, но встречается ли «живьем» в RepRap - мне не известно.

Часть 4. Единение.

3D-принтер, работающий по принципу FDM/FFF состоит, по сути, из трех частей: механики (передвижение чего-то в пространстве), нагревательных приборов и электроники, всем этим управляющей.

В общих чертах я уже рассказал, как каждая из этих частей работает, а теперь попробую порассуждать на тему "как это собирается в одно устройство". Важно: многое буду описывать с позиций кустаря-самодельщика, не оснащенного дерево- или металлообрабатывающими станками и оперирующего молотком, дрелью и ножовкой. И еще, чтобы не распыляться, в основном про "типовой" RepRap - один экструдер, область печати в районе 200х200 мм.

Наименее вариативное

Оригинальный E3D V6 и его очень недобрая цена.

Начну с нагревателей, тут популярных вариантов не очень много. Сегодня в среде самодельщиков наиболее распространен хотэнд E3D .

Точнее, его китайские клоны весьма плавающего качества. Про мучения с полировкой цельнометаллического барьера или использование трубки боудена "до сопла" не буду - это отдельная дисциплина. Из личного небольшого опыта - хороший металлический барьер прекрасно работает с ABS и PLA, без единого разрыва. Плохой металлический барьер нормально работает с ABS и отвратно (вплоть до "никак" - с PLA), и в таком случае бывает проще поставить столь же плохой термобарьер, но с тефлоновой вставкой.

В целом же, E3D очень удобны - можно поэкспериментировать как с термобарьерами, так и с нагревателями - доступны как "маленькие", так и Volcano (для толстых сопел и быстрой брутальной печати). Тоже условное деление, кстати. Сейчас использую Volcano с соплом 0.4. А некоторые изобретают втулку-проставку, и работают себе спокойно с короткими соплами от обычного E3D.

Программа минимум - покупаем типовой китайский комплект "E3D v6 + нагреватель + набор сопел + кулер". Ну и, рекомендую сразу пачку разных термобарьеров, чтобы когда дело дойдет до этого, не ждать очередной посылки.

Второй нагреватель - это не второй хотэнд (хотя тоже неплохо, но не будем погружаться), а стол. Можно причислить себя к рыцарям холодного стола, и вообще не поднимать вопрос нижнего подогрева - да, тогда сужается выбор филамента, придется немного подумать о надежной фиксации модели на столе, но зато вы никогда не узнаете про обугленные клеммы RAMPS, глубокие отношения с тонкими проводами и дефект печати типа "слоновья нога". Ладно, пусть нагреватель все-таки будет. Два популярных варианта - из фольгированного стеклотекстолита и алюминия.

Первый - простой, дешевый, но кривой и "жидкий", требует нормального крепления к жесткой конструкции и ровного стекла сверху. Второй

По сути, та же печатная плата, только в качестве подложки - алюминий. Хорошая собственная жесткость, равномерный прогрев, но стоит дороже.

Неочевидный недостаток алюминиевого стола - это когда китаец плохо приляпывает к нему тонкие провода. На текстолитовом столе заменить провода просто, имея базовые навыки пайки. А вот припаять 2.5 квадрата к дорожкам алюминиевой платы - задача продвинутого уровня, с учетом отличной теплопроводности данного металла. Я использовал мощный паяльник (который с деревянной ручкой и жалом в палец), а в помощь ему пришлось призвать термовоздушную паяльную станцию.

Самое интересное

3D-принтер с кинематикой "руки робота".

Самая вкусная часть - это выбор кинематики. Я в первом абзаце обтекаемо упомянул механику как средство "передвижения чего-то в пространстве". Вот, теперь как раз к тому, что и куда двигать. В общем и целом, нам надо получить три степени свободы. А двигать можно печатающую головку и стол с деталью, отсюда и все многообразие. Есть радикальные конструкции с неподвижным столом (дельта-принтеры), есть попытки воспользоваться схемами фрезерных станков (XY-стол и Z-головка), есть вообще извращения (полярные принтеры или позаимствованная из робототехники SCARA-механика). Про весь этот беспредел можно долго рассуждать. Так что, ограничусь двумя схемами.

"Прюша"

XZ-портал и Y-стол. Политкорректно назову эту схему "заслуженной". Все более-менее ясно, сто раз реализовано, допилено, модифицировано, на рельсы посажено, в габаритах смасштабировано.

Общая идея такова: есть буква "П", по ногам которой ездит перекладина, приводимая в движение двумя синхронизированными двигателями с помощью передачи "винт-гайка" (редкая модификация - с ремнями). На перекладине висит двигатель, который за ремень таскает влево-вправо каретку. Третья степень свободы - это движущийся вперед-назад стол. Плюсы конструкции есть, например, изученность вдоль и поперек или чрезвычайная простота в кустарной реализации из подручных материалов. Минусы тоже известны - проблема синхронизации двигателей Z, зависимость качества печати аж от двух шпилек, которые должны быть более-менее одинаковы, сложно разогнаться до высоких скоростей (поскольку двигается относительно тяжелый инертный стол).

Z-стол

При печати медленнее всего изменяется координата Z, да еще и только в одну сторону. Вот и будем двигать по вертикали стол. Теперь надо придумать, как перемещать в одной плоскости печатающую головку. Есть решение проблемы "в лоб" - по сути. берем портал "прюши", кладем его на бок, заменяем шпильки на ремень (и убираем лишний движок, заменяя его на передачу), поворачиваем на 90 градусов хотэнд, вуаля, получаем нечто вроде MakerBot Replicator (не последнего поколения).

Как еще улучшить эту схему? Надо добиться минимальной массы подвижных деталей. Если откажемся от директ-экструдера и будем подавать филамент по трубке, все равно остается двигатель X, который нужно зазря катать по направляющим. И вот тут включается настоящая инженерная смекалка. По-голландски она выглядит как куча валов и ремней в ящике под названием Ultimaker. Конструкция доведена до такого уровня, что многие считают Ultimaker лучшим настольным 3D-принтером.

Но есть более простые инженерные решения. Например, H-Bot. Два неподвижных мотора, один длинный ремень, горстка роликов. И это дело позволяет перемещать каретку в плоскости XY путем вращения двигателей в одну или в разные стороны. Красиво. На практике предъявляет повышенные требования к жесткости конструкции, что несколько усложняет изготовление из спичек и желудей, особенно при использовании деревянных подшипников.

Классическая CoreXY с перекрещенными ремнями.

Более сложная схема, с двумя ремнями и бОльшей кучкой роликов - CoreXY. Считаю лучшим вариантом для реализации, когда вы уже собрали свою или китайскую "прюшу", а творческий зуд не утих. Можно делать из фанеры, алюминиевого профиля, табуреток и других ненужных предметов мебели. По принципу действия результат похож на H-Bot, но меньше склонен к заклиниванию и скручиванию рамы в бараний рог.

Электроника

Если нужно сэкономить деньги - то Mega+RAMPS в китайском исполнении просто вне конкуренции. Если же нет особых познаний в электрике и электронике, а нервы не лишние, то лучше посмотреть в сторону более дорогих, но грамотно сделанных плат от Makerbase или Geeetech.

Основные болячки бутерброда в виде "не тех" выходных транзисторов и питания всего пятивольтового колхоза через стабилизатор на плате Arduino там вылечены. Если говорить о совсем альтернативных вариантах, то я жду, когда появится возможность приобрести плату на LPC1768, например, ту же MKS SBase, и поразвлекаться с 32-битным ARM и прошивкой Smoothieware. А параллельно - неторопливо изучаю прошивку Teacup применительно к Arduino Nano и Nanoheart.

Самодельщику

Ну, допустим, решили вы обязательно слепить свой велосипед. Не вижу в этом ничего плохого.

В общем-то, отталкиваться надо от финансовых возможностей и от того, что можно найти в гараже или подвале. А также от наличия или отсутствия доступа к станкам и радиуса кривизны рук. Грубо говоря, есть возможность потратить 5 тысяч рублей - хорошо, обходимся самым минимумом. За десятку уже можно немного разгуляться, а приближение бюджета к 20 тысячам изрядно развязывает руки . Конечно, сильно облегчает жизнь возможность купить китайский конструктор "прюши" - можно и разобраться в основах 3D-печати, и получить отличный инструмент для развития самопала.

Тем более, что большинство деталей (двигатели, электроника, часть механики) спокойно перекочует и в следующую конструкцию. Короче говоря, покупаем акриловое барахло, допиливаем до вменяемого состояния, печатаем детали для следующего принтера, пускаем предыдущий на запчасти, намылить, смыть, повторить.

Начало сборки Kubocore 2.

На этом пожалуй всё. Возможно, получилось немного галопом. Но по-другому объять необъятное в рамках общего обзорного материала сложно. Хотя, полезных ссылок для размышления я накидал, ищущий по-любому обрящет. Вопросы и дополнения традиционно приветствуются. Ну и, да, в обозримом будущем будет продолжение - уже о конкретных решениях и граблях в рамках проектирования и постройки Kubocore 2.

Как оказалось модификаций корпусов огромное количество. В этом легко убедиться на страницах RepRap WiKi . Перед окончательным выбором пришлось поставить следующие задачи — минимизировать количество печатанных на 3D принтере деталей и выполнить корпус из недорогих и доступных в нашей стране материалов. Выбор пал на Reprap Prusa i3 . Этот вариант как мне показалось обладает достаточно высокой прочность конструкции корпуса будущего станка. Но на сайте автора предлагается комплект из МДФ. Я решил попробовать исполнить идею из дибонда толщиной 6мм. Покопавшись в сети, я таки раздобыл чертежи. Перед заказом построил модели всех деталей в 3D и попытался выполнить сборку. К своему недоумению обнаружил, что не все детали нормально стыкуются.

ДОРАБОТКА КОРПУСА

Раз уж так вышло, то всю следующую неделю я потратил на переработку чертежей деталей. Детали выполнялись с учетом резки на «лазере». Для изготовления опытного образца я решил выполнить отверстия для стыковки панелей большего размера на всякий «пожарный» случай. Также мне показался достаточно хлипким держатель стола. По этой причине пришлось сделать его немного массивней. Так как возможности напечатать пластиковые детали самостоятельно у меня нет, то перед отправкой на изготовление деталей каркаса все-таки было решено проверить их совместимость с печатанными деталями, выбор которых шел .

С тем, что получилось можно ознакомиться на рисунке выше. Сборка нарисована — можно приступать к покупке материала.

ПОИСКИ МАТЕРИАЛА

На этом этапе работы меня ждало первое разочарование! Дня три потратил на обзвон поставщиков. Но так и не смог отыскать запланированный дибонд толщиной 6мм — либо «не сезон» либо такой толщины не возят. Пришлось задуматься о переходе на другой материал. Выбор пал на полистирол и монолитный поликарбонат. Обе позиции также оказались трудноступными… При этом поликабонат оказался более подходящим по прочности. Но и более дорогим. В итоге, с огромным трудом, мне удалось купить лист белого полистирола 6мм. И снова пришлось вернуться за компьютер для правки чертежей. Поскольку листовой полистирол обладает глянцевой поверхностью лишь с одной стороны, расширил перечень деталей — вместо некоторых двух одинаковых деталей пришлось сделать две зеркально отображенные. Для того, чтобы глянцевая поверхность оказалась снаружи.

ПРОИЗВОДСТВО

Поисковик выдал огромную кучу фирм, занимающихся лазерной резкой. Но только единицы готовы были взяться за резку полистирола. И эти единицы не захотели связываться с моим маленьким заказом! Замкнутый круг — для того, чтобы заказать большую партию, требуется выполнить опытный образец. А опытный образец содержит слишком маленькое количество резки… Пробежавшись по своим старым поставщикам, мне все-таки удалось уговорить лазерщиков попробовать вырезать мои детали. Радости было целое море… И как оказалось зря! После недели попыток так и не удалось подобрать режим резки — либо кромка плавилась, либо получалась буквально волнистая линия реза. В итоге, потеряв всякую надежду сделать свой комплект лазером, обратился к фрезерному станку с ЧПУ. При этом я отчетливо понимал, что фреза на внутренних углах обязательно оставит радиуса, которые затем придется «уничтожать» руками. Отправил заказ и погрузился в длительное ожидание…

СБОРКА КАРКАСА

Настал радостный день — забрал свои детали.

Резали фрезой диаметром 2мм. Как видно на фото ниже на внутрених углах остались скругления.

Взялся за концелярский нож, надфиля и приступил к обработке. Как только все доработал, сразу начал собирать каркас. Все детали состыковались без затруднений. Правда и на данном этапе не обошлось без косяков — пока прикручивал правую стойку, левую поленился подтянуть винтом. И по нелепой случайности она выпала из пазов рамки, упала на стол, затем на пол. И, конечно же, откололся небольшой кусок.

Не приятно, но как говорится — «к лучшему». Если сломалось, значит тонкое место. В следующей редакции внесу изменение в чертеж. А пока посадил обломок на клей и продолжил. На фото ниже вид собранного каркаса.

В целом все сложилось… После сборки каркаса приступаем к основанию. Здесь более кропотливая и аккуратная работа.
Сперва прикручиваем с обратной стороны держателя стола три направляющие стола. Для более надежной фиксации я использовал самоконтрящиеся гайки. На данном этапе главное не фиксировать основательно направляющие — необходимо оставить возможность небольшого смещения для того, чтобы установить без перекоса подшипники на валы. Крепим фиксатор ремня оси Y.
Далее одеваем держатель стола на валы, фиксируем валы в «УГОЛКАХ ОСНОВАНИЯ», устанавливаем и фиксируем шпильки М8.

После того, как собраны левая и правая направляющие, одеваем поперечные шпильки, обозначаем их фиксацию на уголках гайками — зажимать до упора не стоит!

Фиксировать необходимо по-месту. Поочередно устанавливаем основание в пазы рамы обеими сторонами, фиксируем гайки. Это позволит проконтролировать отсутствие перекосов основания и симметрично установить шпильку, крепящуюся к боковым панелям (хорошо видно на рисунках ниже).

Вставляем по два подшипника в каждый «КОРПУС ХВОСТОВИКА ПОД 625ZZ». Всего их два. Одну из получившихся деталей крепим в «ДЕРЖАТЕЛЬ ХВОСТОВИКА ОСИ Y», вторую — в «КОРПУС ХВОСТОВИКА ОСИ X». При этом мне показались лишними упоры для подшипников. Они слишком большого диаметра и мешают свободному вращению подшипников. По этой причине я их срезал.

После того, как собрано основание, предварительно крепим его к корпусу. Сильно затягивать гайки на данном этапе не стоит. После установки нагревателя стола и экструдера потребуется проконтролировать положение стола…
На установке направляющих осей X и Z, думаю, подробно останавливаться не стоит. Здесь все предельно просто! Единственное — для стыковки моторов со шпилькой М5 я использовал силиконовый шланг подходящего диаметра и стяжки (немного сэкономил на специализированных переходниках).
Как только закончил с осями и направляющими X и Z, сразу установил каретку и решил проверить как будет двигаться узел экструдера. Оказалось, что держатель экструдера цепляет каркас принтера.

Придется делать проставку между кареткой и держателем экструдера. Вырезал из того же полистирола 6мм. С ней перемещению узла ничего не мешает…
Теперь можно приступать к сборке экструдера. Первым делом устанавливаем подшипник 608ZZ на ось, отрезанную из остатков направляющих валов. Затем полученную сборку — в «ФИКСАТОР ПРОВОЛОКИ».

После этого по плану шла сборка всего экструдера. Но вмешался очередной косяк поставщика. Я поленился делать самостоятельно осевой болт конструкции и решил его заказать на ebay. Продавец обещал, что расстояние от головки болта до засечек будет 25мм. На самом деле оказалось почти на два мм меньше и засечки никак не совпадали с отверстием для проволоки! Но это даже лучше… Потому, как мне казалось, весьма затруднительным регулировать положение засечек в экструдере в случае «жесткого» их размещения относительно головки болта. Было принято решение срезать головку и нарезать резьбу М8.

Теперь на более длинную резьбу я накрутил гайку с нейлоновой вставкой, установил ось в «БОЛЬШОЕ КОЛЕСО» экструдера. Собрал экструдер, заметил на сколько необходимо «подвинуть» засечки. Разобрал конструкцию, подтянул гайку с нейлоновой вставкой — тем самым отрегулировал положение засечек. Собрал экструдер.

На рисунке ниже хорошо видно как совместились положения отверстия для проволоки и засечек. При этом мне не пришлось городить «бусы» с шайбами. Такая конструкция оси показалась более подходящей и простой для регулировки.

Настало время натягивать ремни осей X и Y… Конструкция начинает приобретать законченный вид.

Их я решил добавить для исключения «лишних» перемещения осей Z! Также мне не понравилось, что шпилька M5 в базовой конструкции не фиксируется сверху. Я использую миниатюрный подшипник для свободного вращения оси и одновременно ее фиксации.

Корпус собран! Приступаем к размещению .

РАБОТА НАД НЕДОСТАТКАМИ

При достаточно продолжительной работе с принтером выявились недостатки в строении его каркаса.
1) Из-за отсутствия механической связи между двумя направляющими осями Z рамка, выполненная из полистирола, не обладает достаточной жесткостью. Это заметно при сильном касании одной из Z осей принтера.
2) При высоких температурах подогреваемого стола было хорошо заметно как существенно провисали углы держателя стола со стороны одного подшипника. Там, где располагаются два подшипника прогибы были незначительными.
Приняв во внимание перечисленные выше моменты, я доработал детали каркаса:

Как видно из рисунков внесены следующие дополнения:
— держатель осей стал единой деталью;
— добавились связывающие держатель осей и раму уголки;
— добавлено дополнительное место крепления боковой стойки к раме;
— боковые стойки стали массивней, что позволило конструкции стать более устойчивой (раньше каркас постоянно заваливался до момента установки осей);
— держатель подогреваемого стола оснастил дополнительным подшипником.

НАБОР ДЛЯ СБОРКИ КАРКАСА

В феврале в моем интернет-магазине (я сейчас активно работаю над его созданием) будут доступны наборы для сборки каркаса из прозрачного акрила (2200 руб.), белого полистирола (2200 руб.) и МДФ (1500 руб.- бюджетный вариант). Пока я работаю над интернет-магазином присылайте заявки на адрес электронной почты [email protected]. Каркасы всех трех типов в наличии.
Набор состоит из следующих деталей:
01. FRAME v1.0 (РАМА) 1шт.
02. SIDE PANEL v1.0 (БОКОВАЯ ПАНЕЛЬ) 2шт.
03. Z-MOTOR HOLDER v1.0 (ДЕРЖАТЕЛЬ Z-ДВИГАТЕЛЯ) 2шт.
04. FIXING CORNER OF Z-MOTOR HOLDER v1.0 (УГОЛОК ДЕРЖАТЕЛЯ ДВИГАТЕЛЯ) 4шт.
05. AXIS HOLDER v1.0 (ДЕРЖАТЕЛЬ ОСЕЙ) 1шт.
06. HEATED BED MOUNT v1.0 (ДЕРЖАТЕЛЬ ПОДОГРЕВАЕМОГО СТОЛА) 1шт.
07. FIXING CORNER OF AXIS HOLDER v1.0 (УГОЛОК ДЕРЖАТЕЛЯ Z ОСЕЙ) 2шт.
Сравнить на вид возможно по фотографиям ниже.

КАРКАС ИЗ МДФ ПАНЕЛИ

Изначально я как-то с сомнением относился к изготовлению каркаса из МДФ. Но решил попробовать. В итоге сомнения развеялись… Собранный каркас из этого материала оказался достаточно прочным и, на мой взгляд, при аккуратном использовании вполне может стать основанием для 3D принтера. Резались детали лазером. По этой причине кромка имеет эффектный темный вид. МДФ самый дешевый из представленных на Ваш суд материалов. Да и обрабатывается на достаточно высокой скорости. Что позволило получить самую низкую себестоимость и, соответственно, конечную цену.

Присутствуют, конечно же, и недостатки. Основным недостатком является низкая износостойкость МДФ. Другими словами многочисленная сборка-разборка каркаса нежелательна (можно повредить направляющие шипы) и требуется аккуратное использование.

Также при сборке каркаса из МДФ желательны шайбы (по-возможности усиленные) для увеличения площади прижима. Что немного удорожит конструкцию.

КАРКАС ИЗ ПРОЗРАЧНОГО АКРИЛА (ОРГСТЕКЛА)

Перед выбором материала для каркаса своего первого принтера я знал, что лазерная резка акрила выходит значительно легче, чем полистирола. В этом я убедился на деле. Главным достоинством, я считаю, практически идеальную кромку и то, что на момент резки с листа акрила нет необходимости удалять защитную пленку. Что позволяет сохранить детали более «свежими» к этапу сборки.

К недостаткам я могу отнести только то, что при сборке (закручивании винтов) возможно повредить детали. Но это в редком случае при чрезмерном усилии зажима. У меня сборка прошла гладко:)! Но вероятность, в отличии от полистирола, есть. И это необходимо помнить…

Мне показалось, что собранный из акриловых деталей каркас немного прочней каркаса из полистирола — меньше изгибается при приложенных в различных направлениях усилиях.