Устройство и технические характеристики 3D принтера

PAGE \* MERGEFORMAT3

Государственное бюджетное образовательное учреждение

среднего профессионального образования Ленинградской области

«Подпорожский политехнический техникум»

ЗАЧЕТНАЯ РАБОТА

по дисциплине «Технические средства информатизации»

специальность 230111 «Компьютерные сети»

на тему: Устройство и технические характеристики 3D принтера.

Выполнил: студент группы 307 Янченко В.Е

Проверила: преподаватель Дюжова И.В

Подпорожье

2014

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 3

1.ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ 5

2.КАК УСТРОЕН 3D ПРИНТЕР 7

2.1 Картезианский робот 7

2.2 Экструдер 8

2.3 Поверхность печати (платформа) 10

2.4 Линейный двигатель 11

2.5 Фиксаторы 12

2.6 Рама 13

3.МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ 14

4.PRINTBOX3D-ЛУЧШАЯ 3D ПЕЧАТЬ 19

5. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ PRINTBOX3D ONE 20

6. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ 21

6.1 Минимальные системные требования 21

6.2 Установка программного обеспечения 22

7. ЗАГРУЗКА ПРЕДУСТАНОВОК СЛАЙСЕРА В REPITIER-HOST 32

8. КАЛИБРОВКА ПЛАТФОРМЫ В REPITIER-HOST 35

9. ЗАГРУЗКА И ВЫГРУЗКА ПЛАСТИКА 40

9.1 Загрузка пластика в Repetier-Host 43

9.2 Выгрузка пластика в Repetier-Host 47

10. НАЧАЛО ПЕЧАТИ В REPITIER-HOST 48

11. РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМ 52

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 54

ССЫЛКИ 55

ВВЕДЕНИЕ

3D - технологии прочно вошли в нашу жизнь. 3D-мониторы, телевизоры, экраны, особые очки и прочие устройства. Но сейчас пойдет речь совершенно не о визуализации, а о еще наиболее старенькой технологии, но притом наиболее настоящей - 3D печати. Перенести текст либо картину с экрана монитора на тонкий лист бумаги сейчас уже не составляет труда - делается это чрезвычайно стремительно, реализуется просто, а употребляется везде - принтер и сканер справляются с этими задачками на ура. Но что делать, если вдруг нужно перенести деталь либо модель в большой и ощутимый макет? Выпиливать его вручную, соблюдая все размеры и пропорции, при всем этом затрачивая львиную долю времени, средств и ресурсов? Печать 3D как раз и предназначена для того, чтобы решить такие трудности и позволить человеку не только лишь распечатывать информацию в плоскости, но и создавать ощутимые трехмерные модели и макеты. 3D принтер - устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D модели. Именно такое устройство будет описано в данной работе. 3D - принтер, как и обычный принтер подключается к ПК и при помощи специальной программы создаёт заданные объекты.

3D-принтер — это специализированный высокоточный станок с ЧПУ (числовым программным управлением). И как утверждают инженеры, в самом изготовлении предметов с помощью станочного оборудования нет ничего необычного, автоматические технологии изготовления предметов давно и успешно используются в массовом производстве примерно с середины прошлого столетия. Фантастический же ореол вокруг 3D-печати возник, по всей видимости, потому, что применяемые для нее устройства в процессе изготовления предмета, не стачивают по старинке «лишние» части заготовок, а воссоздают необходимый предмет «с нуля». В основе работы 3D-принтера лежит технология аддитивной печати, позволяющая получать нужные объекты методом наращивания слоев рабочего материала. Современный 3D-принтер — результат эволюции устройства под названием стереолитограф, разработанного Чарльзом Халлом в 1984-м году.

Пока 3D-принтеры не используются в серийном производстве деталей и предметов, поскольку безнадежно проигрывают любому из станков с ЧПУ в ситуации, когда важнее не уникальность, а скорость изготовления и низкая цена конечного продукта. Ведь традиционные методы производства разрабатывались, совершенствовались и развивались в условиях необходимости получения дешевой «поточной» продукции.

Основными целями данной работы являются:

1. Изучение технологий 3D печати. Нужно узнать о таких технологиях как засвечивание, плавление, ламинирование, лепка, склеивание; как они работают и какие материалы используют.

2. Изучение основных компонентов и принцип работы простейшего 3D принтера, построенного на основе картезианского робота.

3. Какие материалы используются для 3D печати.

4. Мониторинг первого Российского 3D принтера второго поколения PrintBox3D One (прилагается видеоролик к этому принтеру)

5. Как начать пользоваться PrintBox3D One.

6. Устройство и технические характеристики PrintBox3D One

7. Установка программного обеспечения Repetier-Host и настройка.

8. Настройка PrintBox3D One и исправление возможных неисправностей.

1. ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ

По аналогии с устройствами для традиционной печати, существующие на данный момент 3D-принтеры можно разделить на две категории – лазерные и струйные. В свою очередь, лазерная 3D-печать может осуществляться по одной из трех технологий:

- засвечивание – ультрафиолетовый лазер или лампа засвечивает жидкий фотополимер, в результате чего он затвердевает и обретает нужную форму. Перед использованием созданной таким способом детали ее необходимо промыть, чтобы избавиться от остатков жидкости;

- плавление – измельченный легкоплавкий пластик поддается воздействию лазерного луча для выплавки детали нужной формы, после чего лишний порошок просто стряхивается;

- ламинирование – данная технология по своей сути напоминает процесс приготовления вафель. Слои рабочего материала накладываются друг на друга, постепенно формируя объемную деталь, при этом каждый вырезанный лазером слой имеет уникальную форму.

Технологий же струйной 3D-печати существует две:

- лепка – при помощи печатающей головки осуществляется дозирование разогретого термопластика, капли которого на воздухе склеиваются между собой и мгновенно застывают;

- склеивание – в качестве рабочего материала, как и в случае технологии лазерного плавления, выступает порошкообразный пластик. Вот только при струйной печати отдельные крупицы объединяются между собой с помощью клея, подающегося через печатающую головку. При этом в клей зачастую подмешивают краситель, что позволяет печатать детали разных цветов.

Технологии 3D-печати: засвечивание (1), плавление (2), ламинирование (3), лепка (4) и склеивание (5)

3D-печать начинается с подготовки чертежа (3D-модели), который можно загрузить из Интернета (зачастую в формате STL), нарисовать самому в САПР-приложении или создать с помощью 3D-сканера, оцифровав практически любой реально существующий объект.

ПО для 3D принтера

2. КАК УСТРОЕН 3D ПРИНТЕР

Практически все персональные 3D-принтеры используют один и тот же подход к процессу 3D-печати. Детали могут различаться, но в основном, строение и принцип работы одни и те же. Давайте рассмотрим принцип работы 3D-принтера более подробно на основании примера с рисунка ниже.

3D принтер построенный по принципу Картезианского робота

2.1 Картезианский робот

Основная идея 3D-принтера – такая же, как и у картезианского робота. Это машина, которая может двигаться линейно в трех измерениях – по осям X, Y и Z, так же известные как картезианские координаты. Чтобы это делать, 3D-принтеры имеют небольшие шаговые двигатели, которые могут двигаться с высокими точностью и аккуратностью – обычно на 1,8 градуса на шаг. Эти “трехмерные” роботы управляются контроллером, как и любая другая автоматизированная система, и тем самым имеется возможность перемещать печатающую головку, выдавливающую расплавленный пластик, создавая деталь слой за слоем. Многие 3D-принтеры используют ремни ГРМ и ролики по осям Х и Y для обеспечения быстрого, но точного перемещения. Также многие используют стержень с резьбой или особые винты по оси Z для еще более точного позиционирования.

Хотя все это и может звучать сложно, на самом деле это совсем не так, и многие 3D-принтеры содержат в себе стандартные элементы, которые используются в большом количестве других отраслей и устройств. Благодаря большим количествам открытых технологий, разработчики могли делиться друг с другом, что облегчало процесс создания и обмена знаниями.

2.2 Экструдер

Имея возможность точного позиционирования, нам нужен экструдер, который мог бы «выдавливать» тонкие нити термопластика – пластика, который переходит в полужидкую форму при нагревании. Экструдер, самая сложная часть 3D-принтера, которая до сих пор постоянно улучшается и дорабатывается, на самом деле состоит из двух элементов – привод самой нити и термальная головка.

Экструдер 3D принтера MakerBot Replicator

Привод нити выталкивает пластиковую нить, которая зачастую скручена в катушку, и имеет диаметр 1,75 или 3 мм, с помощью редукторного механизма. Большинство, если уже не все, современные проводы используют шаговый механизм для лучшего контроля подачи нити к термальной головке. Эти приводы обычно работают с помощью редукторов, чтобы придать системе подачи пластика необходимую для выдавливания нити силу.

Нить после подачи приводом в экструдер дальше переходит в термальную головку (иногда называется термальной камерой). Головка обычно термально изолирована от остальных частей экструдера и изготавливается из куска алюминия со встроенным нагревателем или каким-то другим источником тепла. Обязательно имеется датчик температуры для контроля нагрева. Когда пластик достигает термальной головки, он уже разогрет до температуры 170-220 градусов Цельсия в зависимости от типа пластика. Уже находясь в полужидком состоянии, пластик выдавливается из печатающей головки, диаметр отверстия которой обычно находится в диапазоне от 0,35 до 0,5 мм.

2.3 Поверхность печати (платформа)

Поверхность печати – это рабочая поверхность, на которой и готовятся 3D-детали. Размер рабочей поверхности варьируется в зависимости от модели принтера, и обычно находится в диапазоне от 100 до 200 квадратных миллиметров. Большинство, если не все, производители 3D-принтеров предлагают подогреваемую платформу – уже в комплекте либо как дополнительную опцию. В крайнем случае, крайне просто сделать подогреваемую платформу самому из подручного материала. Задача платформы – не допустить разрывов или трещин модели, а также обеспечить надежное сцепление между первыми слоями печатаемой детали и рабочей поверхностью.

3D принтер MakerBot Replicator

Поверхность платформы обычно производится из стекла или алюминия для лучшего распределения тепла по рабочей платформе для обеспечения гладкой и ровной поверхности. Стекло дает более ровную поверхность, в то время как алюминий лучше распределяет тепло в случае подогреваемой платформы. Чтобы предотвратить от того случая, когда печатаемая модель слетает во время процесса создания, поверхность часто покрывается какой-либо клейкой поверхностью или пленкой, и создается поверхность, которую будет недорого менять в случае необходимости. Такие материалы часто состоят из каптоны или полиимидной ленты, пэта или полиэстерной кремниевой ленты, все зависит от типа пластика.

2.4 Линейный двигатель

Тип линейного двигателя (привода), который используется на конкретном 3D-принтере, во многом определяет то, насколько точно будет печатать устройство, насколько быстро, а также насколько часто и много надо будет обслуживать 3D-принтер.

Линейный двигатель 3D принтера

Многие 3D-принтеры используют гладкие, точные стержни для каждой оси, а также пластиковые или бронзовые шариковые подшипники для движения по каждому стержню. Линейные шариковые подшипники снискали большую популярность за счет за счет своей долговечности и более качественной работы, однако они часто более шумные, чем бронзовые, которые, однако, сложнее откалибровать на момент сборки. Лучший выбор линейного привода для 3D-принтера зависит от Ваших предпочтений так же, как и выбор личного автомобиля. Можно использовать втулки, распечатанные на 3D-принтере, как это показано на рисунке выше, но это будет не очень долговечное решение. Изготовленные стандартным способом пластиковые втулки очень хорошо и гладко работают, но имеют тенденцию к деформации после длительного объема работы. С другой стороны, качество предвидения также зависит от качества и гладкости рельс, по которым они передвигаются. С разными результатами были опробованы и более экзотические материалы, такие как войлок.

2.5 Фиксаторы

Диапазон движения линейных приводов обычно ограничен механическим или оптическим фиксатором. Грубо говоря, это просто ограничители, которые подают принтеру сигнал, что он подошел к краю рабочей поверхности, чтобы предотвратить выход за рамки платформы.

Хотя наличие фиксаторов и не является обязательным в работе 3D-принтеров, наличие его позволит делать принтеру калибровку положения перед началом каждого процесса печати, что позволит сделать печать более аккуратной и точной.

2.6 Рама

То, что держит все выше описанные элементы вместе, называется рамой. Форма рам, а также материал, из которого она изготовлена, очень сильно влияют на точность и качество печати. Во многих 3D-принтерах используются резьбовые стержни и другие материалы в конструкции рамы. Также многие принтеры используются созданные лазерной резкой фанерные листы для создания рамы. акая система базируется на принципе слотов, когда одна часть имеет слот для соединения с другой частью, и вместе они соединяются болтами и гайками. Такую раму обычно проще собрать, и она является более точной для калибровки принтера, однако обычно такая конструкция более шумная, а также со временем крепежные элементы придется подкручивать. В общем, резьбовые стержни делают аппарат более тихим, однако усложняют процесс сборки и калибровки.

В общем, выше описаны основная структура и принцип работы 3D-принтеры. Для примера мы взяли самые простые 3D-принтеры.

3D принтер Print Box

3. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ 3D ПЕЧАТИ

1) ABC-пластик

Это один из лучших расходных материалов для 3D печати. Такой пластик не имеет запаха, не токсичен, ударопрочен и эластичен. Температура плавления АВС-пластика составляет от 240оС до 248оС. Он поступает в розничную продажу в виде порошка или тонких пластиковых нитей, намотанных на бобины. 3D модели из АВС-пластика долговечны, но не переносят прямой солнечный свет. С помощью такого пластика можно получить только непрозрачные модели.

2) Гипс

В современной 3D печати широко применяются гипсовые материалы. Модели, изготовленные из гипса, недолговечны, но имеют очень низкую себестоимость. Такие модели идеально подходят для изготовления объектов, предназначенных для презентаций. Их можно показывать в качестве образца заказчикам и клиентам, они отлично передадут форму, структуру и размер оригинального изделия. Так как гипсовые модели отличаются высокой термостойкостью, их используют в качестве образцов для литья.

3) Деревянное волокно

Изобретатель Кай Парти разработал специальное деревянное волокно для 3D печати. Волокно состоит из дерева и полимера и по своим свойствам похоже на полиактид (PLA). Комбинированный материал позволяет получить долговечные и твёрдые модели, которые внешне выглядят как деревянные изделия и имеют запах свежеспиленного дерева. В настоящее время инновационный материал используется только в самореплицирующихся принтерах RepRap.

3D модель, напечатанная деревянным волокном

4) Металлический порошок

Ни один пластик не сможет заменить металл с его приятным мягким блеском и высокой прочностью. Поэтому в 3D печати очень часто используется порошок из лёгких и драгоценных металлов: меди, алюминия, их сплавов, а также золота и серебра. Однако металлические модели не обладают достаточной химической стойкостью и имеют высокую теплопроводность, поэтому в металлический порошок для печати добавляют стекловолоконные и керамические вкрапления.

5) Нейлон

Печать нейлоном имеет много общего с печатью АВС-пластиком. Исключениями являются более высокая температура печати (около 320оС), высокая способность впитывать воду, более продолжительный период застывания, необходимость откачки воздуха из экструдера из-за токсичности компонентов нейлона. Нейлон – это достаточно скользкий материал, для его применения следует оснастить экструдер шипами. Несмотря на перечисленные недостатки, нейлон с успехом используют в 3D печати, так как детали из данного материала получаются не такими жёсткими, как из АВС-пластика, и для них можно использовать шарниры скольжения.

6) Поликапролактон (PCL)

Поликапролактон близок по свойствам к биоразлагаемым полиэфирам. Это один из самых популярных расходных материалов для 3D печати. Он имеет низкую температуру плавления, быстро затвердевает, обеспечивает прекрасные механические свойства готовых изделий, легко разлагается в человеческом организме и безвреден для человека. Кроме того, он может применяться сразу в нескольких технологиях 3D печати: SLS, ZCorp и FDM.

7) Поликарбонат (PC)

Поликарбонат – это твёрдый пластик, который способен сохранять свои физические свойства в условиях экстремально высоких и экстремально низких температур. Обладает высокой светонепроницаемостью, имеет высокую температуру плавления, удобен для экструзионной обработки. При этом его синтез сопряжён с рядом трудностей и экологически не безвреден. Используется для печати сверхпрочных моделей в нескольких технологиях 3D печати: SLS, LOM и FDM.

8) Полилактид (PLA)

Полилактид – это самый биологически совместимый и экологически чистый материал для 3D принтеров. Он изготавливается из остатков биомассы, силоса сахарной свёклы или кукурузы. Имея массу положительных свойств, полилактид имеет два существенных недостатка. Во-первых, изготовленные из него модели недолговечны и постепенно разлагаются под действием тепла и света. Во-вторых, стоимость производства полилактида очень высока, а значит и стоимость моделей будет значительно выше аналогичных моделей, изготовленных из других материалов. Используется в технологиях 3D печати: SLS и FDM.

9) Полипропилен (PP)

Полипропилен – это самая лёгкая из всех ныне существующих пластических масс. По сравнению с полиэтиленом низкого давления хуже плавится и лучше противостоит истиранию. При этом уязвим к активному кислороду и деформируется при отрицательных температурах.

10) Полиэтилен низкого давления (HDPE)

Это самый распространённый вид пластмассы в мире, из которого изготавливают ПЭТ-бутылки, канистры, трубы, плёнки, пакеты и т.д. В 3D печати полиэтилен низкого давления является непревзойдённым лидером. Данный материал может быть использован в любой технологии 3D печати.

4. PRINTBOX3D ONE - ЛУЧШАЯ 3D ПЕЧАТЬ

PrintBox3D One работает по технологии FDM (Fused deposition modeling – метод послойного наплавления или экструзия пластика): модель изготавливается нанесением тонких слоев расплавленного материала друг на друга. В качестве сырья может быть использован один из типов пластиков: ABS, PLA, PVA1 и ряд других. Благодаря использованию различных пластиков можно получить довольно широкий диапазон моделей, обладающих разными физико-химическими свойствами: прочные, гибкие, светящиеся, безвредные для здоровья, растворимые в воде и со многими другими физическими и химическими свойствами. Перечисленные пластики практичны: их можно резать, сверлить, шлифовать, окрашивать, склеивать, подвергать химической обработке. Благодаря регулярному появлению на рынке новых типов пластиковых нитей для 3D-принтеров технические и творческие возможности использования 3D-принтеров стремительно увеличиваются

3D принтер PrintBox3D One – это новейшая разработка 3D принтера по технологии FDM. И это первый профессиональный настольный 3D принтер, разработанный и сделанный в России. В нем решены все вопросы надежности и точности, запас ресурса работы и удобства обслуживания, то – чего не хватало принтерам прошлых поколений. По сути PrintBox3D – это первый в мире принтер 2-го поколения.

При его разработке были задействованы лучшие российские инженеры по ЧПУ станкам, металлообработке, электронике и робототехнике. В результате мы смогли улучшить все основные показатели работы (стабильность работы, скорость, точность, надежность, долговечность).

Более подробную и постоянно обновляемую информацию о поддерживаемых типах пластиков можно найти на сайте www.printbox3d.ru.

5. ОСНОВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ PRINTBOX3D ONE

6. ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

Для работы с 3D принтером PrintBox3D One в комплекте поставляется программа Repetier-Host. Программа Repetier-Host используется как основная для работы с PrintBox3D One благодаря максимальным возможностям настройки всех параметров печати. Следуя рекомендациям и внимательно изучив руководство, можно уверенно использовать Repetier-Host для печати объектов любой сложности. В инструкции подробно рассматривается основные функции Repetier-Host, и для удобства на поставляемом в комплекте PrintBox3D One USB-носителе имеется видеоурок по работе с этой программой.

Обратите внимание! PrintBox3D One работает на открытом программном обеспечении, поэтому вы можете использовать любую удобную вам программу, поддерживающую 3D-принтеры, работающие на открытом программном обеспечении. Однако именно программа Repetier-Host в комплекте PrintBox3D One является программным обеспечением, проверенным на корреектность командой PrintBox3D One.

Преимущество программы Repetier-Host в том, что она менее требовательна к ресурсам компьютера по сравнению с аналогичными программами для 3D-печати. Следовательно, работа программного обеспечения и, главное, генерация алгоритма для вывода моделей на печать происходит быстрее.

Программа Repetier-Host совместима со всеми современными операционными системами: Microsoft Windows, MacOS X, Linux.

6.1 Минимальные системные требования:

Процессор с частотой не менее 2 ГГц (рекомендуется процессор Intel i7);
Оперативная память объемом не менее 4 Гб. Генерация больших моделей с высоким разрешением может потребовать дополнительный объем памяти (Рекомендуется 8 Гб);
64-хразрядная операционная система;
Один свободный порт USB.

6.2 Установка программного обеспечения

1) Установка драйверов для платы 3D-принтера

Для работы с 3D-принтером PrintBox3D One нужно установить необходимый набор программного обеспечения: драйвер платы 3D-принтера и программу для выведения трёхмерных моделей на печать. Для печати чаще всего используются модели в формате stl1. Перед установкой программ необходимо установить драйвер для работы с платой 3D-принтера Arduino Mega 2560. Драйвер можно найти на прилагаемом к PrintBox3D One USB-носителе в папке «Драйверы» или на официальном сайте разработчика http://arduino.cc/en/Main/Software. Установка этих драйверов стандартна, но имеет две особенности:

При появлении окна «Arduino Setup: Installation Options» нужно выбрать все пункты.

Окно «Arduino Setup: Installation Options»

В окне «Безопасность Windows» выбрать «Установить»

После окончания установки драйверов для платы можно приступать к установке программ для работы с принтером. Обратите внимание! Если в операционных системах Windows 7 или Windows 8 драйвер не устанавливается или устанавливается некорректно (например, компьютер после установки не распознает принтер), для этого отключите обязательную проверку цифровой подписи драйверов.

2) Установка и настройка Repetier-Host

Открываем установочный файл и нажимаем далее.

Установка Repetier-Host 0.90C

Выбираем папку и нажимаем далее:

Установка Repetier-Host 0.90C

Еще раз далее:

Установка Repetier-Host 0.90C

Ждем пока распаковываются установочные файлы:

Установка Repetier-Host 0.90C

Принимаем лицензионное соглашение и жмем далее:

Установка Repetier-Host 0.90C

Все, установка завершилась:

Установка Repetier-Host 0.90C

Обратите особое внимание! При установке программы проверьте имя пользователя системы – оно должно быть написано латинскими символами. В противном случае программа будет установлена, но её модуль, формирующий алгоритм для вывода 3D-модели на печать (слайсер), работать не будет, так как не сможет правильно интерпретировать путь к файлу настроек. В этом случае при нажатии на кнопку настройки слайсера (смотрите приложение 1 к инструкции, раздел «Настройка слайсера для Repetier-Host») в информационном окне Repetier-Host отобразится соответствующее сообщение например:

Если вы увидели такое сообщение, вам необходимо в Microsoft Windows создать отдельный профиль пользователя с латинским названием и, войдя в систему через него, установить Repetier-Host заново. Проверив подключение PrintBox3D One к сети переменного тока и компьютеру, нажмите кнопку включения принтера на его задней панели.

Запустите Repetier-Host:

Рабочий стол программы Repetier-Host 0.90C

Нажмите в программе красную кнопку «Подсоединить» на верхней панели управления.

Верхняя панель управления

При первом подключении принтера отобразится окно:

Нажмите «Да».

Откроется окно с настройками принтера. Окно настроек принтера также можно открыть нажатием кнопки «Настройки принтера» в основной панели инструментов:

Основная панель инструментов

В отобразившемся окне настроек принтера нажмите «Refresh Ports» и в раскрывающемся списке выберите порт, отличный от того, который был установлен по умолчанию и по которому выдавалась ошибка. В большинстве случаев это порт COM4: