Устройство 3D-принтера

3D-принтер – это устройство, которое способно выводить трехмерные данные. Другими словами, такой принтер способен создавать объемные фигуры, причем из самых разных материалов. Крючок для полотенца, компрессор для газовой турбины, чехол для смартфона – все это можно напечатать.

FDM относится к технологиям аддитивного производства. Термин «аддитивный» является англицизмом от слова «additive», означающим «добавка» или «за счет добавления». Термин предназначен для обособления технологий производства сложных трехмерных изделий, отличающихся от привычных «субтрактивных» («subtractive» - «за счет отделения») методов – фрезерования, сверления, шлифования и пр.

3D-принтер состоит из корпуса (1), закрепленных на нем направляющих (2), по которым перемещается печатающая головка (фидер+экструдер) (3) с помощью шаговых двигателей (4), рабочего стола (5), на котором печатается изделие; и всё это управляется электроникой (6).

Handmade

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.

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.

Report abuse