Устройство 3d-принтеров с технологией fdm-печати

Введение

Использование 3D-печати дает возможность изготавливать объекты любой сложности по очень низкой себестоимости. Но есть один существенный недостаток — это медленный процесс. Например, при моделировании методом послойного направления (FFF/FDM) толщина слоя составляет от 0,1 до 0,4 мм, и для создания детали высотой 10 см аппарат напечатает от 250 до 1000 слоев. При учете, что скорость 3D-принтеров варьируется от 30 до 150 мм/сек, для получения небольшой модели средней сложности потребуется от трех до одиннадцати часов. Для печати более крупных объектов понадобится несколько дней, даже если 3D-принтер работает днем и ночью. И, в случае FDM-печати — чем выше будет скорость, тем больше будет страдать качество. Именно поэтому отдельные производители 3D-принтеров сконцентрировали усилия на увеличении скорости и разработали принципиально новые технологии ускоренной 3D-печати. Разберемся в них подробнее.

Настройка потока

Печатаем кубик 20мм на 20мм (скачать модель кубика) со следующими настройками:

Поток: 100%
Заполнение: 0%
Количество линий стенки: 1
Слои крышки: 0
Если включена «Чередующаяся стенка» или «Режим вазы» — выключить и то и другое.

Должно получиться в слайсере так:

Печатаем и приступаем к измерениям. Измеряем все стенки в нескольких местах. Скажем на каждой стенке провести по 3 измерения в разных ее местах. В итоге получим 12 значений, среди которых считаем среднее арифметическое.

Скажем, среднее арифметическое у нас получилось 0.44. Рассчитываем величину потока:

100% установленного потока * текущую толщину линии (печатаем соплом 0.4) / измеренную толщину. Получаем 100*0.4/0.44 = 90.9. Так же можно округлить до 91% и это значение вносим в настройки слайсера.

Далее печатаем кубик снова, что бы убедиться в верности новых настроек. Если результатом не довольны, провести калибровку еще раз.

От дверной ручки до дома

Для интерьера у CubicPrints заказывают бюсты, статуэтки, шары на новогоднюю елку и «какие-то непонятные фигуры математического вида» на рабочий стол. Впрочем, как и ювелиры, дизайнеры часто используют печать для создания прототипов, а не конечных продуктов, и заметных студий, которые, как Nervous System, построили бы свой бизнес на 3D-печати, пока не появилось.

«У нас был заказчик, который делал камины и заказывал элементы лепнины — вспоминает Татьяна. — Мы печатали их из полиамида. Думаю, что это использовалось для изготовления форм, но все-таки это уже признак времени, что каминщик, представитель традиционного ремесла, обращается к современным технологиям, чтобы сделать форму и отлить какой-то необычный вариант».

Татьяна добавляет, что к компании часто обращаются с архитектурными заказами. Масштаб — самый разный: от фотополимерной модели порта для Дальневосточного форума до гипсовой модели беседки, которую конкретный человек захотел сделать на даче.

Благодаря тому, что CubicPrints «живут» на «Флаконе», у заказчиков есть шанс сделать сложный заказ, который полностью выполнят здесь. Девушки рассказывают, что однажды выполняли заказ для ресторана — печатали ножки для фужеров. Отрезал ножку и вставлял новую стекольщик из мастерской по соседству.

В планах еще несколько коллабораций – мастер ко коже планирует печатать у CubicPrints формы для своего производства, а с соседней столярной мастерской обсуждают возможность создавать фурнитуру и даже модульную мебель. Уже напечатаны первые уголки-крепления для мебели из фанеры. Для их создания не нужны сложные технологии – справится и «домашний» принтер, а стоимость коннектора будет около 300 рублей.

— Делать такие шкафы очень просто, нужно просто купить фанеру и на домашнем принтере распечатать коннекторы. Наши соседи работали с Янсеном, когда он приезжал, так что ни могут посоветовать, как сделать мебель эргономичнее, как выстроить пространство. В Европе есть даже коннекторы, чтобы собирать мебель без гвоздей. Это можно использовать, например, для детских шкафчиков: дети быстро вырастают из мебели, а модульную можно быстро разобрать или достроить.

FS121M-E от Farsoon

Особенность данной модели заключается в том, что FS121M-E имеет узкую специализацию на предмет производства изделия для стоматологического применения. Основное отличие FS121M-E заключается в уменьшение конечной стоимости за счет использования F-theta линзы вместо системы динамической фокусировки, механический особенностей и ограниченный доступ к параметрам материалов, которые применяются в основном в исследованиях и разработках материалов. Вакуумная система фиксации рабочего стола позволяет максимально эффективно использовать всю зону построения для расположения и производства изделий. На одном рабочем столе можно разместить до 170 моделей коронок. Срок их печати — 6 часов.

Немаловажно отметить, что оборудование Farsoon имеет открытую архитектуру и может быть использовано с материалами сторонних производителей

Детализация: толщина стенок 0.3 мм;
Точность: не хуже, чем 0.05 (до 0.025-0.03) мм;
Материал: CoCrMoW;
Технология печати: SLS, SLM;
Площадь печати: 120 x 120 x 100 мм;
Толщина слоя: 0,02 – 0,08 мм;
Среднее потребление инертного газа (аргон/азот): 3 л/мин;
Габариты: 100 х 78 х 170 см.

Материалы для 3D-печати

Процесс подбора печатающих материалов для 3D-печати начался уже с момента создания принтера. Сегодня промышленность предлагает довольно большой выбор расходников. Перед тем как сделать 3Д-принтер, нужно уметь выбрать правильный тип материалов для печати:

Акрилонитрилбутадиенстирол (ABS) — популярный материал для первых трехмерных моделей. Он очень прочный, немного гибкий и может легко быть экструдирован, что делает его идеальным для этого типа печати. Недостатком ABS является то, что он требует более высокой температуры, чем, например, материал PLA. Для печати материалов ABS обычно используется температура 210-250 C.
Полимагнитная кислота (PLA) является еще одним распространенным материалом среди энтузиастов 3D-печати. Это биоразлагаемый термопласт, который получают из возобновляемых ресурсов. В результате PLA-материалы более экологичны среди других пластмасс. Еще одной особенностью PLA является его биосовместимость с человеческим телом, что нужно учитывать, перед тем, как сделать 3Д-принтер для использования в домашних условиях. Структура PLA сложнее, чем у АБС, и материал плавится при 180-220 С, что значительно ниже, чем у АБС.
ПВА-волокна (поливиниловый спирт) легко печатаются и используются для поддержки объекта во время процесса печати для моделей с выступами, которые обычным образом не могут быть напечатаны. Этот тип нити является отличным материалом для 3D-принтера с двойным экструдером. Он основан на поливиниловом спирте, поэтому обладает хорошими свойствами, основными из которых являются нетоксичность и способность к биологическому разложению после растворения в воде. Именно этот материал создает перспективу бизнеса на 3Д-принтере.

Пользователю необязательно печатать в 3D с пластиком. Теоретически можно печатать объекты с использованием любого расплавленного материала, который затвердевает достаточно быстро. В июле 2011 года исследователи из Университета Эксетера в Англии представили прототип пищевого принтера, который может печатать 3D-объекты с использованием расплавленного шоколада.

Изготовление рамы устройства

Отрезают линейные стержни по размеру, согласно чертежам. Например, средние стержни — 260 мм, а боковые стержни — длину 250 мм. Сдвигают боковые линейные стержни в блоки, они будут осью Y. Помещают линейный подшипник сверху каждого блока и отмечают, где должны проходить отверстия. Просверливают эти отверстия сверлом под винты, чтобы в дальнейшем удерживать подшипники. Отмечают отверстия в самой тонкой части блока и просверливают два отверстия диаметром 8 мм.

Помещают средние линейные стержни в эти отверстия — это и будет ось X. Поворачивают блок так, чтобы линейный подшипник был внизу. Укладывают два временных шкива в центр между монтажными отверстиями для линейного подшипника. Помещают винт через зубчатые шкивы, используя отвертку, чтобы зафиксировать их на корпусе. Эти блоки позволяют экструдеру для 3Д-принтера перемещаться вдоль оси Y. Это самый простой макет корпуса принтера. Можно сделать рамку из экструдированного алюминия с 8 отверстиями в ластовицах, что хорошо работает и обеспечивает жесткую и стабильную конструкцию.

Этот проект переработан для использования линейного рельса и соответствующего подшипника. В салазках имеются отверстия для крепления стандартных концевых выключателей для оси X и Y.

Отличия профессиональных моделей от устройств для домашнего использования

Прежде всего это:

точность печати — профессиональные 3D-принтеры соответствует заявленным характеристикам, позиционирование головки тщательным образом калибруется на заводе;
повторяемость — несколько десятков копий объекта, напечатанных на профессиональном устройстве, будут идентичны, 3D-принтер для дома не сможет обеспечить такую точность;
срок эксплуатации — профессиональные 3D-принтеры работают без серьезных поломок от 7 до 10 лет, проблемы с домашними моделями могут возникнуть уже после 1-2 лет активного использования;
материалы — профессиональные модели умеют работать с высокопрочными, термостойкими, прозрачными и другими материалами. Домашние модели обычно ограничены в сырье пластиковой нитью.

Где применяют 3D-печать

В основном в профессиональных сферах.

Строительство. На 3D-принтерах печатают стены из специальной цементной смеси и даже дома в несколько этажей. Например, Андрей Руденко еще в 2014 году напечатал на строительном принтере замок 3 × 5 метров. Такие 3D-принтеры могут построить двухэтажный дом за 20 часов.

Медицина. О печати органов мы уже упоминали, а еще 3D-принтеры активно используют в протезировании и стоматологии. Впечатляющие примеры — с помощью 3D-печати врачам удалось разделить сиамских близнецов, а кошке без четырех лап поставили протезы, которые напечатали на принтере.

Подробнее о 3D-принтинге в медицине можно узнать в статье издания 3D-Pulse.

Космос. С помощью трехмерной печати делают оборудование для ракет, космических станций. Еще технологию используют в космической биопечати и даже в работе луноходов. Например, российская компания 3D Bioprinting Solutions отправит в космос живые бактерии и клетки, которые вырастят на 3D-принтере. Создатель Amazon Джефф Безос презентовал прототип лунного модуля с напечатанным двигателем, а космический стартап Relativity Space строит фабрику 3D-печати ракет.

Авиация. 3D-детали печатают не только для космических аппаратов, но и для самолетов. Инженеры из лаборатории ВВС США изготавливают на 3D-принтере авиакомпоненты — например, элемент обшивки фюзеляжа — примерно за пять часов.

Архитектура и промышленный дизайн. На трехмерных принтерах печатают макеты домов, микрорайонов и поселков, включая инфраструктуру: дороги, деревья, магазины, освещение, транспорт. В качестве материала обычно используют недорогой гипсовый композит.

Одно из необычных решений — дизайн бетонных баррикад от американского дизайнера Джо Дюсе. После терактов с грузовыми автомобилями, которые врезались в толпу людей, он предложил макет прочных и функциональных заграждений в виде конструктора, которые можно напечатать на 3D-принтере.

Изготовить прототип помогла компания UrbaStyle, которая печатает бетонные формы на строительных 3D-принтерах

Образование. С помощью 3D-печати производят наглядные пособия для детских садов, школ и вузов. В некоторых московских школах с 2016 года есть трехмерные принтеры: на уроках химии дети разглядывают 3D-модели молекул и проводят реакции в напечатанных пробирках, на физике изучают электрическую цепь на 3D-прототипе токопроводящего стенда, а еще сами печатают себе ручки на уроках ИЗО.

Узнать больше о 3D-технологиях в школах можно на сайте «Ассоциации 3D-образования».

А еще 3D-печать помогает в быту, производстве одежды, украшений, картографии, изготовлении игрушек и дизайне упаковок.

Гибкость производства

Как уже упоминалось, аддитивное производство не требует подготовки оснастки и перепрофилирования производственных мощностей. Вся необходимая подготовка к изготовлению новой детали — это создание цифровой модели. И тут аддитивные технологии значительно превосходят литье и штамповку.

Ещё одно преимущество 3D-принтеров заключается в способности напечатать практически всё, что может поместиться в объеме его области печати. Другие же производственные процессы (кроме фрезерования) требуют изготовления нового инструмента, пресс-формы или матрицы для создания нового или изменения дизайна существующего продукта.

Фото: simplify3d.com

Одним из наиболее существенных недостатков 3Д принтеров является использование поддержек. Суть состоит в том, что 3D-принтер создаёт модель послойно, и в точках, где возможна деформация или есть смещение центра тяжести, необходимо использование поддержек, чтобы предотвратить опрокидывание или разрушение модели в процессе печати

В последующем необходимо произвести постобработку, осторожно удаляя лишний материал, а затем отшлифовать деталь, чтобы сгладить шероховатости. Есть и альтернативные решения, такие как поддержки из PVA

ПВА растворяется в теплой воде, поэтому удалить его можно погрузив модель в воду на ночь.

Фото: all3dp.com

Однако, для использования этого метода требуется принтер, который может печатать несколькими материалами одновременно, а PVA несколько дороже, чем обычные PLA или ABS пластики.

Фото: community.ultimaker.com

При 3D-печати по технологии SLS, когда принтер лазерным лучом спекает между собой частицы наносимого послойно порошка, обычно нейлонового или из другого полимера, поддержкой служит сам находящийся вокруг порошок, что позволяет не использовать конструкционные поддержки и печатать любое количество деталей во всем объеме камеры принтера.

Иллюстрация: Formlabs.com

Преимущества 3D-принтеров перед традиционными способами производства также ярко выражены и в возможности печати подвижных частей и механизмов в собранном состоянии. Это же утверждение справедливо и в отношении простоты производства деталей со скрытыми полостями и сложной структурой заполнения материалом.

Фото: pinterest.com

Скептики частенько указывают на такой недостаток технологии, как ограниченность в выборе материалов для производства. Данное утверждение справедливо, но на сегодняшний день уже существуют сотни различных материалов, с которыми могут работать 3D-печатники и этот перечень неуклонно расширяется. Ассортимент этих материалов не ограничивается лишь различиями в цвете или механических свойствах, существуют ароматизированные, магнитные, токопроводящие, изменяющие цвет и многие другие виды филаментов, порошков и фотополимеров для 3D-печати.

Фото: filamentguide.net

Как это работает

Общий принцип работы трехмерного принтера в теории прост и понятен. В программе для 3D-моделирования создается объект или его часть (крупные модели делят на несколько элементов). Затем файл отправляется для обработки специализированной программой (для формирования G-кода), после чего в дело вступает техника. G-код делит цифровую модель на сотни горизонтальных дорожек, задавая траекторию печатающей каретке. На основание слой за слоем наносится расплавленный материал, создавая вполне осязаемый объект.

Схематическое изображение 3D-принтера

Всего существует семь основных технологий, используемых для трехмерной печати, но большая их часть нашла применение только в промышленных целях. Для любительской «пластиковой печати» и малого бизнеса разработаны относительно компактные и недорогие аппараты.

Технология Fused Deposition Modeling (иначе FDM-принтеры) получила самое массовое распространение для трехмерного моделирования и кулинарии. Материал разогревается и подается на платформу через сопло печатающей головки. Объект «вырастает» на плоскости, а его размеры ограничены параметрами платформы.

Технология Polyjet разработана в 2000 году и сегодня принадлежит компании Stratasys. Создание трехмерных объектов производится посредством полимеризации фотополимера под действием УФ излучения. Фотополимер – дорогой и хрупкий пластик, потому в быту такие принтеры практически не используют, но благодаря точной детализации моделирования аппараты применяют в медицине и промышленности (для создания прототипов).

Все о том, как работают современные принтеры для трехмерной «пластиковой печати» можно узнать из тематического видео, например, этого. Также в них часто демонстрируют, как аппарат работает с различными материалами для изготовления объекта.

Стоимость производства

Здесь дела принимают интересный оборот. Как обсуждалось в предыдущем разделе, 3D-печать требует гораздо меньше времени для изготовления одного уникального компонента или прототипа, либо малых опытных серий, а для массового выпуска продукции чаще применяются традиционные технологии производства.

Стоимость производства единичных и мелкосерийных изделий 3D-печатью также превосходит традиционные методы, такие как литье и штамповка, т.к. не требует дорогой оснастки (литьевых и штамповочных форм) и переоборудования производственной линии.

Фото: 3dprinterchat.com

При уже налаженном крупносерийном выпуске тут то же, что со скоростью — себестоимость детали приближается к стоимости сырья и 3D-печать тут пока не может конкурировать, но стремительно приближается к этому.

В сравнении с изготовлением на фрезерных станках с ЧПУ, 3D-печать выигрывает по стоимости уже сейчас.

Фото: plastoco.fi

Для успешного ведения предпринимательской деятельности очень важен такой фактор, как точка безубыточности. Это показатель производства и реализации продукции, при котором расходы перекрываются доходами, а выпуск всех последующих экземпляров того же изделия начинает приносить прибыль.

Компания Xometry провела сравнение SLS-печати и литья под давлением. Выяснилось, что в некоторых случаях вторая технология может быть более экономически выгодной уже после изготовления первых 150 экземпляров одной и той же тестовой детали. Но прототипы для нее, мастер-модели, все равно выгоднее и проще всего печатать на 3D-принтере, так что аддитив тут никуда не девается.

Фото: xometry.com

Калибровка 3D принтера. Оси X,Y и Z.

Март 14th, 2013 Sam

Следующий этап после калибровки экструдера — это калибровка осей. Единственное, что понадобится — внести изменения в прошивку. Итак, приступим. Открываем в IDE Arduino прошивку Marlin и находим в файле configuration.h следующую строчку:

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT   {78.7402,78.7402,200*8/3,760*1.1}

Числа могут быть другие (здесь указаны значения по умолчанию).

строчка в прошивке с переменнымиX-step,Y-step,Z-step,E-step

Напомню формат этой переменной — в скобках указаны числа в порядке X-step,Y-step,Z-step,E-step.

Самое простое — калибровка оси Z. В переменную Z-step надо записать количество шагов двигателя, необходимое для перемещения на 1мм. Берем количество шагов двигателя на полный оборот — 3200 шагов (стандартный двигатель Nema 17 с шагом 1,8 градуса в режиме 1/16 микрошага делает 3200 микрошагов на полный оборот). Если вы решили использовать двигатель в режиме полных шагов, то получится всего 200 шагов на полный оборот.

калибровка оси Z

Далее надо выяснить величину перемещения по оси Z за полный оборот винта, например, я в своем принтере в качестве оси Z использовал шпильку M6 и шаг резьбы у нее ровно 1 мм, значит мне надо записать число 3200. Для шпильки M8 шаг будет 1,25 мм и соответственно количество шагов на 1мм будет равно 3200/1.25=2560.

Далее переходим к калибровке осей X и Y.

калибровка оси X и Y

Здесь все немного сложнее. Т.к. у меня на обеих осях используется одинаковый ремень и одинаковые шкивы, то расчеты будут абсолютно одинаковые. Если у вас стоят разные ремни и разные шкивы, то для каждой оси вам придется делать разные расчеты (как правило, на ремнях указывается их маркировка, по которой можно определить тип шаг зубцов)

Формула простая до безобразия:

XYstep_per_mm=3200/(belt_step*pulley_teeth)

3200 -количество шагов двигателя на полный оборотbelt_step — шаг ремня в мм (т.е. расстояние между зубьями ремня)pulley_teeth — количество зубьев на шкиве

Вот поэтому я рекомендую доставать метрические ремни — с ними проще расчеты и проще калибровка.

Вот что получилось у меня:
ремень T5 — шаг между зубьями 5мм
шкив — 8 зубьев
итого XYstep_per_mm = 3200/(5мм*8)=80

В итоге у меня строчка с данными о шагах выглядит следующим образом:

#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {80,80,3200,504}

Просто и красиво

В случае, если у вас неизвестный ремень, то рекомендую следующее:
Приклейте на стол миллиметровку (бумагу с миллиметровой сеткой), к экструдеру прикрепите иголку.

В Pronterface наберите G0 X100, иголка должна переместиться на 100мм. Если она переместится на другое расстояние, то нужное количество шагов на 1 мм вычисляется просто:

new_X_step= X_step*100мм/(пройденное расстояние в мм)

Аналогично для оси Y.

Дерзайте!

Рубрика 3D принтер

Где можно купить строительный 3D принтер и сколько он стоит

За строительной трехмерной печатью, без сомнений, будущее. Но пока эти технологии совершенствуются, и пройдет ещё лет 10, прежде чем подобные машины появятся во всех строительных организациях или станут доступны частным застройщикам. Строительный 3 D принтер можно купить в том же Екатеринбурге у «Спецавиа». Строительный 3D принтер, который печатает дом, имеет цену в 4.6 миллиона рублей. Согласитесь, для строительства одного частного дома дороговато. Но для небольшой строительной компании – вполне разумная цена.

На сегодняшний день возможности 3D принтера в основном используются для изготовления декоративных элементов и небольших объектов по дизайнерским разработкам

Точные 3D-копии человека

Пожалуй, одна из самых привлекательных идей в 3D-печати, но далеко не самая бюджетная, — это печать трехмерных фигурок людей, созданных в соответствии с внешностью живого человека. Обычно длина таких 3D-копий составляет от 15 до 50 сантиметров, а возможности современного оборудования позволяют в точности передавать строение лица и тела, детали одежды, а также мелкие элементы — татуировки, родинки и так далее.

Для печати 3D-копий людей потребуется высокоточный сканер, с помощью которого сканируется внешность человека и создается макет. Также сегодня существуют сервисы, которые позволяют создавать фигурки по фотографии и без личного присутствия человека. Сами же фигурки делаются обычно из гипсополимера или фотополимера.

Трехмерные фигурки людей пользуются особенным спросом во время свадебных торжеств (копии молодоженов), в рекламе и в нише сувениров. Также подобные фигурки заказывают, чтобы запечатлеть беременных или детей. Стоит учитывать, что на 100% точные копии людям порой не нужны. Нередко заказчики просят уменьшить своим фигуркам размер талии, либо добавить какой-то элемент украшения, например, надеть на лицо маску или нарядить статуэтку в костюм супергероя.

Управление процессом печати

Как правило, пользователю нужно произвести ряд настроек непосредственно перед началом печати.

Подключение оборудования к ПК осуществляется через USB-кабель.
Калибровка перемещения сопла относительно платформы.
Настройка и управление нагревом платформы и сопла-дозатора.
Мониторинг соотношения температур.
Управление процессом печати (экструдером) – настройка скорости подачи материала, замена бобин пластика.

Контроль над печатью осуществляется через ПК. Для создания объекта от идеи до результата пользователю необходимы специальные программы для трехмерного моделирования и управления аппаратом.

Перед запуском печати оператор калибрует принтер, настраивая его относительно стола-платформы. Базовая прошивка принтера представляет собой ряд настроек по умолчанию, а пользователь производит более точные настройки, в зависимости от используемого материала. Так, для создания объемных элементов на основе ABS или PLA задается разная температура плавления. В процессе печати, оператор через ПО следит за работой. Весь процесс создания модели может занимать от нескольких часов до суток, здесь ключевым фактором является точность исполнения: точные объекты с детальной прорисовкой производятся дольше, чем более грубые.

Вывод

Для обычных материалов, таких как PLA или ABS, можно легко использовать латунные сопла, и наиболее распространены сопла диаметром от 0,4 до 0,6 мм.

Для абразивных материалов, содержащих волокна, такие как углеродное волокно и т.д., следует использовать сопла из закаленной стали диаметром более 0,4 мм, чтобы избежать засорения сопла.

Да, не существует, пока еще, идеального, во всех отношениях, сопла. Основное различие сопел заключается в их диаметре и материале, из которого они сделаны. Теперь, вы без особого труда сможете выбрать, подходящие вашим запросам, сопла для печати 3D-моделей.