XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

Проведен обзор и сравнительный анализ FDM 3D принтеров. В качестве прототипа взята модификация от RepRap Prusa I3 Steel, Probot. Выбраны оптимальные элементы и разработана 3D модель устройства. Выбраны алгоритм и программа управления двигателями приводов. На основе 3D модели принтера разработана инструкция по сборке. После проведенного анализа собран и настроен рабочий принтер.

Ключевые слова: 3D принтер, FDM, Prusa, RepRap

3D принтер позволяет печатать физические объекты, используя цифровые модели. Область применения объектов, напечатанных на 3D принтере очень разнообразна – от игрушек до медицинских протезов.

По технологии печати различают: FDM, Polyjet или MJM, LENS, LOM, SLA, SLS, 3DP.

Самым популярным является FDM метод. В основе процесса лежит последовательное наслоение тонкой нити расплавленного пластика вплоть до создания цельного трехмерного объекта. В качестве расходного материала используется полимерная нить, намотанная на катушку. Изредка используются отдельные прутки пластика. Стандартный диаметр нити составляет 1,75мм или 3мм. Технология печати FDM методом получила широкое распространение среди индивидуальных пользователей и небольших компаний благодаря широким возможностям, относительной простоте и хорошей ценовой доступности.

Целью работы является конструирование 3D принтера с технологией послойной печати. В ходе выполнения работы были рассмотрены такие задачи как:

Разработка корпуса устройства

Проектирование блока управления

Разработка технологии изготовления и сборки принтера

Сборка, наладка принтера и изготовление первых деталей

1. Разработка FDM 3D – принтера

1.1. Сравнительный анализ принтеров данного класса. Выбор прототипа.

 Основными элементами являются: корпус устройства, экструдер, рабочая платформа.

Многие FDM принтеры выпускаются с деревянными корпусами 1 – такое решение кажется дешевым и неказистым, но на самом деле помогает поглощать вибрации при печати, что положительно сказывается на качестве изготовляемых моделей. С другой стороны, стальная или алюминиевая рама обеспечивает долговечность и ударостойкость устройства.

Следующим важным элементом является экструдер, то есть печатающая головка принтера. Эти устройства могут варьироваться конструктивно, но в целом содержат одинаковые основные компоненты:

протягивающий механизм для подачи нити в сопло,

сопло, служащее для плавки нити и экструзии расплавленного материала,

нагревательный элемент для подогрева сопла,

вентилятор.

Протягивающий механизм состоит из различных передач, приводимых в действие электромотором. Электромотор приводит в движение шестерни, осуществляя подачу пластиковой нити в сопло. В сопле происходит плавка нити с последующей экструзией вязкого материала.

Исключительно важным моментом является резкий градиент температур между нижней и верхней частью сопла – именно для этой цели и устанавливается вентилятор. При переходе порога температуры стеклования пластик становится мягким, но еще не вязким, расширяясь в объеме.

Рабочая платформа служит в качестве поверхности для построения моделей. В зависимости от используемой системы координат, платформа может быть подвижной или статической.

Как правило, в принтерах, использующих Декартову систему координат, движение платформы в вертикальной плоскости отвечает за вертикальное позиционирование экструдера относительно самой платформы.

Некоторые модели добавляют и движение платформы по одной из осей в горизонтальной плоскости, что позволяет несколько уменьшить габариты устройства при условии наличия открытого корпуса [1].

Кинематическая схема принтера различаются по способу передвижения экструдера и рабочей платформы. Возможны различные варианты, например, когда головка имеет одну степень свободы (поднимается в плоскости Z), а рабочий стол с объектом движется в двух других или наоборот - стол опускается, тогда как экструдер, перемещается над ним по осям X и Y.

Первая и самая многочисленная группа: экструдер перемещается по осям X и Z, а по оси Y перемещается платформа. Отличительной их особенностью являются открытая платформа и упрощенный процесс сборки.

Вторая группа принтеров. В этой группе рабочий стол с печатаемым объектом двигается только вверх или вниз по оси Z, а по осям X,Y двигается печатающая головка экструдера. Эти принтеры были разработаны немецкой группой инженеров [2], и быстро завоевали популярность благодаря некоторым удачным конструкторским решениям.

Отличительной особенностью этих моделей является реализация перемещения печатного узла в плоскостях X и Z, при которых направляющие проходят сквозь сам экструдер, и не используется крепления к нему ременной передачи.

За счет этого, появилась возможность увеличения скорости перемещения по данным осям в два-три раза по сравнению с аналогами, без существенной потери качества.

Третья группа. Схема, при которой печатающий узел перемещается по оси X, а рабочий стол - по осям Y и Z, не получила широкого распространения в силу сложной реализации конструкции и отладки устройства [2].

Все показатели, приведенные в тестовых таблицах, весьма относительны. Это связно с тем, что на каждую характеристику накладывается субъективное ощущение человека выставляющего балл. Если доля такой субъективной погрешности при оценивании точности и прочности прототипа сведена к минимуму за счет применения специальных измерительных приборов, то оставшиеся три критерия находятся в сильной зависимости от степени необъективности тестирующего.

В общем, следует отметить, что бытовые 3D-принтеры добились высокой точности изготовления объектов. Остальные качественные показатели только лишь немного превосходят средний уровень.

1.2 Разработка кинематической схемы

В данном проекте будет рассмотрена первая группа принтеров, т.к. она достаточно проста в сборке и наиболее распространённая. Это гарантирует доступность замены, потерявших работоспособность деталей конструкции. Кинематическая схема приведена на рис. 1.

Рис. 1. Кинематическая схема 3D принтера

1.3. Структурная схема 3D принтера

Структурная схема приведена на рис.2. Поскольку 3D принтер относится к мехатронным устройствам, то в его состав входят механические, электромеханические, электронные устройства и микропроцессоры. Функционирование принтера невозможно без соответствующего программного обеспечения.

Рис. 2. Структурная схема 3D принтера

2. Проектирование блока управления

2.1. Требования к элементам системы управления

Система управления 3D принтера должен соответствовать следующим требованиям:

удобное размещение драйверов шаговых двигателей;

подключение LCD2004 дисплея;

подключение вентилятора для обдува драйверов;

подключение экструдера;

совместимость работы с прошивкой Marlin;

подключение концевиков;

2.2. Выбор и расчет элементов системы управления столом 3D принтера

Направление движения стола проектируемого принтера осуществляется по оси OY. Движение обеспечивает шаговый двигатель, установленный в задней стенке корпуса. На нижней части стола устанавливается планка для крепления ремня. Таким образом, осуществляется ременная передача. Управление шаговым двигателем в свою очередь осуществляется через платформу Arduino Mega 2560.

Arduino Mega 2560 является основной системой управления по трем осям. Это программно-аппаратная сборка, собранная на микроконтроллере Atmega 2560.

Рис.3. Общий вид Arduino Mega 2560

Основные характеристики Arduino Mega 2560:

Плата имеет 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов,4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, USB коннектор, разъем питания, разъем ICSP и кнопка перезагрузки. Для работы необходимо подключить платформу к компьютеру посредством кабеля USB или подать питание при помощи адаптера AC/DC, или аккумуляторной батареей. Arduino Mega 2560 совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Uno или Duemilanove [3].

MKS GEN L v.1.0

Рис. 4. Общий вид MKS GEN L v.1.0

MKS GEN L представляет собой плату, в которую интегрированы arduino и ramps. Разработан компанией Makerbase. Основной отличительной способностью является подключение второго экструдера и TFT дисплея.

3. Разработка конструкции

3.1 Общая компоновка элементов конструкции

Корпус устройства представляет собой сборку листового материала из листовой стали толщиной в 3мм. Для удобства сборки предусмотрены пазы и отверстия.

Рис. 5. 3D модель корпуса принтера

3.2 Анализ и выбор элементов

Шаговый двигатель

Для передвижения рабочего стола, а также для подачи пластиковой нити используется шаговые двигатели. Основными требованиями шагового двигателя являются: размер «лицевой» стороны мотора, крутящий момент, угол поворота, погрешность угла поворота, вал для крепления муфты.

Размер двигателя определяется по стандартам национальной ассоциацией электрооборудования стандарт (NEMA). Наибольшее распространение получили высокомоментные двухфазные гибридные шаговые электродвигатели с угловым перемещением 1,8°/шаг (200 шагов/оборот) или 0,9°/шаг (400 шаг/об).

Для передвижения по оси OX, OY, используются линейные подшипники LM8UU.

Характеристики:

Внутренний диаметр (d) – 8мм.

Наружный диаметр (D) – 15 мм.

Размер (B) – 17.5 мм

Размер (D1) – 14.3 мм

Размер (L) – 14.3 мм

Грузоподъемность динамическая (С) – 0,26 кН

Грузоподъемность статическая (С0) – 0,4 кН

Количество замкнутых рядов шариков – 4

Для того чтобы определить крутящий момент для выбора двигателя, надо определить силы действующие на стол без движения. Сила, которая сдвинет с места тело, и будет определять F_дв.

Крутящий момент двигателя:

M = F_двR (1)

где F_дв – сила, с которой двигатель тянет по траектории радиуса

R – радиус плеча, (в данном случае радиус муфты, для крепления ремня)

Сила трения:

F_тр = μ P_н (2)

где μ – коэффициент трения линейного подшипника в стоячем положении (по справочным данным k = 0,25, при движении снижается)

P_н – вес тела

Вес тела определяется:

P_н = P_стола + Р_детали+4Р_подш+P_ремня+P_нагр

Масса тела:

стол (Сталь 10 Лист 3мм) – 0,5 кг;

деталь (при размерах – 200х200х200, ABS – пластика, ρ=1,05 г/см³, с 100% заполнением) – 8 кг;

подшипники – 0,014 кг;

ремень – 0,05

нагревательный стол – 0,363 кг;

Тогда сила трения всей системы

F_тр = μ P_н = μ(P_стола + Р_детали+4Р_подш+P_ремня+P_нагр)

F_тр= 21.87 Н

Условие выбора двигателя:

F_дв>F_тр

Определим крутящий момент двигателя при F_дв=F_тр, R = 10 мм.

M = F_дв·R = 21·0,01 = 0,21 Нм

Основные характеристики шагового двигателя 17HS4401S:

Удерживающий момент: 45Нсм

Крутящий момент: 2,65Нсм.

Момент инерции: 65Гсм2

Вес двигателя: 300 грамм.

Цвет: черный

Шаг угла: 1,8°

Длина двигателя: 40 мм

Диаметр вала: 5мм

Номинальный ток: 1,7А

Сопротивление: 1,5Ом

Индуктивность: 2,8Mh

Двигатель обеспечивает достаточный крутящий момент для передвижения стола. По оси OY расчет будет идентичным.

Рис. 6. Общий вид шагового двигателя размером фланца NEMA 17

Рис. 7. Схема двигателя 17HS4401S

3.3. Разработка 3D модели

Разработка 3D модели производилась в программе КОМПАС 3D. Модель проектируемого принтера построена по аналогии с прототипом - принтером Probot [4].

4. Разработка системы управления приводом

4.1 Разработка алгоритма управления перемещения стола и экструдера

4.1.1. Выставить экструдер в начальное положение:

Для начала печати следует выставить экструдер в положение, от которого принтер начнет печатать. Чтобы выставить в крайнее положение стола используются концевики.

Концевики могут быть механическими или оптическими. В данной работе используется оптические.

4.1.2. Определение крайнего положения стола.

Для того чтобы установить оптические датчики таким образом, чтобы в последующем работа принтера была автоматической, следует двигать стол и карету экструдера так, чтобы печатающая головка оказалась на крайнем левом углу стола. Высота головки над столом должна быть такой, чтобы между ними проходил лист бумаги.

Рис. 8. Высота головки над столом принтера

Следующим шагом будет установка датчиков, по трем осям: установить таким образом, чтобы концевики стола и кареток были строго между обкладками датчика. В дальнейшем печатающая головка, с помощью концевиков, будет автоматически определять крайнее положение.

4.1.3. Печать по слоям

С помощью программы Repetier – Host можно получить 3D модель, разделенный на слои по 0.2 мм – 0.5 мм, в зависимости от размера сопла. Соответственно каждый слой представляет собой 2D фигуру.

Для печати фигуры, требуется работа трех шаговых двигателей: два двигателя по двум осям, и один для подачи пластика. Дальнейшие действия довольно просты: управляя шаговыми двигателями – управляем столом и каретой экструдера, обеспечивая две степени свободы. Печатающая головка, с помощью подачи пластика, выдавливает расплавленный пластик. Таким образом, с помощью манипуляций двигателями, образуется фигура из одного слоя пластика. Далее, поднимается карета экструдера, на высоту слоя печати. И снова повторяется печать новой фигуры.

5. Разработка программы управления

Программное обеспечение обеспечивает стабильную работу принтера. Основными функциями данного принтера является:

Возможность автономной печати модели через SD карту

Возможность вывода информации на LCD дисплей

Возможность управления через встроенный энкодер

Поддержка прошивки через платформу Arduino IDE

Marlin – открытое программное обеспечение, охватывающий большинство 3D принтеров на рынке [6]. Это бесплатное программное обеспечение, разработанное на платформе Arduino IDE. Поддерживает платы на микроконтроллере Atmega 2650. Наиболее известные из них:

RAMPS v1.4 и выше

MKS BASE

MKS Gen L

Ultimaker и т.д.

5.1. Настройка Marlin под MKS Gen L

Для начала следует выбрать плату управления. Справа в углу, выбрать вкладку «board.h». Выбрать из списка плату BOARD_MKS_GEN_L и вставить во вкладке «Configuration.h» после текста MOTHERBOARD.

Рис. 9. Установка платы и температуры датчика

Установить количество экструдеров и диаметр пластика:

#define EXTRUDERS 1

#define DEFAULT_NOMINAL_FILAMENT_DIA 1.75

Выбрать тип термистора в списке. В данном случае применяется термистор 100 кОм. Используется датчик температуры на печатающей головке и столе. Подставить значение:

#define TEMP_SENSOR_0 1

#define TEMP_SENSOR_BED 1

Выбрать кинематику принтера. В данном случае кинематика принтера – Core XZ. Раскоментировать строку:

#defineCOREXZ

Раскоментировать строки выбора режима работы концевых выключателей.

#define USE_XMIN_PLUG

#define USE_YMIN_PLUG

#defineUSE_ZMIN_PLUG

Выбрать тип драйвера шагового двигателя. Вданномслучае A4988:

#define X_DRIVER_TYPE A4988

#define Y_DRIVER_TYPE A4988

#define Z_DRIVER_TYPE A4988

#define E0_DRIVER_TYPE A4988

Определение количества шагов на миллиметр – это наиболее важный параметр для принтера, так как они определяют насколько повернуть шаговый двигатель для сдвига на 1 мм. Это зависит от различных факторов, включая шаг ремня, количество зубов на шкиве, шаг резьбы винтовой оси, установки микро - шага, и стиль экструдера.

Один шаг двигателя – 1,8^о. Следовательно, для одного оборота двигателя требуется – 360/1,8 = 200 шагов. Предварительно с помощью перемычек на ножках драйвера установлен 1 поворот = 1/16 шага. Значит, для полного шага потребуется 200·16.

Рис. 10. Установка микрошагов для драйвера A4988

Рис. 11. Профиль ремня GT2

В качестве ремня используется ремень марки GT2. Расстояние между зубьями 2 мм. Количество зубьев на шкиве – 20. Следовательно, для определения количества шагов для сдвига стола или каретки будет:

Такое число шагов потребуется для перемещения на 1 мм по оси X, Y т.к. по этим осям используется одинаковые ременные передачи.

Для оси Z потребуется узнать шаг резьбы. В данном случае шаг резьбы равен: 1,25 мм. Тогда:

В качестве дисплея в данном случае используется RepRap LCD controller 1602. Поэтому для идентификации следует раскоментировать следующие строки:

#define LCD_LANGUAGE en

#define DISPLAY_CHARSET_HD44780 JAPANESE

#define SDSUPPORT

На этом базовая настройка прошивки Marlin закончен.

6. Технологический процесс сборки 3D принтера

6.1 Оценка конструкции на технологичность

Анализ изделия на технологичность конструкции необходим для того, чтобы определить возможность получения заготовок прогрессивными методами, выявить удобство изделия в эксплуатации и его технического обслуживания, повысить долговечность и обеспечить надежность в работе, сократить трудоемкость ремонтов, обеспечить транспортабельность и требования техники безопасности.

Анализируя технологичность сборки было установлено следующее:

Конструкция предусматривает возможность расчленение прибора на максимальное количество сборочных единиц, которую можно собирать, регулировать и проверять независимо друг от друга.

Все соединения резьбовые, что говорит о том, что в конструкции исключены неразъемные соединения.

Допускается неоднократную установку и съем.

Возможность замены изношенной детали или сборочной единицы без разборки всего механизма.

6.2 Инструкции по сборке 3D принтера

6.2.1. Сборка корпуса

Листы представляют собой стальной лист Сталь 10 толщиной 3 мм. Лицевой стороной основного листа является сторона поз 1. Далее устанавливается боковые листы поз. 2 в установленные пазы. Крепление осуществляется винтами М3х12 ГОСТ 11644-75.

Рис. 12. Листы корпуса

Рис. 13. Передний и задний лист

На задний лист поз. 5 устанавливается держатели поз. 6 для шагового двигателя. На передний лист поз. 3 устанавливается, предварительно собранный, натяжитель ремня поз. 4. Для устойчивости корпуса необходимо установить крепежные уголки поз. 7. Установить крепления по оси Z поз.8.

Рис. 14. Крепежные уголки

Рис. 15. Корпус 3D принтера

6.2.2.Сборка стола

Далее идет сборка кареток и стола. К предусмотренным пазам устанавливаются подшипники LM8uu, и фиксируются стяжками и пластинами поз 2. Стяжки на модели не отображаются. Устанавливается пластина на стойки PCSN-10 для крепления ремня.

Рис. 16. Сборка стола

Рис. 17. Общий вид сборки стола

Далее надеть гладкие оси на подшипники стола и вставить в пазы, предусмотренные на передней и задней стенке.

Рис. 18. Установка стопоров

Чтобы оси не передвигались по оси Y, устанавливают стопоры. Стопоры крепятся на винты M3x16. Установить на передний и задний лист.

6.2.3. Сборка правой кареты

Установить подшипники LM8uu поз 2. на предусмотренные пазы кареты поз. 1 на рис. 19.

Рис. 19. Установка подшипников

Зафиксировать подшипники поз.2 пластиковыми стяжками (на чертеже не указаны). Крепить винтами M3x12.

Рис. 20 – Сборка правой кареты

6.2.4. Сборка левой кареты

Установить подшипники LM8uu поз. 2 на предусмотренные пазы кареты поз. 1 на рис. 21. Зафиксировать подшипники пластиковыми стяжками. Крепить винтами M3x12.

Рис. 21. Установка подшипников

Рис. 22. Сборка левой кареты

Зафиксировать подшипник 608zz болтом М8x25.

6.2.5. Сборка кареты экструдера

Установить и скрепить подшипники LM8uu пластиковыми стяжками. Держатель для экструдера поз.1 и держатель концевика поз. 2 установить винтами М3х12. Вставить гладкие оси в левую карету поз. 3, надеть на подшипники кареты экструдера поз. 4, далее вставить свободные концы оси в правую карету поз. 5.

Рис. 23. Сборка кареты экструдера

Установить шаговые двигатели поз. 6, на держатели корпуса.

Рис. 24. Установка карет

Затем вставить оси поз. 7 в верхнее отверстие торцевой пластины, надеть на подшипники правой и левой кареты поз. 3 и поз. 5. Скрутить винтовую ось поз. 8 через гайки карет и установить на муфты шаговых двигателей.

Рис. 25. Установка шаговых двигателей

Ремень продеть через шаговый двигатель, далее продеть через подшипник. Концы скрепить стяжками на пластине снизу стола.

Установить на стойки PCSN – 15 LCD дисплей.

В процессе сборки требуется вольтметр, для регулировки драйверов шагового двигателя.

7. Практическая реализация проекта

На основании полученной конструкторской документации были произведены закупки комплектующих элементов и материалов. Произведена сборка и отладка принтера (рис. 26). Изготовлены первые детали (рис. 27).

Рис. 26. Собранный принтер

Рис.27. Модель из ABS пластика

Модель представленная на рис. 27 из ABS пластика, напечатана соплом диаметром 0,5 мм, без кожуха. Для моделей из ABS пластика рекомендуется кожух, т.к. данный вид пластика предпочитает постоянство температуры. Температура экструдера – 240 ^оС, стола – 75 ^оС.

Заключение

В ходе проделанной работы изучен принцип работы FDM 3D принтера. Рассмотрены типы и виды принтеров. В данной работе был рассмотрен FDM 3D принтер. Приведены сравнения данного типа принтеров. Разработана структурная схема 3D принтера, разработан корпус принтера. С помощью программного обеспечения КОМПАС – 3D создана 3D модель устройства. Проанализированы элементы и детали устройства. Приведена инструкция по сборке и инструкция по отладке программного обеспечения 3D принтера. Приведены рабочие чертежи деталей, и чертеж общего вида принтера и схема электрическая соединений. Выявлены недостатки конструкции изготовленного принтера и выработаны рекомендации по повышению качества изготавливаемых моделей.

Список литературы

3D – принтер FDM. (http://3dtoday.ru/wiki/FDM_printers/). Дата обращения 22.12.2018.

Виды 3D принтеров – классификация по кинематической схеме. (http://www.interface.ru/home.asp?artId=36745). Дата обращения 23.12.2018

Arduino Mega (http://arduino.ru/Hardware/ArduinoBoardMega2560). Дата обращения 23.12.2018.

P3Steel. (https://reprap.org/wiki/P3Steel). Дата обращения 23.12.2018.

3D принтеры. (https://www.3d-diy.ru). Дата обращения 23.12.2018.

Marlin Sofware. (marlinfw.org). Датаобращения 23.12.2018.

Гормаков А.Н. Технология приборостроения: Учебное пособие. – Томск: Изд. ТПУ, 1999. – 240 с.

ГОСТ Р 15.301.–2016. Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство. М.: ИПК Издательство стандартов, 2018 г.

ГОСТ 15.016-2016. Система разработки и постановки продукции на производство. Техническое задание. Требования к содержанию и оформлению. М.: ИПК Издательство стандартов, 2018 г.

Код для цитирования: Скопировать