Пару лет назад появилось желание приобрести 3D-принтер. Перечитывая различные форумы (roboforum..ru и другие) постепенно пришёл к мысли, что хочу сделать свой принтер. Существующие принтеры не нравились по различным причинам, да и хотелось самому пройти по пути («граблям») принтеростроения. Учитывая, что основную информацию об этом пути почерпнул на выше упомянутых сайтах, считаю необходимым поделится здесь результатом полученных знаний и их воплощением. Может кто посмотрев на конструкцию моего принтера подкинет интересные идеи, заметит «косяки» (которые желательно мне устранить) или использует что-то для себя.
Исходно, что я хотел:
- FDM-технология,
- закрытый корпус,
- наличие вытяжной вентиляции,
- размер области печати 250-300 мм по всем осям,
- подогреваемый стол на 220В,
- ШВП и рельсовые направляющие,
- декартовая кинематика,
- один, два экструдера,
- боуден, директ подача 1,75 мм филамента,
- простота смены экструдера,
- автоуровень стола,
- возможность использования для мелкого сверления,
- катушки с пластиком - внутри корпуса,
- подсветка рабочей области печати,
- простота обслуживания и модернизации,
- максимальная электро и пажаробезопасность.
Проектирование конструкции выполнялось в приложении FreeCAD (а заодно и учился им пользоваться).
При разработке конструкции мне приходилось учитывать то, что изготовить 3D-принтер я могу только используя - дрель, болгарку, заклёпочник, напильники, отвёртки и паяльник. Место сборки - комната в жилой квартире. Радовало то, что не требовалось максимально удешевить конструкцию.
Следовательно, надо было использовать по максимуму готовые элементы или их изготавливать на заказ (желательно по минимуму).
Заказные элементы (которые продавец заранее нарезал мне на нужные размеры):
- конструкционный алюминиевый профиль,
- листы монолитного прозрачного 4мм поликарбоната,
- ремни (ширина – 15 mm), шкивы и ролики для профиля GT2.
Остальные нестандартные элементы конструкции изготавливались мной из готовых изделий при помощи дрели, болгарки и напильника (а как же без него).
В настоящее время принтер ещё полностью не закончен. Осталось (из крупного) сделать: крепления катушек внутри корпуса, кабель-органайзеры.
Кому интересно, приведу некоторые характеристики и функционал получившегося 3D-принтера:
1. Габаритные размеры (X x Y x Z) мм: 800 х 565 х 1040;
2. Кинематическая схема принтера следующая:
- экструдеры перемещаются по осям X и Y (по три рельсовые направляющие и один двигатель на ось, на средней рельсе две каретки),
- платформа стола перемещается по оси Z (четыре ШВП винта, один двигатель, четыре рельсовых направляющих (две надо открутить, но лень да и не мешают работе они)).
3. Рабочий объем принтера (X x Y x Z) для:
- 1-го экструдера – 300 x 290 х 250 мм;
- 2-х экструдеров – 200 x 290 х 250 мм;
- 1-го экструдера и привода установленного на печатающей платформе (планируется) – 250 x 250 х 200 мм (для FLEX-подобных пластиков).
4. Точность принтера (без учёта: тепловых расширений):
- практическая, механическая точность позиционирования (измеренная по рисунку авторучки на листе бумаги) перемещения по осям X и Y – не хуже 0,2 мм,
- практическая, механическая точность (с программной корректировкой) угла между осями X и Y – не хуже 90±0,1,
- практическая, механическая точность позиционирования (измеренная по часовому индикатору) перемещения по оси Z – не хуже 0,02 мм,
- планируемая повторяемость геометрических параметров идентичных изделий – не хуже 0,3 мм.
5. Тест скоростных пределов перемещения для оси Х(Y) составил не более 350 мм/сек. При исходных параметрах a = 3000 мм/с2, Jerk = 20.0 мм/с, перемещение - 300(250) мм, ток 1.8 А, микрошаг 1/32).
6. Тест скоростных пределов перемещения стола, ось Z (a = 20 мм/с2, Jerk = 0.4 мм/с, перемещение - 150 мм, ток 1.4 А, микрошаг 1/16, погрешность возврата 0,02 мм). На пустом столе и с грузом 5 кг, пройдены значения скорости 1 - 6 мм/с, на 7 мм/с - начался пропуск шагов и резонанс на подъёме стола.
7. Подогреваемый стол:
- максимальная рабочая температура стола – 110-130 С (макс температура нагревательного коврика 260 С);
- номинальная тепловая мощность – 800 Вт;
- напряжение – 220 В;
- подключение – через твердотельное реле;
- размер нагревателя: 350 х 350 мм.
8. Слои стола сверху в низ:
8.1. Поверхность для печати (толщина 4 мм): зеркало - 350 х 358 мм.
8.2. Распределитель тепла и каркас для регулировки стола: алюминиевый лист толщиной 5 мм.
8.3. Нагреватель (толщина 3-5 мм) на силиконовой основе.
8.4. Теплоизолятор (общая толщина 40 мм):
- листовой базальтовый картон (используется для каминов и печей, толщина 10 мм, 2 шт.),
- силиконовый коврик для выпечки (толщина 2 мм),
- стекломагнезитовая плита (толщина 10 мм),
8.5. Пункты 2-4 собраны в сборную конструкцию на основе алюминиевого уголка 40х40х1.8мм.
9. Результаты температурных испытаний:
9.1. Установленный на рабочий стол термопредохранитель имеет параметры 160/125 С(разм/зам) (исходя из тестов) самого термопредохранителя.
9.2. При тестировании собранного стола в собранном принтере и лежащем на нём зеркале при непрерывном нагреве от 100С сработка (разрыв цеми) термопредохранителя произошла только при 180С.
9.3. Восстановился термопредохранитель при 125С.
9.4. Температура измерялась по датчику установленному в нагревательном коврике стола.
9.5. По умолчанию в прошивке Marlin устанавливается максимальная температура стола в 150С.
9.6. Нагрев верхней поверхности зеркала по термопаре:
- от 21С до 65С по датчику в силиконовой грелке за 2 мин,
- от 65С до 125С по датчику в силиконовой грелке за 3,5 мин,
10. Длительный нагрев нагревательным столом с температурой 75 С не утеплённой камеры принтера внутри принтера поддерживает температуру - 30-35С.
11. Длительный нагрев нагревательным столом с температурой 135С не утеплённой камеры принтера внутри принтера поддерживает температуру - 50-55С.
12. Плата RUMBA, драйвера двигателей DRV8825, двигатели 17HS24-2104S.

В итоге в результате получилось почти всё, но есть недостатки:
1. Тяжеловат корпус получился - около 60-70 кг.
2. При печати достаточно сильно чувствуется запах разогретого пластика (использовал ABS и PLA натуральный от разных производителей), что доставляет заметный физический дискомфорт. Возможно: недостаточная вытяжка или особенности моего организма (хотя у членов семьи та же реакция).
3. Не ожидал, что при печати на 50 мм/с будет виден резонанс (это видно на фотографии 10), так как использовал 15 мм полиуретановый ремень со стальным кордом.
4. Так как в электропроводке квартиры нет заземления, то и корпус 3D-принтера заземлить не получилось. Ранее рассматривался вариант зануления вместо заземления, но от него отказался.

Ну вот как-то так.

Для наглядности прилагаю фотографии. Внешний вид принтера на фотографиях 1-7, а пример распечатанной детали на фотографиях 8-11.

В настоящее время 3d печать металлом рассматривается, как одна из наиболее перспективных технологий, которая в недалеком будущем может вытеснить современные методы прототипирования.

Исследователи усердно работают над тем, чтобы в ближайшее время принтеры, печатающие металлом, появились на строительных площадках, в металлургической промышленности и на пищевом производстве.

Вам не кажется, что создатели «Терминатора» смогли предугадать будущее?

Только представьте, как изменится наш мир в лучшую сторону, если каждый из нас сможет наладить производство металлических сооружений и конструкций у себя дома.

Говорить о перспективах металлопечати можно бесконечно, но для начала лучше подробнее разобраться с тем, что представляют собой современные 3D принтеры для печати металлом.

Еще недавно литье, рассматривалось как единственный недорогой и выгодный с экономической точки зрения метод изготовления трехмерных металлоконструкций.

С появлением FDM принтеров его гегемония несколько пошатнулась, однако в начале двухтысячных годов мало кто верил в то, что технология трехмерной печати эволюционирует до такой степени, что на повестке дня встанет вопрос о комплексном реформатировании металлургийной промышленности.

Принцип послойного выращивания объемного объекта изначально использовался только при создании аппаратов, работающих с пластиком и глиной.

Прошло немало времени, прежде чем появился 3d принтер по металлу, способный оказать достойную конкуренцию традиционным методам металлопроизводства.

Технологии 3д печать металлом:

На данный момент существует всего несколько технологий, которые используются для печати металлом: лазерные 3d принтеры и струйные. Обе они подразумевают аккуратное и постепенное наслаивание «чернил» слой за слоем для построения заданной фигуры. Тем не менее, инженеры нашли сразу несколько способов, позволяющих вырастить твердый объект на платформе построения.

Селективное лазерное спекание

Технология SLS, также известная под названием Direct metal laser sintering, позволяет создавать металлические объекты из плавкого порошка – металлической глины. Впервые данный материал был показан в 1990 году в Японии. Тогда его использовали для лепки примитивных форм. В промышленности применять его стали лишь спустя десять лет после открытия.

Металлоглина изготавливается из смеси металлической стружки, органического связующего вещества и воды. При обжигании связующее вещество и вода выгорают, что превращает металлический порошок в монолитный объект.

Свеженапечатанные детали методом Direct metal laser sintering:

Для обработки металлоглины SLS-принтеры используют лазер. Порошок наносится на поверхность платформы ровным слоем, после чего разглаживается специальным валиком.Затем лазерное излучение корректирует слой металлоглины так, как это запрограмированно в шаблоне.

Процесс повторяется раз за разом, пока фигура не приобретет нужные размеры. Печать проходит в специальной камере с бескислородной средой, в которой постоянно поддерживается высокая температура. Технология SLS-печати наглядно продемонстрирована на видеоролике, представленном ниже:

Инженеры утверждают, что изделия, изготовленные с помощью селективного лазерного спекания, превосходят металлические заготовки, созданные традиционным методом, по таким параметрам, как пористость и прочность.

Что интересно, промышленный лазерный 3D принтер уже используются такими гигантами, как General Electric Aviation.

Электронно-лучевая плавка

Технология EBM по сути, практически не отличается от SLS/DMLS печати металлом. Единственное отличие электро-лучевой плавки заключается в том, что вместо лазерного луча, металлоглина плавится при помощи направленных электроимпульсов.

Использование электронных пучков высокой мощности, действующих в вакууме, обеспечивает более высокую детализацию печатных объектов. Это объясняется тем, что корректировка электронного луча осуществляется не за счет движения печатной головки, а с помощью манипуляции магнитными полями, то есть на гораздо более точном уровне.

Промышленный 3D принтер Arcam Q10:

Использование электромагнитных компонентов вместо лазерных линз делает EBM принтеры более рентабельными в сравнении с лазерным оборудованием. Кроме того, они обеспечивают более высокую производительность. Посмотреть, как работает аппарат данного типа можно на видео:

Стоит сразу сказать, что вышеназванные технологии далеки от своего предела и могут стать еще лучше. Несмотря на то, что конструкторы используют высокоточное оборудование, которое превосходит традиционные методы обработки металла, при проектировании макетов печатных изделий приходится учитывать усадку от 8% до 30%. Это объясняется физическими свойствами «чернил».

Помимо этого, не стоит забывать, что EBM и SLS/DMLS машины комплектуются германиевыми и алмазными линзами, сложными электромагнитными приспособлениями и посеребренными или позолоченными зеркалами, из-за чего стоимость оборудования делает его покупку рентабельной только для крупных промышленных центров.

Струйное моделирование методом наплавления

Технология FDM или fused deposition modeling используется преимущественно в принтерах, работающих с пластиком, воском и смолами.

Принцип работ устройств, использующих данную технологию достаточно прост: расплавленный материал выдавливается через экструдер на охлажденную платформу построения, где он застывает, слой за слоем формируя нужный объект. 3d печать из металла способом наплавления рассматривается как самый простой из доступных ныне методов печати металлом. Конечно, она не лишена недостатков.

Несмотря на обилие «чернил», доступных в виде металлоглины (медь, сталь, железо, бронза, серебро и золото), существующие FDM оборудование не способно печатать металлические объекты с высокой четкостью и детализацией.

Среди устройств, работающих по схожему принципу, можно выделить The Mini Metal Maker.

Ниже прилагается видео, на котором детально продемонстрирован процесс печати металлом с помощью данного аппарата:

Вполне возможно, что 3d принтер металл в обозримом будущем появится в доме каждого желающего. Об этом говорит стремительное развитие отрасли: уже сегодня такие промышленные киты, как General Electric, Mitsubishi, Boeing, General Motors и Lockheed Martin используют на производстве EBM и SLS/DMLS принтеры.
В компаниях уверяют, 3D печать помогает им экономить значительные денежные суммы и существенно расширить возможности конвейерного производства комплектующих.

Вряд ли компании 3D Systems и Arcam, которым принадлежит первенство в данной сфере, смогут оставаться монополистами на рынке долгое время и диктовать потребителям свои цены.

В 2015 году истекает большинство патентов, что согласно базовым законам рыночной конкуренции сделает «домашние фабрики» по производству металлоконструкций доступными для бытового использования.

– относительно новая технология в производстве металлических изделий повышенной прочности. Используя сплавы алюминия, можно создавать практически любые изделия – от домашнего декора и сувениров до деталей производственного оборудования или даже самолетов.

Компания SPRINT3D уже сейчас применяет технологии 3D печати алюминием для своих клиентов. Мы используем новейшее оборудование – Renishaw AM400 (SLM), позволяющий выращивать изделия практически любой сложности на основе металлических порошков.

Предлагаем вам подробнее узнать о 3D печати алюминием, ее возможностях и преимуществах.

Почему трехмерная печать алюминием – это новый шаг в производстве

Первое и главное – это используемые материалы. Применяется не просто порошковый алюминий. Сам по себе материал достаточно податливый. Но при смешивании наночастиц с сырьем происходит кристаллизация, сильно повышающая прочность готовых изделий и препятствующая образованию трещин при их затвердевании.

Впервые технология была успешно применена именно в сегменте авиакосмической промышленности. Широким массам она была практически недоступна. Коммерческий/промышленный 3Д принтер для печати из алюминия – новое явление. Но уже сегодня он решает самые сложные задачи:

• Позволяет выполнять мелкосерийное производство металлических изделий. Основное преимущество – высокая геометрическая точность, которая ранее была недоступна.
• Подходит для мелкосерийного производства и печати опытных образцов. Например, для проверки эргономики изделия и проведения необходимых проверок.
• Это оптимальный вариант для изготовления оснастки. Сложность, размеры, геометрия – все индивидуально.

Мы используем наиболее подходящий производственный материал – сплав на основе алюминия AlSi10Mg-0403. В его составе алюминий, легированный кремнием (не более 10%), магний, прочие компоненты в небольшом количестве. Благодаря кремнию сплав становится гораздо прочнее, чем чистый алюминий. Кроме того, на поверхности напечатанных изделий формируется оксидный слой, обладающий повышенной коррозийной стойкостью. Ее даже можно усилить, используя технологию химического анодирования.

4 ключевых преимущества 3D печати алюминием

Достоинств гораздо больше, но мы сконцентрируемся на главных:

1. Увеличенная гибкость в проектировании и производстве. Например, технология позволяет создавать сложные внутренние каналы, сетчатые структуры и бионические элементы. Ранее подобное требовало серьезной работы специалистов и внедрения дорогостоящих технологий в производство.
2. Короткие сроки проектирования и производства. гораздо проще и быстрее, чем создание аналогичных изделий другими методами. В первую очередь благодаря максимальной автоматизации процесса.
3. Уменьшенная масса готовых изделий. Аналогичные заготовки, выполненные по другим технологиям, весят больше. Это ставит некоторые ограничения в плане эксплуатации и внедрения их в различные агрегаты, инструменты и механизмы.
4. Сниженные финансовые издержки на производстве. При том же бюджете и объеме материала есть возможность изготовить численно большую партию изделий и в целом сократить расходы минимум на несколько процентов.

Существующие математические модели, которые использовались для трехмерной печати на другом оборудовании, можно быстро и недорого оптимизировать для 3D печати алюминием на новом оборудовании. На всех этапах производства обеспечивается контроль изделий. Для этого мы используем компьютерную томографию. Это позволяет исключить даже малейшие дефекты.

Наш 3Д принтер для печати из алюминия AM400

AM400 – это универсальный принтер, позволяющий работать не только с упомянутым AlSi10Mg-0403, но и другими металлическими порошками. Но мы используем его преимущественно именно в связке с алюминиевыми порошковыми материалами. Одно из ключевых достоинств данного принтера – возможность быстрой перестройки системы печати между разными типами металла. Это сокращает время на производство и позволяет на одной машине работать с отличающимися материалами.

Основные параметры модели:

• Рабочая площадь: 25 см × 25 см x 30 см.
• Процесс сплавления и получения 3D-объекта проходит в аргоновой среде.
• Уровень использования аргона – минимум на 60% ниже, нежели в аналогах.

Принтер уже нашел широкое применение в аэрокосмическом производстве. Причина – возможность снизить массу изделия, сохранив все его параметры и показатели прочности. AM400 позволяет создавать особенно сложные детали. К примеру, со сложными внутренними контурами охлаждения. Ранее подобное было невозможно в силу использования устаревших методов литья металлами. Они не позволяли создавать модели высокой сложности.

3Д принтер для печати из алюминия AM400 оптимально подходит для производства небольших партий изделий. Но при необходимости может быть использован и для серийного производства.

Технология Selective Laser Melting и ее возможности

Новых концепций 3D принтеров становится все больше. На выставке Maker Faire 2013 в Нью-Йорке был представлен новый 3D принтер, использующий для печати жидкий металл. Девайс получил название "Vader" в честь разработчиков отца и сына Скотта и Зака Вейдера из стартапа Vader Systems .

Печать жидким металлом - прогрессивная технология 3D печати (также относящаяся к аддитивному производству). С помощью этой технологии можно создавать механические детали и электронные соединения аддитивным способом. В отличие от формообразования распылением, печать жидким металлом подобна струйной печати, при которой каждая отдельная расплавленная капля наносится на определенный участок. Используя печатающую головку, во многом схожую с печатающей головкой струйного принтера, 3D принтер послойно наносит капли расплавленного алюминия, формирующиеся постепенно. В результате можно создавать объекты большой сложности без затрат труда и энергии со стороны производителя. Изменяя размер печатающей головки, система распределяет расплавленные шарики металла диаметром от 100 до 1000 микрон.

В настоящее время технология прямого лазерного спекания металла является распространенным процессом изготовления металлических деталей. Она включает использование лазера высокой мощности для соединения мелких частиц металлического порошка в массу желаемой трехмерной формы. Лазер выборочно соединяет порошковый материал, сканируя поперечные сечения, которые генерируются из СAD файла на рабочую поверхность. После того, как каждое сечение отсканировано, рабочая поверхность смещается вниз на высоту одного слоя, сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока не будет готова модель.

"Но напечатанные объекты не совсем подходят для деталей машин, так как они слегка пористые", - говорит Зак Вейдер в интервью Tom"s guide.

Этот первый жидкометаллический принтер от компании Vader Systems, также называемый Mark 1, все еще является прототипом. Vader закончила его сборку за несколько дней до дебюта в Нью-Йорке. В принтере пока нет печатающей головки, поэтому не представлены напечатанные образцы. Однако Зак Вейдер говорит, что "их устройство может также иметь тысячи насадок и печатать со скоростью, близкой или даже большей, чем скорость струйного принтера". На данный момент работа авторов проекта сосредоточена на разработке девайса, использующего алюминий для быстрого прототипирования механических частей, но Зак Вейдер считает, что к материалам, пригодным для печати, также будет довольно легко добавить медь, серебро и золото.

Предварительные характеристики 3D принтера Mark 1:

• Печать жидким металлом (алюминий)
• Область печати : 250 x 250 x 250 мм
• Разрешение : 50 мкм
• Скорость печати : 20 мл/ч
• Требования к питанию : 15 А 120 В
• Вес : ~54 кг

По словам команды, текущая версия 3D принтера разработана для малых предприятий, но приблизительно через год планируется выпуск версии стоимостью меньше, чем 10 000$.

Разработана инновационная методика 3D печати , которая позволяет создавать высокопрочные детали на , применяя сплавы алюминия. Основа данного метода состоит в смешивании наночастиц с сырьем, что дает возможность вызвать кристаллизацию высокого уровня и предупредить возникновение разного рода трещин в изготавливаемых деталях при их затвердевании.

Исследователями по данной методике являются ученые из лаборатории HRL. Целью проделанной работы является создание легких, но высокопрочных деталей усложненных параметров для авиакосмической промышленности и использования. Данное исследование тщательно описано в интернет газете NATURE.

Развитие как отдельной производственной отрасли все больше становится популярным и дает возможность создавать уже не только прототипы изделий, а и самостоятельные сложной конструкции детали. Уже активно используются не только агрегаты, которые печатают изделия из полимерного сырья, но и 3Д принтеры, которые обрабатывают сырье металлического состава. Но по причине низких кристаллизационных способностей металлов в процессе обработки на 3Д принтере их по сей день было трудно использовать как сырье для создания изделий с точными и высокими характеристиками.

Ученые из Америки смогли адаптировать общеизвестные алюминиевые сплавы высокой прочности для 3Д печати . Соответствие прочности и плотности указанных сплавов равно 7075 и 6061. При использовании алюминиевых сплавов абсолютно без добавок их кристаллизация проходит на довольно таки низком уровне, что вызывает образование различного рода зернистостей (возникают продолговатые и дендритные зерна). Расплав, который остается между зернами при остывании теряет объемы и затвердевает, из-за этого в материале возникают полости и трещины.

Чтобы избежать таких погрешностей в создании деталей ученые пришли к тому, что частицы со сплава алюминия необходимо засыпать какими-то более мелкими элементными частичками значительно меньших размеров. Для достижения качественного и максимально результативного выбора мелких частиц авторам пришлось перебрать большое количество материалов. Основополагающими задачами поиска было минимальное расхождение в периодах и типах решеток, термическая и динамическая стабильность в сплаве и доступность материала. Итоговым выбором остался гидрид циркония, который в процессе плавления образует Al3Zr.

Большая часть этих частиц на поверхности порошковых крупинок являются кристаллизационными центрами. Таким образом, происходит возникновение мелких зерен с равными осями, которые закрывают пустоты и создают однородную массу без просветов и воздушных полостей. Итоговое созданное изделие получается с максимально хорошими показателями качества и характеристиками без полостей и трещин. Напечатанные детали имеют маленькую массу и высокую прочность. Ученые отмечают, что в скором будущем будет возможность создавать детали из других металлических материалов, которые будут обладать таким же качеством.

Еще раньше эти же исследователи разработали возможность печати на 3Д принтере термостойкой керамики, выдерживающей нагрев до 1700 о С.