Из чего состоит и как работает 3D-принтер для персонального использования

| MBOT 3D

Хотите собрать своими руками 3D-принтер из отдельных комплектующих? Это не так сложно, как кажется на первый взгляд. Практически все персональные 3D-принтеры используют один и тот же подход к 3D-печати, различаясь в деталях. Их конструкция выглядит предельно просто: 4 или 5 шаговых моторов, экструдер с нагревателем и датчиком температуры, платформа с подогревом, три концевых датчика на нулевой отметке осей. Более сложные принтеры могут иметь второй экструдер с нагревателем и датчиком температуры, вентилятор для охлаждения головки, концевые датчики на максимальных отметках осей.

Конструкция Prusa DIY kit

Подключить исполнительные механизмы и датчики напрямую к компьютеру невозможно, поэтому используется промежуточное звено – управляющий контроллер, для которого необходимо из математической 3D-модели подготовить специальный G-код – несложный набор команд, с помощью которых определяется последовательность действий принтера. Определенные типы контроллеров имеют собственный картридер со слотом под SD-карту памяти, непосредственно с которой и могут считываться G-коды. В этом случае компьютер не требуется, а для управления 3D-принтером хватает нескольких кнопок и LCD-дисплея. Управляющие контроллеры чаще всего создаются под среду разработки Arduino IDE.

Управляющий контроллер для 3D printer

Перемещение печатающей головки (экструдера) происходит в трех плоскостях – по осям X, Y и Z, для чего используются шаговые двигатели с обычной точностью 1,8° на шаг. Вспомогательными элементами являются ремни ГРМ и ролики по осям Х и Y. Зачастую применяются металлические стержни с резьбой или особые винты для точного позиционирования по оси Z. Управляемый контроллером 3D-принтер перемещает печатающую головку, выдавливающий расплавленный пластик, тем самым наплавляя модель слой за слоем.

Шаговые двигатели NEMA 17

NEMA 17 - это условное обозначение типоразмера стандартного посадочного места для различных шаговых двигателей, которое имеет размеры 1.7x1.7 дюйма (43.2x43.2 мм). Меньший типоразмер обозначается как NEMA 14 (1.4x1.4 дюйма или 35.6x35.6 мм).

Шаговые двигатели NEMA 17

Шаговые двигатели могут иметь три режима работы: полношаговый, полушаговый и микрошаговый. Во время полношагового режима шаговый двигатель проворачивает свою ось на 360 градусов, совершая 200 шагов, во время полушагового - 400, а в микрошаговом режиме каждый шаг делится еще на 4, 8 или 16 частей. Управление двигателем в микрошаговом режиме настолько сложное, что для него используются специальные контроллеры шаговых двигателей. Шаговые двигатели бывают рассчитаны на 4, 8 и 12 В.

специальные контроллеры шаговых двигателей

Экструдер

Функцию равномерного распределения по рабочей поверхности пластика и других материалов выполняет экструдер, который плавит и подает через сопло термопластик (ABS или PLA) на поверхность стола. Являясь самой сложной частью 3D-принтера, экструдер состоит из привода подачи пластика и термоголовки.

Экструдер выполняет функцию равномерного распределения по рабочей поверхности пластика в 3D printer

Привод экструдера с помощью редукторного механизма выталкивает нить пластика диаметром 1,75 или 3 мм. В большинстве современных приводов используется шаговый двигатель для лучшего контроля подачи нити к термоголовке. Нить подается в алюминиевую термоголовку со встроенным нагревателем, где разогревается до температуры 170-260 °С, в зависимости от типа пластика, и переходя в полужидкое состояние, выдавливается из печатающей головки, диаметр отверстия которой обычно располагается в диапазоне от 0,35 до 0,5 мм.

Поверхность для печати

Рабочая поверхность, на которой формируются 3D-детали, называется столом или платформой. Её размеры варьируются в зависимости от модели принтера и обычно располагаются в диапазоне от 150 до 200 мм2. Большинство производителей 3D-принтеров предлагают подогреваемую платформу уже в комплекте, либо как дополнительную опцию. Всегда есть возможность самому сделать подогреваемую платформу из подручного материала. Задача платформы – не допустить разрывов или трещин модели, а также обеспечить надежное сцепление между первыми слоями печатаемой детали и рабочей поверхностью.

Рабочая поверхность, на которой формируются 3D-детали

Верхняя часть платформы изготавливается из стекла или алюминия для лучшего распределения тепла по всей площади и обеспечения гладкой и ровной поверхности. Стекло дает более ровную поверхность, в то время как алюминий лучше распределяет тепло в случае подогрева. Чтобы предотвратить отрыв модели во время печати, поверхность платформы часто покрывается какой-либо липкой массой или пленкой. Такие материалы часто состоят из каптона или полиамидной ленты, в зависимости от типа пластика.

Линейный двигатель

Используемый привод (линейный мотор) во многом определяет точность и скорость печати, а также периодичность обслуживания 3D-принтера. Обычно используются гладкие, высокоточные металлические стержни для каждой оси, а также пластиковые или бронзовые шарикоподшипники для перемещения по каждому стержню. Линейные шарикоподшипники обеспечивают более долговечную и качественную работу, однако они более шумные, чем бронзовые, которые, в свою очередь, сложнее откалибровать на момент сборки.

Линейный двигатель  для 3D-принтера

Концевые датчики

Диапазон движения линейных приводов обычно ограничивается механическими или оптическими фиксаторами – простейшими концевыми датчиками (EndStop), которые сигнализируют о приближении головки принтера к краю рабочей поверхности, чтобы предотвратить выход ее за рамки платформы. Фиксаторы также используются для определения начала координат (0,0,0) по всем трем осям.

Концевые датчики

Строго говоря, наличие фиксаторов не является обязательным в работе 3D-принтеров, но их наличие позволяет калибровать принтер перед началом печати, что делает печать более точной и аккуратной. Концевые датчики бывают двух видов: нажимные и оптические. Оптические являются более точными, но для упрощения (например, по X-Y осям) можно воспользоваться и нажимными.

Рама принтера

То, что соединяет все описанные выше элементы в единое целое, называется рамой. Форма рамы, и особенно материал, из которого она изготовлена, довольно сильно влияют на точность и качество печати. Конструкция рамы, основанная на принципе слотов, когда пластиковые или даже фанерные листы, нарезанные лазером, соединяются гребнями в пазы, а потом скручиваются болтами и гайками, сильно упрощает сборку 3D-принтера и является более точной для калибровки, однако не способствует подавлению шумов, а крепежные элементы со временем приходится подкручивать. Если же рама содержит металлические стержни с резьбой, то аппарат получается более тихим, однако усложняется процесс сборки и калибровки.

Рама принтера

Если вы всё же предпочтете приобрести уже готовый 3D-принтер, то обратите внимание на модели, популярные в данный момент на рынке:

Кроме того, посетив наши магазины в Москве и Санкт-Петербурге, вы сможете даже потрогать некоторые из них своими руками.

Сравнение позиций

  • ()