Збірка домашнього 3D-принтера своїми руками: рекомендації з особистого досвіду

3D-друк і складання 3D-принтерів — моє хобі і захоплення. Тут я не буду ділитися детальними схемами і кресленнями, їх більш ніж достатньо на профільних ресурсах. Головна мета цього матеріалу — розповісти, з чого почати, куди копати і як уникнути помилок у процесі складання домашнього 3D-принтера. Можливо, хто-небудь з читачів надихнутися на прикладні інженерні звершення.

Навіщо потрібен 3D-принтер? Сценарії використання

Вперше з ідеєю 3D-друку я зіткнувся в далеких 90-х, коли дивився серіал Star Trek. Пам'ятаю, як мене вразив момент, коли герої культового серіалу друкували необхідні їм під час подорожі речі прямо на борту свого зорельота. Друкували вони все що завгодно: від взуття до інструментів. Я думав, що було б здорово коли-небудь теж мати таку штуку. Тоді це здавалося чимось неймовірним. За вікном — похмурі 90-е, а «нокіа» з монохромним екраном була вершиною прогресу, доступною лише обраним.

Роки йшли, все змінювалося. Приблизно з 2010 у продажу почали з'являтися перші робочі моделі 3D-принтерів. Вчорашня фантастика стала реальністю. Однак вартість таких рішень, м'яко кажучи, обескураживала. Але IT-індустрія не була б собою без допитливого ком'юніті, де відбувається активний обмін знаннями та досвідом і яким тільки дай покопатися в мізках і потрухах нових залозок і ПО. Так, креслення і схеми принтерів стали все частіше з'являтися в Мережі. Сьогодні найбільш змістовним і об'ємним ресурсом по темі складання 3D-принтерів є RepRap — це величезна база знань, яка містить детальні гайди по створенню різних моделей цих машин.

Перший принтер я зібрав близько п'яти років тому. Моя особиста мотивація зібрати власний пристрій досить прозаїчна і заснована на кількох факторах. По-перше, з'явилася можливість спробувати реалізувати стару мрію мати власний пристрій, навіяну фантастичним серіалом. Другий фактор — іноді потрібно було відремонтувати якісь домашні речі (наприклад, дитячу коляску, елементи автомобіля, побутову техніку та інші дрібниці), а потрібних деталей знайти не вдавалося. Ну і третій аспект — «околорабочий». На принтері я виготовляю корпуси для різних IoT-пристроїв, які збираю будинку.

Погодьтеся, краще розмістити свій пристрій на основі Raspberry Pi або Arduino в естетично приємне «кузові», який не соромно поставити у квартирі або взяти в офіс, ніж організовувати компоненти, наприклад, у пластиковому судочки для їжі. І так, можна друкувати деталі для складання інших принтерів :)

Сценаріїв застосування 3D-принтерів величезна безліч. Думаю, кожен зможе знайти щось своє.

Складна деталь з точки зору креслення, яку я друкував на своєму принтері. Так, це просто фігурка, але вона має безліч дрібних елементів

Готове рішення vs своя збірка

Коли технологія обкатана, її вартість на ринку помітно знижується. Те ж відбулося і в світі 3D-принтерів. Якщо раніше готове рішення було просто захмарних грошей, то сьогодні обзавестися такою машиною — справа більш гуманне для гаманця, але тим не менш не найдоступніше для ентузіаста. На ринку є ряд вже зібраних і готових до домашнього використання рішень, їх ціновий діапазон коливається від $500-700 (не найкращі варіанти) і до безкінечності (адекватні рішення стартують з цінника близько $1000). Так, є варіанти і за $150, але на них ми, по зрозумілим, сподіваюся, причин, зупинятися не будемо.

Якщо коротко, розглядати готову збірку варто в трьох випадках:

коли ви плануєте друкувати зовсім не багато і рідко;
коли точність друку відіграє критичну роль;
вам потрібно друкувати форми для серійного виготовлення деталей.

Очевидних плюсів у власноручного складання кілька. Перший і найголовніший — вартість. Покупка всіх необхідних компонентів обійдеться вам максимум пару сотень доларів. Натомість ви отримаєте повноцінне рішення для 3D-друку з прийнятною для побутових потреб якістю вироблених продуктів. Друга перевага полягає в тому, що, збираючи принтер власноруч, ви розберетеся з принципами його пристрою і роботи. Повірте, ці знання знадобляться вам в процесі експлуатації дорогого готового рішення — будь-3D-принтер необхідно регулярно обслуговувати, і робити це без розуміння основ може виявитися скрутним.

Основний мінус збірки — необхідність великої кількості часу. На свою першу збірку я витратив близько 150 годин.

Що потрібно, щоб зібрати принтер самому

Найголовніше тут — наявність бажання. Що стосується якихось особливих навичок, то, за великим рахунком, щоб зібрати свій перший принтер, вміння паяти або писати код не критично. Звичайно, розуміння основ радіоелектроніки та базові вміння в галузі механіки (тобто «прямі руки») істотно спростять і скоротять кількість часу, який потрібно приділити збірці.

Також для старту нам знадобиться обов'язковий набір деталей:

Екструдер — елемент, який безпосередньо відповідає за друк, друкарська головка. На ринку є безліч варіантів, але для бюджетної збірки я рекомендую модель MK8. З мінусів: не вийде друкувати пластиками, які вимагають високої температури, є помітний перегрів під час інтенсивної роботи, який може вивести елемент з ладу. Якщо бюджет дозволяє, то можна подивитися на MK10 — там всі мінуси враховані.
Процесорна плата. Добре підійде знайома багатьом Arduino Mega. Я не помітив мінусів у цього рішення, але можна витратити на кілька доларів більше і придбати щось більш потужне, з доробком на майбутнє.
Плата управління. Я використовую RAMPS 1.4, яка чудово працює у зв'язці з Arduino Mega. Більш дорогий, але більш надійна плата — Shield, яка вже поєднує в собі процесорну плату і плату управління. В сучасних реаліях рекомендую звернути увагу саме на неї. В доважок до неї потрібно придбати мінімум 5 микрошаговых контролерів крокових двигунів, наприклад — А4988. І краще мати пару таких в запасі для заміни.
Стіл з підігрівом. Це частина, на якій буде перебувати друкований елемент. Підігрів необхідний через те, що більшість пластиків не будуть триматися на холодній поверхні. Наприклад, для друку PLA пластиком необхідна температура поверхні столу становить 60-80°C, для ABS — 110-130°C, а для полікарбонату вона буде ще вище
У виборі столу теж є два варіанти — дешевший і дорожчий. Дешеві варіанти, по суті, являють собою друковані плати з прокладеної розігрівається проводкою. Для експлуатації на стіл такого типу потрібно класти боросилікатне скло, яке буде дряпатися і тріскатися в процесі експлуатації. Тому краще рішення — стіл з алюмінію.
Крокові двигуни. Для більшості моделей, включаючи i2 і i3, використовуються двигуни типового розміру NEMA 17: два для осі Z і по одному для осей X і Y. Готові екструдери зазвичай йдуть зі своїм кроковим двигуном в комплекті. Двигуни краще брати потужні з струмом в обмотці двигуна від 1А і більше, щоб потужності вистачило для підйому екструдера і друку без пропуску кроків на високій швидкості.
Базовий комплект пластикових кріплень.
Ремінь і шестерні для його приводу.

Приклади зовнішнього вигляду елементів: 1) екструдер MK8; 2) процесорна плата Arduino; 3) плата управління RAMPS; 4) контролери двигунів; 5) алюмінієвий стіл з підігрівом; 6) кроковий двигун NEMA 17; 7) набір пластикових кріплень; 8) шестерні приводу; 9) ремінь приводу

Це перелік необхідних для купівлі елементів. Хардкорні користувачі можуть збирати деякі з них власноруч, але новачкам я настійно рекомендую придбати вже готові рішення.

Так, ще буде потрібна різна дрібнота (шпильки, підшипники, гайки, болти, шайби...) для збірки корпусу. На практиці виявилося, що використання стандартної шпильки м8 призводить до низької точності друку на осі Z. Я б порекомендував відразу замінити її на трапецієподібну того ж розміру.

Трапецієвидна шпилька м8 для осі Z, використання якої заощадить вам купу часу і нервів. Доступна для замовлення на всіх великих онлайн-майданчиках

Також необхідно придбати адаптовані пластикові деталі для осі X, наприклад, ці з комплекту модифікації MendelMax.

Більшість деталей доступно в найближчому будівельному магазині. На RepRap можна знайти повний список потрібних дрібниць з усіма розмірами та схемами. Потрібний вам комплект буде залежати від вибору платформи (про платформах поговоримо далі).

Що скільки коштує

Перш ніж заглибитися в деякі аспекти складання, давайте розберемося, у скільки ж обійдеться така розвага для вашого гаманця. Нижче — перелік необхідних для купівлі деталей з усередненою ціною.

Деталь	Кількість, од.	Средяя вартість, USD
Екструдер МК8	1	17
Екструдер МК10	1	45
Стіл з підігрівом	1	11
Плата Arduino	1	10
Плата RAMPS 1.4 з драйверами	1	10
Двигун NEMA 17	4	7
END-стопи (кінцевики)	3	1
Набір пластикових кріплень	1	30
Приводний ремінь G2	2	1
Шестерні для валів двигунів	2	1
Шпильки м8	2	10
Шестерні для валів двигунів	2	1
Котушка пластику для друку	1	12
	Разом з МК8	135
	Разом з МК10	163

У таблиці представлені приблизні ціни основних компонентів. Також не забудьте про гайках, шайбах, підшипниках. Ці дрібниці можуть потягнути ще на $20-30.

Вибір платформи

Для складання принтерів спільнота вже розробило ряд різних платформ — найбільш оптимальних конструкцій корпусу і розташування основних елементів, тому винаходити велосипед вам не доведеться.

Ключовими платформами для корпусів самотужки зібраних принтерів є i2 і i3. Також існує безліч їх модифікацій з різними поліпшеннями, але початківцям слід розглядати саме ці дві класичні платформи, так як вони не вимагають особливих навичок і тонкої настройки.

Власне, ілюстрація платформ: 1) платформа i2; 2) платформа i3

З плюсів i2: вона має більш надійною і стійкою конструкцією, хоча трохи складніше в збірці; ширші можливості для подальшої кастомізації.

Варіант i3 вимагає більше спеціальних пластикових деталей, які потрібно докуповувати окремо, і має низьку швидкість друку. Однак більш простий в збірці і обслуговуванні, має більш естетично приємний зовнішній вигляд. За простоту доведеться платити якістю друкованих деталей — корпус має меншу, ніж i2, стійкість, що може впливати на точність друку.

Особисто я починав свої досліди в збірці принтерів з платформи i2. Про неї і піде мова далі.

Етапи складання, складності та поліпшення

В даному блоці я торкнуся тільки ключові етапи складання на прикладі платформи i2. Повні покрокові інструкції можна знайти тут .

Загальна схема всіх основних компонентів виглядає приблизно так. Чогось особливо складного тут немає:

Також я рекомендую додати в вашу конструкцію дисплей. Так, без цього елемента можна легко обійтися, виконуючи операції на ПК, але так працювати з принтером буде набагато зручніше.

Розуміючи, як будуть пов'язані всі компоненти, переходимо до механічної частини, де у нас є два основних елементи — рама і координатний верстат.

Збираємо раму

Детальна інструкція по збірці рами доступна на RepRap . З важливих нюансів — вам буде потрібно набір пластикових деталей (про це я вже говорив вище, але краще повторюся), який ви можете або придбати окремо, або попросити надрукувати товаришів, у яких вже є 3D-принтер.

Каркас i2 є досить стійким завдяки формі трапеції.

Ось так виглядає каркас з уже частково встановленими деталями. Для більшої жорсткості я зміцнив конструкцію листами фанери

Координатний верстат

На цю деталь кріпиться екструдер. За її рух відповідають крокові двигуни, відображені на схемі вище. Після установки необхідна калібрування по всім основним осям.

З важливого — вам потрібно буде придбати (або ж самостійно виготовити) каретку для пересування екструдера і кріплення для приводного ременя. Приводний ремінь я рекомендую GT2.

Каретка, надрукована принтером з попередньої картинки, після завершення його складання. На деталь вже встановлені підшипники LM8UU під направляючі і кріплення для ременя (зверху)

Калібрування і налаштування

Отже, ми зробили процес складання (як і казав, у мене він зайняв 150 годин) — каркас зібраний, верстат встановлений. Тепер ще один важливий крок — калібрування цього самого верстата і екструдера. Тут теж є маленькі тонкощі.

Налаштовуємо верстат

Я рекомендую проводити калібрування верстата за допомогою електронного штангенциркуля. Не поскупіться на його придбання — ви заощадите багато часу і нервів у процесі.

На скріні нижче відображені правильні константи для прошивки Marlin, які треба підібрати, щоб встановити коректне кількість кроків на одиницю виміру. Вважаємо коефіцієнт, перемножуємо, підставляємо в прошивку, після чого заливаємо її на плату.

Константи для прошивки Marlin

Для якісної калібрування я рекомендую у вимірах спиратися на цифри побільше — брати не 1-1,5 см, а близько 10. Так похибка буде більш помітною, і виправити її стане простіше.

Калібруючи екструдер

Коли зібраний каркас, верстат відкалібрований, ми приступаємо до налаштування екструдера. Тут теж не все так просто. Основне завдання цієї операції — правильно відрегулювати подачу пластику.

Якщо подача недостатня, то надрукований тестовий предмет буде з помітними пробілами, як тестовий 1 кубик. І навпаки, результат буде виглядати роздутим при надмірній подачі пластику (кубик 2)

Приступаємо до друку

Нам залишається запустити який-небудь CAD або завантажити вже готові .stl, які описують структуру друкованого матеріалу. Далі цю структуру, необхідно перетворити набір команд, зрозумілих нашому принтера. Для цього я використовую програму Slicer. Її теж потрібно коректно налаштувати — вказати температуру, розмір сопла екструдера. Після цього дані можна надсилати на принтер.

Інтерфейс Slicer

В якості сировини для друку я рекомендую почати з звичайного ABS-пластика — він досить міцний, вироби з нього довговічні, а для роботи з ним не потрібно високих температур. Для комфортної друку ABS-пластиком стіл потрібно розігріти до температури 110-130 °С, а сопло екструдера — у межах 230-260 °С.

Трохи важливих дрібниць. Перед друком відкалібруйте верстат по осі Z. Сопло екструдера повинна знаходитися приблизно в половині міліметри від столу і їздити вздовж нього без перекосів. Для такої калібрування найкраще підійде звичайний аркуш паперу формату А4, вставлений між соплом і поверхнею столу з підігрівом. Якщо лист можна рухати з незначним зусиллям, калібрування виконана правильно.

Ще один момент, про який не варто забувати — обробка поверхні столу з підігрівом. Зазвичай перед друком поверхню столу покривають чимось, до чого добре пристає розігрітий пластик. Для ABS-пластику це може бути, наприклад, каптоновий скотч. Мінусом скотча є необхідність його переклеювати через кілька циклів друку. Крім цього, доведеться буквально віддирати від нього пристали деталь. Все це, повірте, забирає багато часу. Тому, якщо є можливість уникнути цієї метушні, краще її уникнути.

Альтернативний варіант, який я використовую замість скотчу — нанесення декількох шарів звичайного світлого пива з подальшим нагріванням столу до 80-100 °С до повного висихання поверхні і повторного нанесення 7-12 шарів. Наносити рідину необхідно за допомогою ганчірки, змоченої напоєм. З переваг такого рішення: ABS-пластик самостійно відокремлюється від столу при охолодженні приблизно до 50 °С і знімається без зусиль, стіл не доведеться віддраювати, а однієї пляшки пива вам вистачить на кілька місяців (якщо використовувати напій тільки в технічних цілях :)).

Після того як ми всі зібрали і налаштували, можна приступати до друку. Якщо у вас є РК-екран, то файл можна передати на друк за допомогою звичайної SD-карти.

Перші результати можуть мати нерівності і інші артефакти — не турбуйтеся, це нормальний процес «притирання» елементів принтера, який закінчиться через кілька циклів друку.

Висновки

Упевнений, у процесі складання ви зіткнетеся з рядом труднощів, властивих саме вашого проекту. Від цього не застрахує ні текст, ні навіть самі докладні гайди.

Як я і написав у вступній частині, викладене не претендує на статус детального мануала по збірці. Описати всі-всі етапи і їх тонкощі практично неможливо в рамках одного такого тексту. Насамперед, це оглядовий матеріал, який допоможе вам підготуватися до процесу складання (як в думках, так і матеріально), зрозуміти, потрібно особисто вам морочитися самосбором — або ж махнути на все рукою і купити готове рішення.

Для мене збірка принтерів стала захоплюючим хобі, яке допомагає закривати деякі питання в домашніх і робочих справах, відволіктися від програмування і зробити щось цікаве своїми руками. Для моїх дітей — розвагою і можливістю отримати незвичайні і унікальні іграшки. До речі, якщо у вас є діти, яким вік дозволяє возитися з подібними штуками, таке заняття може стати гарною підмогою для входу в світ механіки і технологій.

Для кожного вектори використання 3D-принтерів будуть різними і дуже індивідуальними. Але, якщо вже ви вирішили присвятити особистий час такого захоплення, повірте, обов'язково знайдете, що друкувати :)

Буду радий відповісти на коментарі, зауваження та запитання.

Що почитати/подивитися

Опубліковано: 26/11/19 @ 11:00
Розділ Різне

SEO Блог