VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2016

За последнее десятилетие цифровые технологии шагнули далеко вперед. То, что считается повседневным и обыденными, на самом деле это результат долгих, упорных исследований и экспериментов. Сегодня изготовления различных промышленных предметов или восстановление деталей стало возможно не только в заводских условиях, но и дома, благодаря трехмерной печати, которая активно входит в жизнь и становится неотъемлемой ее частью для многих пользователей. Не смотря на то, что 3D принтеры появились совсем недавно, в СМИ все чаще появляются сведения о разнообразии сфер их применения: техника, быт, получение композитных материалов, изготовление протезов и даже человеческих органов. Рассматривается возможность использования принципа 3D печати при изготовлении строительных конструкций и жилых домов [1].

3D принтер - это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. В зарубежной литературе данный тип устройств называется фаббером, а процесс трехмерной печати — быстрым прототипированием [2].

Данная технология имеет широкие перспективы развития и внедрения, т.к. обладают рядом преимуществ, по сравнению с традиционными методами создания различных деталей: наглядность - деталь гораздо проще воспринимать, когда она является трёхмерным объектом, а не представлена, например, на чертежах; скорость создания – наиболее ярко это проявляется при выполнении сложных деталей; отсутствие физическихусилий со стороны человека, т.к. его роль в этом процессе состоит в создании виртуального макета, при помощи какого-либо графического редактора, позволяющего создавать 3D-модели.

Трехмерная печать становится все более дешевой, доступной для большинства средних производственных компаний, и даже обычного пользователя. С помощью 3D-принтера можно в корокие сроки полностью разработать проект: создать макет и получить опытный образец, провести нужные испытания образца еще до изготовления готовой продукции, и даже применять по назначению, если он выполнен из пригодного материала. Использование 3D-печати для быстрого прототипирования существенно сокращает время и удешевляет процесс создания продуктов, а так же позволяет предотвращать ряд конструкционных проблем еще на стадии моделирования.

Сегодня, предлагаемые к продаже 3D принтеры по их потребительским качествам достаточно разнообразны: персональные, профессиональные, промышленные [3]. Основой для создания моделей на 3D принтерах могут являться разнообразные материалы: несколько видов пластика, гипс, воск, фотополимеры, металл и т.д. Сегодня производители активно создают для 3D принтеров новые компоненты и материалы, позволяющие получать все более реалистичные образцы.

Такое широкое поле применения трехмерной печати диктует необходимость знакомства студентов - будущих специалистов в области информатики, вычислительной техники и компьютерных технологий со спецификой и возможностями данной технологии. Что в свою очередь, требует создания лаборатории прототипирования, оснащенной достаточно мощным компьютером (графической станцией) и 3D принтером. Однако промышленные и серийные трехмерные принтеры достаточно дороги для студенческой лаборатории, где основными разработками, как показывает практика, являются курсовые и дипломные проекты, реализующие творческие идеи студентов. Исходя из этого, предметом данного исследования явилось создание недорогого 3D принтера для студенческой лаборатории быстрого прототипирования.

В рамках данного исследования было проанализировано достаточно большое количество литературных и интернет источников. Основными критериями выбора модели и комплектующих были: доступность приобретения элементной базы, невысокая цена элементной базы, достаточный уровень гарантии качества работы, доступность управляющих программ для прошивки микроконтроллера, возможность работы со свободно распространяемым программным обеспечением по 3D моделированию.

Выбранная к реализации модель относится к типу RepRap - семейство недорогих принтеров, которые можно собрать самостоятельно, из доступных материалов. Это устройство с «открытым кодом» - можно воспроизводить, или вносить свои изменения. За основу разработки была выбрана модель Prusa Mendel i2. Основной материал, который используется принтером для печати - PLA пластик, метод печати – экструзия (рис.1).

Рис.1.

Корпусную основу принтера составляют стальные шпильки и оси, которые крепятся с помощью пластиковых деталей и гаек. Боковые стороны образуют равносторонний треугольник со стороной 390 мм. Длина шпильки между боковыми сторонами - 320 мм. Для подачи пластика в головку, перемещения головки экструдера по направляющим и печатного столика по осям X, Y, Z в конструкцию принтера входят пять шаговых двигателей типа NEMA-17. Печатный столик, на котором происходит послойное формирование модели – нагреваемая поверхность MK2b Dual Power. Для контроля температурного режима стола использован термистор.

Одну из проблем проектирования 3D принтера составляет выбор управляющей электроники. В нашем проекте выбрана платформа Arduino Mega, т.к. это достаточно надежное устройство, имеет удобную поддержку, в том числе, и вне RepRap-community, отличается простотой в получении помощи, имеется большое количество дополнительной периферии. Для управления моторами в создаваемой конструкции использован контроллер RAMPS 1.4, который устанавливается на Arduino сверху, а на него, в свою очередь, закрепляются драйверы моторов, обслуживающие периферию. В конструкции использованы 4 драйвера, т.к. Z-моторы спарены, и обслуживаются одним драйвером (моторы, обеспечивающие вертикальное перемещение головки экструдера). В качестве блока питания в конструкции использован блок от компьютера, дающий напряжение 12 вольт и мощность примерно 300 ватт. Функциональная схема устройства представлена на рис.2.

Рис.2.

Для обеспечения работоспособности принтера использовано бесплатное ПО с открытым кодом: программное обеспечение ПК для прошивки Arduino; Sprinter – программное обеспечение, которое сформирует прошивку (firmware) для Arduino; Repetier Host – программа, для преобразования STL-файлов, в G-коды, которые понимает контроллер принтера. Несмотря на большое количество настроек Repetier Host имеет достаточно простой и понятный интерфейс.

Рис.3.

Для 3D моделирования используется программа OpenSCAD, предназначенная для программирования твердотельных САПР-моделей. Программа является кроссплатформенным программным продуктом. Представляет собой трехмерный компилятор, который читает файл сценария, описывающего объект, и строит трехмерную модель согласно этому сценарию. Это дает полный контроль над моделью и позволяет легко менять любой шаг в процессе моделирования или производства параметрических конструкций.

Рис.4.

Литература:

1. Эпоха 3D принтеров уже наступила. URL: http://3dprintage.com/ (дата обращения 19.04.2015)

2. 3D-принтер. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3D (дата обращения 19.04.2015)

3. Классификация 3D принтеров (7 технологий 3D печати) . URL: http://geektimes.ru/post/159931/ (дата обращения 21.04.2015)

Код для цитирования: Скопировать