Návrh a konstrukce 3D tiskárny
Design and Construction of 3D Printer
Bakalářská práce
Studijní program: B2612 – Elektrotechnika a informatika
Studijní obor: 2612R011 – Elektronické, informační a řídící systémy
Autor práce: Martin Frydrych
Vedoucí práce: Ing. Tomáš Martinec, Ph.D.
Konzultant Ing. Zdeněk Severa, Magna Exteriors (Bohemia) s.r.o.
Poděkování
Tímto bych rád poděkoval firmě Magna Exteriors (Bohemia) s.r.o. za poskytnutí některých částí realizované 3D tiskárny. Především bych rád poděkoval Ing. Zdeňku Severovy za nakreslení počítačového modelu 3D tiskárny. Dále bych rád poděkoval vedoucímu práce Ing. Tomáši Martincovi, Ph.D. za jeho ochotu a vstřícný přístup během tvorby této práce a za poskytnutí vhodných prostor pro stavbu a testování 3D tiskárny. V neposlední řadě bych rád poděkoval svému nejbližšímu okolí za podporu při studiu.
Abstrakt
Tato bakalářská práce se zabývá návrhem a konstrukcí 3D tiskárny. Cílem práce je vytvořit levnou a spolehlivou 3D tiskárnu s velkým pracovním prostorem. Návrh tiskárny vychází z otevřeného komunitního projektu RepRap. Tiskárna by měla sloužit pro tisk jednoduchých, plastových, mechanických, prototypových dílů pro různé stroje, u kterých není vyžadována veliká přesnost. Rešeršní část práce poskytuje přehled o technologiích 3D tisku, o materiálech používaných pro 3D tisk, o typech používaných konstrukcí a o podpůrných softwarových prostředcích. Konstrukční část je zaměřena na popis použitých hardwarových komponent a na výběr vhodné elektroniky. Pro elektrickou část je navržena rozšiřující deska plošného spoje pro zapojení většího počtu řadičů krokových motorů. Součástí je postup pro získání a úpravu firmwaru. Závěrečná část se věnuje přípravě tiskárny pro tisk a následnou údržbu, dále se zabývá tvorbou výrobních dat z 3D modelů, a popisuje průběh tisku. Výsledkem je funkční 3D tiskárna, která je svoji kvalitou srovnatelná s podobnými komerčními 3D tiskárnami, které jsou určené pro domácí použití.
Klíčová slova:
CNC stroj, aditivní technologie, Fused Filament Fabrication, 3D tiskárna, RepRap, řadiče krokových motorů
Abstract
This bachelor thesis deals with design and construction of 3D printer. The aim of the thesis is to create a cheap and reliable 3D printer with a large workspace. The design of the printer is based on the open community project RepRap. The printer should be used to print simple, plastic, mechanical, prototype parts for various machines that do not require high precision. The theoretical part of the thesis provides an overview about 3D printing technologies, materials used for 3D printing, types of structure used and about supporting software tools. The construction part is focused on describing used hardware components and on choosing suitable electronics. For the electric part is designed expanding PCB board for wiring more stepper motor drivers. It also includes a procedure for obtaining and modifying firmware. The final part focuses on preparing the printer for printing and subsequent maintenance, next it deals with the creation of manufacturing data from 3D models and it describe printing process. The result is a functional printer that is comparable to similar commercial 3D printers that is designed for home use.
Keywords
CNC machine, additive technology, Fused Filament Fabrication, 3D printer, RepRap, stepper motor drivers
Obsah
ÚVOD ... 13
1 PŘEHLED TECHNOLOGIÍ 3D TISKU... 14
1.1 FFF(FUSED FILAMENT FABRICATION) ... 14
1.2 SLA(STEREOLITOGRAFIE) ... 14
1.3 SLS(SELECTIVE LASER SINTERING) ... 14
1.4 LOM(LAMINATED OBJECT MANUFACTURING) ... 15
1.5 DALŠÍ TECHNOLOGIE ... 16
2 DRUHY KONSTRUKCÍ 3D TISKÁREN ... 16
2.1 KARTÉZSKÉ KONSTRUKCE ... 17
2.2 DELTA ... 18
2.3 POLAR ... 18
2.4 SCARA ... 19
3 MATERIÁLY ... 20
3.1 ABS ... 20
3.2 PLA ... 20
3.3 NYLON ... 21
3.4 PETG ... 21
3.5 HIPS A PVA ... 21
3.6 OSTATNÍ MATERIÁLY ... 21
4 SOFTWAROVÉ PROSTŘEDKY ... 22
4.1 MODELOVÁNÍ ... 22
4.2 VYTVOŘENÍ VÝROBNÍCH DAT ... 23
4.3 FIRMWARE ... 24
5 KONSTRUKCE 3D TISKÁRNY ... 25
5.1 HARDWARE ... 25
5.1.1 Nosná konstrukce ... 27
5.1.2 Lineární vedení a trapézové šroubovice ... 28
5.1.3 Propojovací části ... 28
5.1.4 Ostatní části ... 31
5.2 ELEKTRONIKA ... 31
5.2.1 Základní elektronika ... 31
5.2.2 Rozšíření ... 33
5.3 FIRMWARE ... 35
5.3.1 Hodnoty parametrů ... 36
5.3.2 Postup zavedení programu do zařízení ... 38
6 POSTUP VYTISKNUTÍ MODELU ... 39
6.1 PŘÍPRAVA TISKÁRNY ... 39
6.2 PŘÍPRAVA MODELU ... 41
6.3 TISK ... 41
ZÁVĚR ... 45
LITERATURA ... 46
PŘÍLOHA A - OBSAH PŘILOŽENÉHO CD ... 48
PŘÍLOHA B - BLOKOVÉ SCHÉMA ZAPOJENÍ ... 49
PŘÍLOHA C - SCHÉMA ZAPOJENÍ ROZŠIŘUJÍCÍ DESKY PLOŠNÉHO SPOJE ... 50
Seznam obrázků
OBR.1PRINCIP TECHNOLOGIE FFF[1] ... 15OBR.2PRINCIP TECHNOLOGIE SLA[2] ... 15
OBR.3PRINCIP TECHNOLOGIE SLS A DMLS[5] ... 15
OBR.4ZVOLENÝ SYSTÉM SOUŘADNIC ... 16
OBR.5TISKÁRNA RENKFORCE RF1000[7] ... 17
OBR.6TISKÁRNA PRUSA I3MK2[8] ... 17
OBR.7TISKÁRNA PROFI3DMAKER [9] ... 18
OBR.8TISKÁRNA KOSSEL DELTA [11] ... 19
OBR.9TISKÁRNA POLAR 3D[12] ... 19
OBR.10TISKÁRNA MK3PROTOTYPE SCARA ARM 3DPRINTER [13] ... 19
OBR.11SNÍMEK PROGRAMU AUTODESK 123DDESIGN ... 23
OBR.12SMÍNEK PROGRAMU REPETIER-HOST ... 24
OBR.13POČÍTAČOVÝ MODEL 3D TISKÁRNY... 26
OBR.14ŘEZ PROFILU ... 27
OBR.15FOTOGRAFIE 3D TISKÁRNY ... 27
OBR.16FOTOGRAFIE DRŽÁKU MOTORU (2X) PRO OSU Z VČETNĚ UCHYCENÍ KE KONSTRUKCI A MOTORU ... 29
OBR.17PODPĚRA PRACOVNÍ DESKY... 30
OBR.18SPOJOVACÍ ČÁST OSY Y ... 30
OBR.19FOTOGRAFIE ÚCHYTŮ MOTORŮ A ŠROUBOVIC PRO OSU Y ... 30
OBR.20DRŽÁK TISKOVÉ HLAVY ... 30
OBR.21KONCOVÝ SNÍMAČ POLOHY ... 32
OBR.22TISKOVÁ HLAVA... 33
OBR.23PANEL S LCD DISPLEJEM A OVLÁDÁNÍM ... 33
OBR.24ROZŠÍŘENÍ PRO VYVEDENÍ SIGNÁLŮ ... 34
OBR.25ROZMÍSTĚNÍ SOUČÁSTEK NAVRŽENÉ DPS ... 34
OBR.26SNÍMEK KONFIGURAČNÍHO NÁSTROJE FIRMWARU ... 36
OBR.27SNÍMEK APLIKACE ARDUINO IDE ... 39
OBR.28NÁSTROJE APLIKACE ARDUINO IDE ... 39
OBR.29REPETIER-HOST TEPLOTNÍ KŘIVKY ... 42
OBR.30REPETIER-HOST 3D NÁHLED PRŮBĚHU TISKU ... 42
OBR.31PRŮBĚH TISKU KRYCHLE ... 44
OBR.32PRŮBĚH TISKU LODIČKY... 44
OBR.33PRŮBĚH TISKU PÍŠŤALKY ... 44
Seznam použitých zkratek a termínů
Zkratka, termín Význam
A4988 Označení řadiče krokového motoru
ABS Akrylonitrilbutadienstyren - materiál pro 3D tisk Arduino Elektronická deska s mikroprocesorem
Delta Typ konstrukce 3D tiskáren
DLP Digital Light Processing - tisková technologie DMLS Direct Metal Laser Sintering - tisková technologie EBM Electron Beam Melting - tisková technologie
FDM Fused Deposition Modeling - tisková technologie (jiné označení pro FFF) FFF Fused Filament Fabrication - tisková technologie
G-kód Ovládací příkaz pro CNC stroje
HIPS High Impact Polystyrene - houževnatý polystyren- materiál pro 3D tisk IRFP3306 Tranzistor typu MOSFET s indukovaným kanálem typu N
ITEM Firma vyrábějící hliníkové profily a příslušenství
LOM Laminated Object Manufacturing - tisková technologie MK9 Název tiskové hlavy 3D tiskárny
PETG Polyethylentereftalát - materiál pro 3D tisk PLA Kyselina polylaktidová - materiál pro 3D tisk
PMMA Polymethylmethakrylát - plexisklo - materiál pro 3D tisk Polar Typ konstrukce 3D tiskáren
PTFE Teflonová trubička pro vedení tiskové struny PVA Polyvinylalkohol - materiál pro 3D tisk
RAMPS Elektronická deska propojující Arduino s elektronikou 3D tiskárny RepRap Otevřený komunitní projekt pro vývoj 3D tiskáren
ryv Fyzikální veličina popisující časovou změnu zrychlení (anglicky jerk) Scara Typ konstrukce 3D tiskáren
SLA Stereolitografie - tisková technologie
slicer Program pro generování výrobních dat pro 3D tiskárnu SLS Selective Laser Sintering - tisková technologie
SMA Označení pro jednoduché kuličkové pouzdro v domku pro lin. vedení SMAL Označení pro dvojité kuličkové pouzdro v domku pro lineární vedení STL Přípona souboru pro uložení dat 3D modelu
TPU Termoplastický polyuretan - flexibilní materiál pro 3D tisk
Úvod
Práce se věnuje problematice 3D tisku a konstrukci 3D tiskárny, je členěna do šesti hlavních kapitol. První se věnuje různým aditivním technologiím 3D tisku, jejich limitům a požadavkům. Další kapitola obsahuje informace o typech používaných konstrukcí pro technologii Fused Filament Fabrication (dále FFF), jejímž principem je tavení termoplastického materiálu. Téma o vlastnostech materiálů, které se používají pro tisk technologií FFF, a oblastech typického použití je uvedeno v třetí část této práce. Poslední rešeršní část poskytuje přehled o softwarových prostředcích podporující 3D tiskové technologie, jsou to aplikace pro tvorbu počítačových 3D objektů, dále programy pro generování výrobních dat a ovládání a správu 3D tiskárny.
Stěžejní částí této práce je návrh a konstrukce 3D tiskárny a její realizace, tato část obsahuje řešení pro hardware, elektroniku a firmware. Obecnými požadavky na navrhovanou 3D tiskárnu je tisk technologií FFF s kvalitou tisku, která by byla srovnatelná s komerčními tiskárnami, jež jsou určené pro domácí užívání. Dalším požadavkem je možnost tisku velkých objektů a možnost tiskárnu opatřit krytem z důvodu ochrany tisku před vlivy prostředí. Samozřejmostí je uživatelská jednoduchost pro používání a také cenová dostupnost. Závěrečná část se zabývá tiskem na realizované 3D tiskárně, je zde popsaná příprava tiskárny a její údržba, dále příprava počítačového modelu tisknutého objektu a průběh samotného tisku. Je zde také část zaměřená na výslednou kvalitu tisku a to zejména na identifikování příčin vzniku nekvalitních výtisků, také je zde popsán způsob jak těmto výtiskům předcházet a jak odstraňovat případné nedostatky.
1 Přehled technologií 3D tisku
3D tisk je proces výroby trojrozměrného předmětu prakticky libovolného tvaru z digitálního počítačového modelu [1]. Existují různé technologie 3D tisku, které jsou přizpůsobené především materiálu, ze kterého se tiskne. Každá technologie má své specifické vlastnosti, limity a požadavky.
1.1 FFF (Fused Filament Fabrication)
Jednou z nejvíce rozšířených technologií, je technologie FFF (Fused Filament Fabrication). Princip je takový, že do tiskové hlavy je pod tlakem zaváděn termoplastický materiál ve formě struny. Tisková hlava materiál roztaví a vytlačuje jej ven pomocí tenké trysky. Pohybem hlavy vůči tiskovému stolu se po jednotlivých vrstvách vytváří výsledný objekt [2], jak je zobrazeno na Obr. 1. Průměr trysky bývá od 0,2 mm do 1,0 mm. Technologií lze tisknou různými materiály s různými vlastnostmi, jsou to například ABS, PLA, PET, Nylon a další (více informací o materiálech je popsáno níže v kapitole 3). Pro tisk složitějších předmětů je potřeba tisknout podpěry, které se následně mechanicky odstraní. Technologie je shodná s technologií FDM (Fused Deposition Modeling), tato zkratka je však registrovanou značkou společnosti Stratasys [3].
1.2 SLA (Stereolitografie)
SLA je zkratka tzv. stereolitografie, což je nejstarší technologie 3D tisku. Tato technologie vytváří objekt pomocí postupného vytvrzování fotocitlivého polymeru působením ultrafialových laserových paprsků, po dokončení osvícení dané vrstvy se tištěný objekt ponoří do polymeru a začne tvorba další vrstvy [2], jak je ilustrované na Obr. 2. Výška jedné vrstvy je mezi 0,05 až 0,15 mm, vytištěné modely jsou tudíž velice přesné s hladkou povrchovou úpravou a s dobrými fyzikálními vlastnostmi [4]. Nevýhodou je stejně jako u FFF potřeba tisknout podpěry, objekt se dále nechává vytvrdit v komoře s UV osvětlením, příznivá není ani cena, jak za samotnou tiskárnu, tak materiál, u kterého není možnost volby. Velice podobnou technologií je DLP (Digital Light Processing), která místo laseru využívá projektor.
1.3 SLS (Selective Laser Sintering)
Technologie SLS (Selective Laser Sintering) využívá vysoce výkonný laserový paprsek k tavení, spékání jemných zrn tiskového materiálu, jimž mohou být různě plasty, kovy nebo sklo [2]. Materiál je v zařízení zahříván těsně pod bod tání, zároveň složení okolní
atmosféry musí být jiné, kvůli eliminaci vznícení, což jsou faktory, které nepříznivě ovlivňují cenu tisku. Výhodou oproti ostatním technologiím je, že se nemusí stavět dočasné podpory, tudíž lze tisknout i velmi složité, ale neuzavřené tvary [4]. V případě použití kovu, je technologie označována zkratkou DMLS (Direct Metal Laser Sintering).
Obr. 1 Princip technologie FFF [1] Obr. 2 Princip technologie SLA [2]
Obr. 3 Princip technologie SLS a DMLS [5]
1.4 LOM (Laminated Object Manufacturing)
Další technologií 3D tisku je LOM (Laminated Object Manufacturing). Principem je lepení, laminování jednotlivých plátů materiálu, což může být papír nebo plast. Před nalepením další vrstvy se vyřízne buď laserem nebo mechanicky požadovaný tvar dané vrstvy [2]. Jako u technologie SLS se nemusí tisknout podpory, avšak nežádoucí materiál
musí mít volný prostor k odejmutí. Vzhledem k použitým materiálům nebude model vykazovat takovou mechanickou odolnost jako ostatní technologie. V případě použití papíru lze mechanickou odolnost zlepšit impregnací, zároveň je možné vytisknou plnobarevné modely [3].
1.5 Další technologie
Existuje řada dalších technologií, které jsou svým principem podobné výše zmíněným.
Mohou se lišit například vstupními materiály, případně kombinují více technologií současně.
Příkladem může být technologie „Binder Jetting“ podobná technologii SLS, rozdíl je takový, že zrna materiálu jsou spojována lepidlem [6]. Další technologií je EBM (Electron Beam Melting) blízká technologii DMLS, protože zpracovávaným materiálem je kov. EBM vhání usměrněný proud elektronů do titanového prachu [2]. Technologie nazvaná „Polyjet Matrix“
je kombinací technologií FFF a SLA, kdy z tiskové hlavy je vytlačován fotocitlivý polymer, který je následně vytvrzen UV lampou.
2 Druhy konstrukcí 3D tiskáren
Různé technologie mají různá konstrukční řešení. I v rámci jedné technologie 3D tisku existuje několik možných konstrukcí, což obzvlášť platí pro technologii FFF, která je pro tuto práci stěžejní, a na kterou je tento rozbor a popis zaměřen.
Úkolem konstrukce je možnost přemisťování nástroje, v tomto případě trysky, do libovolného bodu v rámci definovaného prostoru, a to s různou rychlostí i zrychlením, a pokud to konstrukce umožňuje, tak i z různých směrů. 3D tiskárna je touto definicí konstrukce nejvíce podobná tříosé CNC frézce. Obecně je popis polohy a pohybu nástroje a popis souřadných systémů úkolem robotiky. 3D tiskárny přebírají z oblasti robotiky řešení jednotlivých druhů konstrukcí a i jejich názvy.
Před popisem jednotlivých druhů konstrukcí, je potřeba zvolit souřadný systém. Ten může být v principu orientovaný libovolně, je však zvykem volit souřadný systém tak, aby byl pravotočivý a jeho orientace je taková, aby osa Z šla v kladném směru nahoru a osy X a Y bývají
orientované ve vodorovné rovině, příklad na Obr. 4. Obr. 4 Zvolený systém souřadnic
2.1 Kartézské konstrukce
Kartézské konstrukce jsou jedny z nejvíce rozšířených konstrukcí 3D tiskáren, kdy všechny tři lineární vedení jsou na sebe navzájem kolmé. Pohyb po lineárních vedeních je obvykle zajištěn pomocí ozubených řemenů a řemenic, nebo pomocí kuličkových a trapézových šroubů, které jsou spojeny s hřídelí krokového motoru. Pohybovat se může jak samotná tisková hlava s tryskou, tak stůl, čímž je k dispozici více možných variant konstrukčních řešení.
Jedním ze zástupců kartézských konstrukcí je například tiskárna „Prusa i3 MK2“ (Obr. 6). Konstrukci tvoří stojící čtvercový rám, který drží vodící tyče pro pohyb trysky v osách X a Z. V dolní části rámu je umístěn stůl pohybující se v rámci osy Y. Na konstrukci je zajímavé, že využívá všech výše vyjmenovaných způsobů přenosu pohybu. V ose X je pohyb zajištěn ozubeným řemenem, v ose Y je kuličkový šroub a v ose Z trapézový šroub.
Obr. 5 Tiskárna Renkforce RF1000 [7]
Obr. 6 Tiskárna Prusa i3 MK2 [8]
S rozdílným rozložením pohybu stolu a trysky je konstruována tiskárna „Renkforce RF1000“ (Obr. 5), kde stůl se pohybuje v osách Y a Z a tryska pouze v ose X. Výhodou tohoto řešení je, že tiskový prostor je částečné ochráněn před nepříznivými větrnými vlivy.
Posledním příkladem kartézské konstrukce je tiskárna „Profi3DMaker“
(Obr. 7), která nabízí kompaktní uzavřenou konstrukci tvořenou z hliníkových profilů, kde se tryska pohybuje v osách X a Y a stůl v ose Z.
Tato tiskárna má plnou ochranu před nepříznivými větrnými vlivy a před vniknutím cizích předmětu do
pracovního prostoru. Obr. 7 Tiskárna Profi3DMaker [9]
2.2 Delta
Tiskárny typu delta využívají třech svislých vůči sobě rovnoběžných lineárních pojezdů. Na pojezdech jsou volně uchycena ramena, která jsou navzájem spojena v místě tiskové hlavy. Poloha trysky v prostoru dle kartézských souřadnic musí být ve všech osách vypočítávána ze vzájemné pozice lineárních pojezdů. Zástupcem tohoto typu tiskárny je například Kossel Delta Obr. 8. Výhodou je vysoká rychlost tisku, nevýhod je však více.
Především to je nízká nosnost v místě trysky a musí být použit bowdenový typ podavače materiálu. Další nevýhodou je složitější kalibrace osy Z a zároveň nebývá tolik přesná, jako tiskárny kartézského typu.
2.3 Polar
Tiskárna Polar 3D zobrazena na Obr. 9 využívá k určení polohy trysky polárních souřadnic. Principem konstrukce je otáčející se tiskový stůl, nad nímž se v ose X a Z pohybuje tryska po lineárním vedení. Z hlediska zavedeného systému souřadnic je poloha trysky v osách X a Y určována jednak polohováním samotné trysky v ose X a jednak úhlem natočení stolu. Nevýhodou je dle [10] horší podpora softwarových prostředků (tzv. slicerů) k získání výrobních dat z počítačového modelu. Výhodou z hlediska úspory na pořízení je, že tiskána používá pouze 2 krokové motory.
Obr. 8 Tiskárna Kossel Delta [11] Obr. 9 Tiskárna Polar 3D [12]
2.4 Scara
Posledním typem konstrukce 3D tiskáren je Scara (Obr. 10). Základem konstrukce jsou dvě robotická ramena spojena rotačními kinematickými vazbami a to, jak mezi sebou, tak i vůči pevné podložce. Osy rotace jsou rovnoběžné s osou Z. Ramena zajišťují polohu trysky v osách X a Y.
Polohování v ose Z je zaručeno buď pohybem stolu nebo lineárním posunem obou ramen v ose Z. Existují i konstrukce s paralelní kinematickou strukturou ramen. Jako výhoda se uvádí preciznost polohování, je však málo rozšířen a je prezentován jako experimentální řešení konstrukce 3D tiskáren.
Obr. 10 Tiskárna MK3 Prototype Scara Arm 3D Printer [13]
3 Materiály
Materiálů využitelných pro technologii FFF je několik a vyrábějí se ve formě vláken nebo strun, a to ve dvou standardních průměrech. Starší verze - v dnešní době méně dostupná a používaná - má průměr 3 milimetry, druhá verze má průměr 1,75 milimetrů [1], oba standardy se navíjejí na cívky, které se dodávají s různými hmotnostmi, nejčastěji však s váhou 1 kg. Materiály mají různé fyzikální, chemické a mechanické vlastnosti. Pro samotný 3D tisk jsou důležité dva údaje o teplotách. Prvním z nich je teplota tání daného materiálu, od které se odvozuje teplota vyhřívání trysky a druhým důležitým údajem je teplota podložky, na kterou se tiskne, a to k zabránění smršťování materiálu v průběhu tisku. Oba teplotní údaje jsou obvykle k dispozici c technické dokumentaci daného materiálů. Na následujících odstavcích jsou představeny různé materiály, které lze pro 3D tisk použít. V popisech jsou uvedeny základní vlastnosti materiálů, výše zmíněné teplotní rozsahy, a typické využití daného materiálu.
3.1 ABS
Prvně zmíněným materiálem je akrylonitrilbutadienstyren zkráceně ABS. Tento materiál je velice robustný, tuhý a odolný vůči chemikáliím (kromě acetonu) a nízkým a vysokým teplotám (přibližně do 100 °C). Plast se využívá při výrobě nábytku, automobilových nárazníků, předmětů pro domácnost a dětských hraček, jako jsou kostičky ze stavebnice LEGO. Tisková teplota je v rozmezí od 220 °C až do 240 °C dle [1]. Tisková struna se vyrábí v mnoha barevných variantách. Vzhledem k tiskové technologii má materiál i své nevýhody. Mezi ně patří velká tepelná roztažnost, kdy při chladnutí dochází ke smršťování, čímž se výsledný předmět při tisku deformuje. Této vlastnosti lze částečně předejít použitím vyhřívané podložky s nastavenou teplotou vyhřívání na přibližně 100 °C.
Samotné výrobky jsou zdravotně nezávadné, avšak při tisku se uvolňují výpary, které mohou být pro zdraví nebezpečné [1].
3.2 PLA
Kyselina polylaktidová (PLA) je materiál, který se vyrábí z kukuřičného nebo bramborového škrobu a je biologicky odbouratelný. Teplota tisku je v rozmezí do 180 až 230 °C a nevyžaduje vyhřívání podložky [1]. Ve srovnání s ABS je snadněji a rychleji zpracovatelný, výrobky jsou však méně odolné vůči vyšším teplotám a jsou relativně křehké [4], při tisku neuvolňuje do ovzduší nebezpečné látky. Tento plast se využívá tam, kde je
vyžadován vyšší požadavek na kvalitu z hlediska zdravotní nezávadnost, a to zejména při styku s potravinami, proto se z něho vyrábí obalový materiál pro potraviny nebo produkty do domácnosti a kuchyně [14].
3.3 Nylon
Nylon je houževnatý, silný, odolný a všestranný 3D tiskový materiál. Oproti PLA a ABS je mnohem méně křehký, má nízký součinitel tření a vysokou teplotu tání (přibližně až 245 °C), proto je vhodný pro tisk funkčních a technických dílů, které vyžadují vysokou odolnost proti poškození a velmi nízké povrchové tření [1]. Nevýhodou nylonu může být až dvojnásobná cena a absence barevných variant oproti ostatním materiálům.
3.4 PETG
Polyethylentereftalát (PET) je velice známý plast, ze kterého se vyrábějí lahve nápojů.
Materiál je pevný, tepelně stálý a velmi odolný vůči kyselinám a rozpouštědlům, má nízkou tepelnou roztažnost, čímž pro drtivou většinu objektů se nemusí užívat vyhřívaná podložka a zároveň je vhodný pro tisk rozměrnějších objektů [3]. Teplota tisku se pohybuje okolo hodnoty 250 °C a vytisknuté modely odolávají teplotě vyšší než 100 °C.
3.5 HIPS a PVA
Oba materiály, jak HIPS (High Impact Polystyrene - houževnatý polystyrén) tak PVA (polyvinylalkohol), se využívají k tisknutí podpůrných částí modelu, které jsou následně z modelu odstraněny, a to buď mechanicky nebo chemicky, což je častější a jednodušší způsob. PVA se rozpouští ve vodě a HIPS v lemonenu [3], což je přírodní rozpouštědlo extrahované z citrusových plodů. Výhoda rozpustnosti ve vodě je však, v případě PVA, vykoupena vysokou pořizovací cenou, která může být až čtyřnásobná oproti materiálům jako je PLA nebo ABS. HIPS je naopak velmi levným materiálem, což však úplně neplatí pro jeho rozpouštědlo. Teplota trysky je v případě PVA 170 °C a v případě HIPS 230 °C [1]. Teplota podložky se nastavuje podle základního materiálu, ze kterého je model tisknut. K tisknutí podpěr je potřeba mít k dispozici tiskárnu vybavenou druhou vytlačovací hlavou.
3.6 Ostatní materiály
Dostupných materiálů pro 3D tisk je mnohem více. Mezi výše zmíněnými chybí například pružný materiál TPU (termoplastický polyuretan), jenž vyniká svoji měkkostí a poddajností. Materiál TPU může mít u prodejců a výrobců různé označení, jsou to názvy nebo předpony jako „flexi“, „rubber“ nebo „elastic“. Dalšími kategoriemi jsou materiály
s různými příměsi jemných zrn dřeva, kovu nebo vláken karbonu. Dřevo a kov se obvykle přimíchávají k PLA, čímž jsou do jisté míry ovlivněny vlastnosti vytisknutých modelů, avšak hlavním cílem těchto příměsí je ovlivnění dojmu ze vzhledu modelu. Kovovou příměsí může být například měď, mosaz, bronz nebo ocel. Nevýhodou těchto materiálů je možné ucpávaní trysek tiskáren [3], doporučením je použití trysky s větším průměrem (od průměru 0,5 mm).
Karbonová vlákna se naopak přidávají kvůli větší pevnosti a větší mechanické odolnosti, spojovacím materiálem může být nylon nebo PETG. Posledním zde zmíněným materiálem je PMMA (polymethylmethakrylát), který je známý též jako plexisklo nebo akrylátové sklo.
4 Softwarové prostředky
Účelem této kapitoly je seznámit čtenáře s přehledem softwarových prostředků, které vedou k úspěšnému vytisknutí 3D modelu. Jednotlivé články a odstavce o softwarových prostředcích jsou z pohledu uživatele řazeny chronologicky, a to od vzniku počítačového modelu, přes vytvoření výrobních dat, až po software k řízení a ovládání 3D tiskárny.
4.1 Modelování
Programy pro modelování, známé pod obecnou zkratkou CAD, převádí myšlenku modelu návrháře nebo konstruktéra do podoby počítačových dat. Tyto programy můžeme rozdělit podle několika kritérií. Tím hlavním kritériem je dostupnost, neboli zda je software volně šiřitelný nebo zda se za jeho licenci musí platit. Dále se mohou dělit podle způsobu modelování s různým zaměřením, tím nejčastějším způsobem modelování je zadávání technických parametrů, existují však speciální programy pro vytváření modelů například z oblasti architektury nebo sochařství. Programy mohou být spuštěný na různých platformách, jako je PC nebo tablet, odlišnou skupinou jsou webové aplikace, kde k užívání postačí webový prohlížeč. Z pohledu 3D tisku je důležitou nutností, aby modelovací programy umožňovali exportování modelu do souborového formátu s příponou STL nebo OBJ.
Konkrétní příklady placených programů mohou být například „Autodesk Inventor“
nebo „Solid Edge“. Volně šiřitelnými aplikacemi jsou například „SketchUp“, „Blender“,
„Autodesk 123D Design“ viz Obr. 11, příkladem webové aplikace je „TinkerCAD“ [1].
Zajímavou variantou k získání modelu může být „OpenSCAD“, kde se modely programují.
Modelování za pomoci výše uvedených programů lze i vynechat, soubory s 3D modely lze stáhnout z různých webových stránek. Nejvíce zaměřeným uložištěm na sdílení dat s 3D
modely je „Thingverse“, dalšími jsou „GrabCAD“, „3D CAD browser“ a „Shapeways“.
U posledně zmíněného se modely dají získat za poplatek.
Obr. 11 Snímek programu Autodesk 123D Design
4.2 Vytvoření výrobních dat
V případě, že jsou k dispozici počítačová data modelu ve správném formátu, lze přikročit k vytvoření výrobních dat, k čemuž slouží programy označované jako slicery.
Uzavřené komerční 3D tiskárny jsou obvykle vybaveny vlastním slicerem s optimálními tiskovými profily vhodné pro dané zařízení. U otevřených řešení 3D tiskáren je možné si zvolit z desítek různých slicovacích programů [15].
Nástroje, možnosti a prostředí jednotlivých slicerů si jsou navzájem velice podobné.
Slicer obvykle umožňuje náhled 3D modelů včetně zobrazení jednotlivých vrstev po zpracování a vygenerování G-kódů, má nástroje pro umístění a manipulaci modelů a jejich jednoduchou úpravu. Dále obsahuje rozsáhlá nastavení pro 3D tisk, jako jsou například parametry pro vrstvení, typy výplní, tisknutí podpěr, rychlosti pohybů, tiskové struny (průměr, teplota tání), chlazení atd. Rozdíly mezi jednotlivými slicery lze najít v grafickém zpracování, v rychlosti generování výrobních dat, v uspořádání parametrů pro nastavení
a v rozšiřujících funkcí, jako je například oprava „.STL“ souborů, editace vygenerovaných souborů s G-kódy, nastavení pro tisk z více tiskových hlav, správu a ovládání 3D tiskárny.
Konkrétními slicovacími programy mohou být „3DPrinterOS“, „Craftware“, „Cura“,
„KISSlicer“, „Netfabb Basic“, „Simplify3D“, „Skeinforge“ nebo „Slic3r“. Samostatnými aplikacemi jsou „Pronterface a „Repetier-Host (Obr. 12), které slouží především pro správu a ovládání 3D tiskárny, a zároveň v sobě zahrnují slicovací software. „Repetier-Host“ je využit v rámci této práce, program má jednoduchou navigaci a ovládání v českém jazyce.
K samotné tvorbě výrobních dat však využívá jiných programů, které do programu vstupují jako zásuvné moduly, v základní verzi to jsou „Slic3r“, „Skeinforce“ a „CuraEngine“.
Všechny uvedené programy jsou bezplatné kromě „Simplify3D“.
Obr. 12 Smínek programu Repetier-Host
4.3 Firmware
S firmwarem se uživatel komerční a uzavřené tiskárny dostane do styku pouze s jeho uživatelským ovládacím rozhraním nebo při jeho aktualizaci. To neplatí pro tiskárny postavené na projektu RepRap, což je otevřený komunitní projekt zabývající se vývojem 3D tiskáren. Pro tyto tiskárny lze firmware stáhnout z příslušných stránek komunitních projektů.
Dle [16] je takto k dispozici až 13 různých firmwarů, z nichž „Marlin“ a „Repetier-Firmware“
jsou jedny z nejpoužívanějších, a uživatel je může jakkoliv modifikovat.
Oba zmíněné jsou si velice podobné a lze je použít na jakékoliv tiskárně, jejíž elektronika používá například elektronickou desku Arduino. Pro konfiguraci parametrů konkrétní tiskárny používají shodně pojmenované soubory „Configuration.h“ a lze je konfigurovat ve vývojovém prostředí. Pro „Repetier-Firmware“ si lze soubor nechat vygenerovat na webových stránkách s formuláři, což je z pohledu vývojáře snadnější, alespoň pro základní konfiguraci. Z hlediska počtu všech možných parametru se hodnota pohybuje v řádu několika stovek, nastavují se zde obecné informace o tiskárně, rozměry pracovního prostoru, rychlosti a zrychlení krokových motorů, parametry o dorazech, o teplotách trysky a podložky, o retrakci nebo o připojeném displeji.
5 Konstrukce 3D tiskárny
Stavbu 3D tiskárny lze rozdělit do několika částí, kterými jsou návrh a realizace hardwaru, dále výběr, zapojení a oživení vhodné elektroniky, a parametrizace firmwaru.
Zařízení by mělo primárně sloužit pro tisk jednoduchých prototypů součástek používaných v automobilovém průmyslu a pro tisk menších funkčních částí výrobních linek ve firmě, kterou zastupuje konzultant bakalářské práce. Ze zaměření a obecných předpokladů vznikli konkrétní požadavky, parametry a vlastnosti, které by 3D tiskárna měla splňovat.
Základním požadavkem je tisk z termoplastických materiálů technologií FFF.
Pracovní prostor tiskárny by měl být větší, případně srovnatelný s komerčními nízkonákladovými tiskárnami, jejichž pracovní prostory dosahují délky přibližně do třiceti centimetrů ve všech směrech. Zároveň by konstrukce tiskárny měla mít možnost pracovní prostor ochránit před okolními vlivy prostředí, především před náhlými změnami teplot a prouděním vzduchu. Z hlediska ovládání by měla zvládat tisk bez připojeného počítače, uložištěm výrobních dat by mělo být vhodné vyměnitelné médium. Celkové náklady na pořízení dílů tiskárny by měli být nízké, přibližně do dvaceti pěti tisíc korun, mimo dílů, které dodá konzultant (specifikováno dále v textu).
5.1 Hardware
Konceptů, podle kterých lze navrhnout hardware 3D tiskáren, je několik (viz kapitola 2). Pro splnění výše zmíněných kritérií a obecných vlastností, jakými jsou nízká
hmotnost, avšak vysoká tuhost a pevnost, je nejvýhodnější použít kartézský typ konstrukce s pohybem pracovního stolu v ose Z a pohybem trysky v osách X a Y. Tato koncepce hardwaru 3D tiskárny je výhodná i z hlediska plochy, které by zařízení mělo zabírat.
V případě, že by se pracovní stůl pohyboval v osách X a Y, musela by se adekvátně zvětšit i celková plocha, kterou by zařízení zabíralo, čímž by se zvýšila i hmotnost.
Rozměry tiskárny se odvíjí z velikosti tiskové plochy, která závisí na ploše vyhřívané podložky. Ta se však obtížně shání ve větších a netypických rozměrech, zde se použili dvě vyhřívané podložky, každá o rozměrech 300 krát 300 milimetrů. Čímž vznikla celková tisková plocha o rozměrech 600 krát 300 milimetrů. Vnější rozměry tiskárny jsou 1000 mm na délku (osa X), 680 mm na šířku (osa Y) a 700 mm na výšku (osa Z). Dominantním prvkem konstrukce jsou hliníkové profily, jak je patrné na fotografii (Obr. 15) a modelu 3D tiskárny (Obr. 13), který dodal konzultant. Více fotografií hardwaru je k dispozici na přiloženém CD.
Obr. 13 Počítačový model 3D tiskárny
5.1.1 Nosná konstrukce
Celkem 18 hliníkových profilů ze stavebnicového systému od společnosti „ITEM“ tvoří konstrukci 3D tiskárny. Hliníkové profily (řez na Obr. 14) spadají do ekonomické konstrukční řady 8 s délkou hrany v řezu 40 mm, s šířkou drážky 8 mm a průměrem dutiny 6,8 mm, což je vhodné pro řezání závitu M8. Profily mají různé délky, 4 z nich dosahují délky 100 mm, 8 z nich 500 mm a po dvojicích jsou to délky 765 mm, 845 mm a 1000 mm.
Obr. 14 Řez profilu
Hliníkové profily jsou k sobě propojeny dvěma způsoby. První vyžaduje vyřezaný závit M8 v dutině profilu, do kterého je našroubován šroub se speciální podložkou, která zapadá do drážky druhého profilu. Nutností je, aby druhý profil měl vyvrtanou díru pro utažení šroubu. Tento spoj je velmi pevný a málo nápadný, ale nelze použít u všech spojů.
Obr. 15 Fotografie 3D tiskárny
Druhý způsob je univerzální a více viditelný, je realizován pomocí silného plechu ve tvaru 'L', jenž je našroubován ve vzniklém rohu spoje pomocí drážkových matic.
5.1.2 Lineární vedení a trapézové šroubovice
Mechanika tiskárny se skládá z lineárního vedení, trapézových šroubů a daného příslušenství. Lineární vedení se skládá z broušených vodících ocelových tyčí povrchově kalených o průměru 20 mm, z uzavřeného linearsetu, což jsou kuličková pouzdra v domku, a jsou buď jednoduchá (označení SMA), která se používají na ose X a Z, nebo dvojitá (označení SMAL) pro osu Y. Tyče jsou ke konstrukci upevněny pomocí radiálních (osa Z) a axiálních (osa X a Y) uchycení.
O přeměnu rotačního pohybu na pohyb přímý se starají ocelové trapézové šroubovice o průměru 8 mm s roztečí závitu 2 mm a celkovým stoupáním 8 mm na otáčku (čtyřchodý závit), šroubovice jsou upnuty ve stojatých držácích s ložiskem. Na trapézových šroubech je našroubována mosazná matice s přírubou, která je spojena s plastovými pohyblivými částmi zařízení. Toto spojení musí mít vůli a to z důvodu vyrovnání různých nepřesností, jakými mohou být nerovnoběžnost s vodícími tyčemi nebo ohybové deformace samotných šroubovic nebo tolerance v upevnění držáků.
Úlohou vodících tyčí v rámci os X a Y je nosná funkce a trapézové šroubovice slouží pouze změnu polohy pracovního nástroje. Jiná situace je u osy Z, kde vodící tyče mají především stabilizovat pracovní desku a nosnou funkci přebírají z části trapézové šroubovice.
Vodící tyče a šroubovice osy Z jsou ve všech čtyřech rozích pracovní desky a každá šroubovice má vlastní motorovou jednotku. Důvod použití více motorů místo jednoho, jehož mechanický výstup by byl rozveden například pomocí řemene, je především v ceně, kdy je daleko výhodnější použít více menších motorů, zároveň je levnější i úprava elektrické části zařízení. Podobně je řešena i situace pro pohyb v rámci osy Y, která pro realizaci polohování používá dva krokové motory. Pro lepší chod stroje a delší životnost jsou tyče, kuličková pouzdra, šroubovice a matice promazány univerzálním plastickým mazivem „Starline“.
5.1.3 Propojovací části
Tyto díly propojují veškeré komponenty - jako jsou krokové motory, tisková hlava, kuličková pouzdra, a další části - s konstrukcí z hliníkových profilů do funkčního celku. Díly jsou vytvořeny na míru pro potřeby tohoto zařízení a pochází z profesionální 3D tiskárny, tyto
části dodal konzultant. Takto vytvořené díly jsou náhradou za dražší obráběné části z hliníkových bloků.
Pro osu Z jsou to dva druhy plastových částí, prvním z nich je držák motorů (Obr. 16), kvádr o rozměrech 86 krát 42 krát 15 mm se sedmi dírami (dvě pro uchycení do drážky profilu, čtyři pro uchycení motoru, jedna pro hřídel motoru). Druhý typ plastové části osy Z (Obr. 17) si lze představit ve tvaru ležícího písmene 'L' s rampovým náběhem mezi stěnami a se zkosením ve stojaté části u stykové plochy s pracovní deskou. Tato část kromě funkce podpěry pracovní desky sdružuje ještě díry pro provléknutí šroubovice a uchycení matice s přírubou a pro uchycení domku s kuličkovým pouzdrem. Jak držák motorů, tak podpěra pracovní desky je celkem ve čtyřech kusech, podpěra je však ve dvou případech zrcadlově otočená.
Osa Y obsahuje tři druhy plastových výtisků pro jednu stranu. Dva z nich se starají o uchycení držáků s ložisky pro trapézovou šroubovici a pro uchycení motoru (Obr. 19). Třetí část je složitější než předchozí (Obr. 18). Lze si ji představit jako desku, pod kterou je umístěn menší kvádr s půlkruhovým zaoblením, ve kterém je díra pro vedení šroubovice a díry pro uchycení mosazné matice. Nad myšlenou deskou je plocha s dírami pro domek s dvojitým kuličkovým pouzdrem. Na jedné ze stran je přidán ležící hranol s tvarem podstavy pravoúhlého lichoběžníka, jenž doplňuje boční plochu, na které jsou díry pro připevnění axiálního uchycení vodících tyčí osy X. Na vrcholu objektu je pak materiál pro upevnění motoru osy X nebo držáku s ložisky pro šroubovici.
Obr. 16 Fotografie držáku motoru (2x) pro osu Z včetně uchycení ke konstrukci a motoru
Obr. 17 Podpěra pracovní desky Obr. 18 Spojovací část osy Y (vlevo s částí pro uchycení motoru)
Obr. 19 Fotografie úchytů motorů a šroubovic pro osu Y
Posledním dílem je držák tiskové hlavy (Obr. 20). Tato složitá část obsahuje dutinu ve tvaru kvádru pro vložení tiskové hlavy včetně motoru. Nad dutinou je dále plocha pro domky s kuličkovými pouzdry, mezi nimiž vedou dva sloupky, které jsou zakončené válcem s dírou pro trapézovou šroubovici. Všechny zmíněné části jsou mezi sebou vyztuženy. Na zmíněných sloupkách je pak přišroubován plech s koncovými snímači polohy a konec energetického řetězu
pro přívod kabelů. Obr. 20 Držák tiskové hlavy
5.1.4 Ostatní části
Mezi ostatní části tiskárny patří deska pracovního stolu, která je vyrobena ze smrkové spárované desky o rozměrech 600 krát 380 krát 18 mm. V desce je frézovaný výřez pro kabeláž vyhřívaných podložek, na které přijde skleněná deska o rozměrech 600 krát 310 krát 4 mm. Další částí je podklad pro elektroniku, jenž je vyroben ze tří částí nerezového plechu.
Plechy jsou vhodně naohýbané tak, aby u velkých ploch nedocházeno k průhybům.
Významný je i spojovací materiál, bylo použito různě množství různých šroubů s různými délkami a různým zakončením hlav šroubů, včetně matic a podložek. Nejčastější závity šroubů byly M3, M5, M6 a M8, v některých spojích byli použity šrouby se samořezným závitem. Dalšími částmi jsou držáky koncových snímačů, energetické řetězy, kabeláž a PTFE trubička pro vedení tiskové struny.
5.2 Elektronika
Zapojení elektronických součástek vychází z projektu RepRap, kde je k dispozici řešení této problematiky. K využití je více možných elektronických zapojení s různými obvody. Pro tuto 3D tiskárnu je nejvýhodnější použít elektronický modul RAMPS verze 1.4, a to z důvodu jeho snadné úpravy a jednoduché možnosti vyvedení některých signálních vodičů. Samotné součástky a zapojení lze rozdělit na základní elektroniku, která je nutná pro jakoukoliv 3D tiskárnu, a rozšíření.
5.2.1 Základní elektronika
Mezi základní elektronické obvody použité pro stavbu této 3D tiskárny patří vývojová deska Arduino Mega 2560, modul RAMPS 1.4, řadiče krokových motorů A4988, krokové motory 17HS16-2004S, mechanické koncové spínače, LCD display s ovládacím rozhraním, tisková hlava MK9 včetně krokového motoru, topného tělesa, termistoru a ventilátoru, dále zde patří vyhřívané podložky s termistorem a napájecí zdroje. Kompletní blokové schéma zapojení je k dispozici v příloze B.
Arduino Mega 2560 je hlavním řídícím obvodem 3D tiskárny, jenž je osazen mikroprocesorem ATmega2560, u kterého lze použít 54 digitálních vstupně výstupních pinů, z nichž 15 poskytuje výstup pro PWM, 16 analogových vstupních pinů, paměť pro program typu Flash o velikosti 256 KB, paměť EEPROM a SRAM o velikostech 4 a 8 KB pro data.
Provozní napětí čipu je 5 V a oscilační obvod je taktován na 16 MHz. Na zmíněnou desku je nasazen modul RAMPS 1.4, jehož úkolem je propojení řídícího obvodu s veškerou
elektronikou. Důležitou částí desky jsou dutinkové lišty pro nasazení řadičů krokových motorů, pod nimiž jsou propojovací piny, které specifikují mikrokrokování. To je použito pro motor tiskové hlavy a je nastaveno na poloviční krok, a u motorů pohybů os na jednu šestnáctinu z kroku. Dalšími důležitými částmi jsou v levé části desky svorkovnice pro silovou část obvodu, vpravo nahoře vstup pro koncové snímače, a pod nimi vstup pro teplotní čidla.
V zařízení je použito celkem 8 krokových motorů (jeden pro tiskovou hlavu) s označením Nema 17. Motory 17HS19-2004S určené pro pohyb os mají bipolární zapojení cívek, moment síly o velikosti 0,59 Nm, jmenovitý proud fází 2 A a úhel jednoho kroku činí 1,8°. Motory jsou řízeny řadiči A4988, u kterých lze pomocí trimru regulovat výstupní proud a to až do velikosti 2 A.
Tisková hlava MK9 (Obr. 22) obsahuje čtyři elektrické prvky, prvním je krokový motor s blíže nespecifikovanými vlastnostmi, avšak při porovnání s motory pro pohyb os, má stejný úhel jednoho kroku a menší velikost momentu síly a jmenovitého proudu. Další částí tiskové hlavy je topné těleso s napájecím napětím 12 V a příkonem 40 W, které je umístěno v hliníkovém bloku s tryskou o průměru otvoru 0,4 mm, která je měnitelná. Pro regulaci teploty je v hliníkovém bloku zároveň umístěn NTC termistor se jmenovitou hodnotou odporu 100 kΩ a s B faktorem 3950 K. Posledním prvkem, který je umístěn na chladiči tiskové hlavy, je ventilátor vyžadující napětí 12 V.
Pro ovládání a zobrazení stavu tiskárny slouží panel s LCD displejem, digitálním otočným tlačítkem, piezoreproduktorem, tlačítkem pro resetování a trimrem pro ovládání jasu displeje (Obr.
23). Panel s displejem lze dohledat pod názvem „RepRapDiscount Full Graphic Smart Controller 12864“. Ostatními částmi jsou koncové mechanické snímače polohy (Obr. 21), u kterých je potřeba dávat pozor na správné zapojení k desce RAMPS 1.4, dále vyhřívané podložky (více specifikované v následující kapitole) s termistorem stejného typu jako u tiskové hlavy.
Obr. 21 Koncový snímač polohy
Poslední částí obvodu jsou dva napájecí zdroje, jejichž vstupem je síťové střídavé napětí 230 V a výstupem stejnosměrné napětí o velikostí 12 V. Rozdíl mezi nimi je ve výkonech, které mohou dodat. První je schopen dodat výkon 600 W (maximální proud 50 A) a je použit pro napájení vyhřívané podložky. Výstup druhého zdroje napájí desku RAMP 1.4 a rozšiřující desku plošného spoje a to do výkonu 300 W (maximální proud 25 A). Oba zdroje jsou na vstupu chráněny pomalou tavnou pojistkou o velikosti proudu 3 A, která je umístěna v přívodní zdířce.
Obr. 22 Tisková hlava Obr. 23 Panel s LCD displejem a ovládáním
5.2.2 Rozšíření
Tato kapitola se zabývá dvěma částmi elektrického obvodu, se kterými si nedokáže poradit základní elektronika. Tou první je větší počet použitých motorů pro osy Y a Z a druhou je spínání vyhřívaných podložek. Řešení s použitím více motorů pro jednu osu je méně typické, obvyklejší je použít jeden motor a pohyb do více míst rozvést například pomocí řemene. Toto řešení by však znamenalo větší zásah do konstrukce a s tím spojené větší náklady na pořízení, což platí zejména pro motory a jejich řadiče. Výhodnější je koupit více menších motorů a řadičů s menším proudovým zatížením, než jeden větší motor a jeden řadič s dostatečně dimenzovaným proudovým zatížením.
Pro použití více motoru je potřeba vytvořit desku plošného spoje, do které se budou moci vložit řadiče motorů A4988 a která umožní přívod vodičů se signály pro správnou
funkčnost řadičů. Při pohledu na A4988 se musí přivézt signály Enable, Direction, Step, napájecí napětí 5V a společná zem GND volitelně pak signály označené jako MS1, MS2, MS3, které určují mikrokrokování, tyto signály by bylo možné vytvořit přímo na desce, tak jako na RAMPS 1.4. Tím by však mohla nastat situace, kdy u více pohonů jedné osy by byl rozdílný počet kroků k dosažení nějaké vzdálenosti při pohybu, což je nežádoucí. Upravená univerzální deska plošného a dutinkové a pinové lišty (viz Obr. 24) umožňují vyvedení zmíněných signálů z desky RAMPS 1.4.
Navrhovaná deska vychází ze zapojení RAMPS 1.4, které je volně dostupné, a modifikovatelné. Schéma (Příloha C) obsahuje především konektory pro přívodní signály,
Obr. 24 Rozšíření pro vyvedení signálů
dále pro výstup na motory a pro propojky signálů Enable, vše je realizované pomocí pinových lišt. Součástí jsou rezistory pro definování úrovně napětí, kondenzátory pro vyrovnávání spínané zátěže, ochranná dioda proti přepólování a vratná tepelná pojistka do velikosti proudu 5 A. Deska plošného spoje je dvouvrstvá s nepájivou maskou o rozměrech 100 krát 35 mm, rozmístění součástek je vidět na Obr. 25, data potřebná k výrobě jsou k dispozici na přiloženém CD.
Obr. 25 Rozmístění součástek navržené DPS
Téma spínání vyhřívaných podložek vychází z elektrických parametrů podložek. Dle výrobce má být podložka připojena na napětí 12 V a výkon potřebný k ohřevu je udáván na 280 W. Aplikováním jednoduchého vzorce na výpočet výkonu, kdy výkon se rovná součinu napětí a proudu, vychází velikost proudu na 23,3 A pro jednu podložku. Tudíž v případě paralelního zapojení dvou podložek, je nutné dodat celkový proud 56,6 A. Jako spínací prvek je použit unipolární MOSFET tranzistor IRFP3306 s indukovaným kanálem typu N.
Maximální trvalý proud tranzistorem je dle výrobce udáván na 120 A, maximální napětí mezi vývody drain a source je 60 V, maximální úbytek napětí mezi vývody gain a source jsou 4 V a maximální odpor v sepnutém stavu mezi drain a source je 4,2 mΩ. Z hodnoty maximálního odporu a celkového proudu lze vypočítat maximální ztrátový výkon, ten činí přibližně 13,5 W. Z toho důvodu je součástka upevněna na chladič.
Pro průchod takto vysokého proudu je potřeba vhodně dimenzovat přívodní vodiče.
Celkový průřez přívodních vodičů podložek je přibližně 3 mm2 a délce do 600 mm, vodič spojující vývod tranzistoru a zdroje má průřez 4 mm2 a délku přibližně 100 mm, přesto se oba vodiče zahřívají. Přívodní signál do vývodu gate MOSFET tranzistoru je vyveden z desky RAMPS 1.4, která musela být upravena, a to odstraněním tranzistoru označeného Q3, jenž se používá pro stejný způsob spínání vyhřívaných desek, ale daleko menších příkonů. Schéma zapojení této části je k dispozici v příloze B.
5.3 Firmware
Repetier-Firmware ve verzi 0.92 je použit jako řídící systém této tiskárny.
Použitelnost firmwaru pro konkrétní tiskárnu určují parametry uvedené v konfiguračním souboru programu „Configuration.h“. Tento soubor se může modifikovat pomocí konfiguračního nástroje, jenž je dostupný jako webový formulář na adrese www.repetier.com/firmware/v092/. Parametry lze rozdělit do několika sekcí, jako jsou obecné parametry, parametry určující mechaniku tiskárny, dále specifikace pro nástroje, funkce a uživatelské rozhraní. Většina parametrů je určena na základě použité elektroniky a mechanických částí, některé se musejí vypočítat a některé se určují empiricky. Cílem této části textu však není popis veškerých možných nastavení ale pouze vybraných, které nejvíce ovlivňují chování tiskárny. Nejdůležitější parametry jsou uloženy v EEPROM paměti procesoru a mohou být měněny za chodu tiskárny, není nutností nahrávat do zařízení nově upravený firmware.
5.3.1 Hodnoty parametrů
V obecných parametrech se určuje typ procesoru, základní desky, souřadného systému, zobrazeno na Obr. 26, dále rychlost přenosu dat a rozměry pracovního prostoru, které jsou určeny polohou počátečních koncových snímačů a délkou. Na snímkách - dostupné na přiloženém CD - jsou zobrazeny veškeré nastavení parametrů, u těch obecných se lze pozastavit u parametru určující polohu koncového spínače osy X, který je záporný. Tryska se nachází mimo pracovní stůl při sepnutém snímači, z toho důvodu je zde záporná hodnota.
Dále lze v obecných parametrech nastavit korekci osy Z, což je určeno pro tiskárny typu delta, pro navrženou tiskárnu se toto nepoužívá.
Obr. 26 Snímek konfiguračního nástroje firmwaru
Mechanická část konfiguračního nástroje se zabývá především nastavením krokových motorů, což může být například čas, po kterém se mají vypnout motory v případě neaktivity, ryv (jerk) pro osy X a Y, zvlášť pro osu Z. Ryv určuje časovou změnu zrychlení a má vliv především na navazování jednotlivých pohybu při tisku, nízké hodnoty jsou nejvíce patrné při kruhových pohybech. Pro krokové motory jednotlivých os lze zvlášť určit rozlišení, maximální rychlost a rychlost pro nalezení koncové polohy, zrychlení pro přejíždění a tisk, směr otáčení nebo logickou úroveň signálu „Enable“. Parametr rozlišení určuje počet kroků, které jsou potřebné ke změně polohy osy o jeden milimetr. Má na něho vliv stoupání šroubovice (P = 8 mm na otáčku), změna úhlu motoru mezi jednotlivými kroky (α = 1,8°) a počet mikrokroků na jeden krok (μStep = 16), vypočítá se podle následujícího vzorce:
• !"# = 360
% ∙1
'∙ ()*+, = 360 1,8 ∙1
8∙ 16 = 400 ./2.ů/99
Z tohoto údaje lze vypočítat rozlišení tiskárny, neboli o jakou minimální délku se může pohnout tryska nebo stůl. Do výpočtu však nelze zahrnout vliv mikrokrokování, které má za úkol vytvořit plynulý chod otáčení šroubovice bez výrazných vibrací, nikoliv zmenšení této délky. Výpočet je následující:
• !"= 1
#$%&' ()*+,
=()*+,
#$%&' = 16
400= 0,04 // = 40 (/
Mechanickou část dále tvoří detailnější nastavení koncových snímačů a procesu jejich nalezení, dále pak nastavení retrakce při pauze a detekování tzv. jamování. Retrakce je způsob zabránění vzniku jemných vláken při přejezdu tiskové hlavy v momentě, kdy netiskne.
Jamování je zaseknutí nebo ucpání otvoru tiskové struny tak, že tisková hlava není schopna materiál vytlačit, detektor však na této tiskárně není k dispozici.
Další část konfiguračního nástroje se zabývá nastavením nástroje. Firmware je multifunkční a lze ho použít i pro laserové vypalování a CNC frézování, samozřejmě k tomu musí být uzpůsobeno zařízení. Pro technologii 3D tisku FFF se zde nastavují různé rozsahy a hodnoty teplot trysky a vyhřívané podložky. Jsou tu například nastavena minima a maxima teplot, které chrání tiskárnu před poškozením v případě, kdy může dojít k poruše teplotního čidla. Za zmínku také stojí parametr minimální teplota tiskové hlavy, který brání v pohybu tiskové struny v případě, že je teplota menší, zde je nastavena na teplotu 150 °C.
Důležitými parametry pro nastavení vyhřívání jak tiskové hlavy, tak podložky je typ teplotního čidla, nastavení pinů pro teplotní čidlo a výstupu vyhřívání, dále způsob řízení a nastavení výstupních hodnot PWM modulace. Pro řízení teploty vyhřívané podložky je použit princip dvoustavového regulátoru, pro trysku pak PID regulátor. Hodnoty proporcionální, integrální a derivační složky jsou seřízeny pomocí autotuningové funkce, ta lze vyvolat příkazem „M303 P[t] S[u] C[v]“, kde za [t] se dosadí číslo zařízení, pro které se má seřízení uskutečnit, v tomto případě 1 pro trysku a pro vyhřívanou podložku číslice 3.
Za [u] se dosadí hodnota cílové teploty a za [v] počat opakovacích cyklů. Výsledkem jsou hodnoty P, I a D složky regulátoru, které lze měnit v paměti EEPROM.
U motoru tiskové hlavy se musí určit rozlišení, neboli počet kroků na milimetr posunu tiskové struny, stejný údaj je i u motorů pro pohyb os. Zjištění tohoto údaje v tomto případě vyžaduje experiment s již zapojenou elektronikou tiskové hlavy k desce RAMPS 1.4 a nahraným firmwarem. První údaj o počtu kroků se musí odhadnout a nastavit ještě před nahráním firmwaru do zařízení. Z tiskové hlavy se odstraní hliníkový blok s tryskou a vloží se materiál, na kterém je vyznačen úsek 100 mm. Pomocí aplikace Repetier-Host pootočíme tiskovou hlavou právě o 100 mm a dle vyznačení změříme skutečnou délku posunutí. Pro nový údaj o počtu kroků Nstep2 musí platit, že !"#$%& = 'č$)á*+,á -é.)+ ∙ 01234
")5#$č,á -é.)+ . Údaj lze získat i testováním různých hodnot. Pro navrženou tiskárnu se tento parametr rovná hodnotě 13,2 kroků na milimetr.
Posledními oblastmi parametrů firmwaru je nastavení přídavných funkcí, to mohou být reakce na různé druhy příkazů, řízení chlazení, podpora připojení SD karet a například nastavení rektrakce. Další oblastí je uživatelské rozhraní, zde se nastavuje typ připojeného displeje, jazyk rozhraní, čas obnovení displeje, název tiskárny, teplotní profily pro tisk z PLA a ABS. Takto vytvořený konfigurační soubor lze na konci tohoto procesu stáhnout a použít.
5.3.2 Postup zavedení programu do zařízení
Kompletní firmware obsahuje 37 souborů, jeho úpravu, kompilaci a nahrání do zařízení zajišťuje vývojové prostředí Arduino IDE (v tomto případě ve verzi 1.6.2) a společně s firmwarem je k dispozici na přiloženém CD. Arduino IDE je určeno k ladění a vývoji programů pro jakékoliv elektronické desky se stejnojmenným názvem. Prostředí tvoří ovládací lišta, textový editor a stavovým polem (černý rámeček) a obsahuje českou lokalizaci, jak je patrné na Obr. 27.
Mezi soubory firmwaru je jeden s názvem „Repetier.ino“, ten je otevřen ve vývojovém prostředí, zároveň se v textovém editoru otevřou všechny přidružené soubory.
Před nahráním programu do zařízení je potřeba nastavit typ vývojové desky, procesor a port sériového rozhraní, toto nastavení je dostupné v roletovém menu ovládací lišty s názvem
„Nástroje“. Typ desky a procesoru je zobrazen na Obr. 28. Přes tlačítko „Nahrát“ v roletovém menu „Projekt“ se firmware zkompiluje a přenese do procesoru elektronické desky.
Obr. 27 Snímek aplikace Arduino IDE Obr. 28 Nástroje aplikace Arduino IDE
6 Postup vytisknutí modelu
Postup pro úspěšné vytisknutí modelu v sobě zahrnuje přípravu a údržbu tiskárny, příprava modelu a vytvoření výrobních dat, a předcházení nepříznivých vlivů, které mohou nastat během procesu tisku. Samotný tisk je velmi zdlouhaví proces, Například krychle s délkou hrany 20 mm, jejíž výplň je tvořena materiálem pouze z dvaceti pěti procent, se tiskne přibližně 20 minut. Větší modely může tiskárna tisknout 12 i více hodin. Proces se skládá z mnoha části, které do sebe musejí perfektně zapadat
6.1 Příprava tiskárny
Mezi pravidelnou činnost při přípravě tiskárny patří úprava podkladu. Pro materiál ABS se povrch skleněné tabule musí natřít kancelářským lepidlem na papír ve formě tuhé tyčinky (např. Kores). Po jejímž zaschnutí se povrch natře rozpuštěným materiálem ABS v acetonu, tato směs se slangově nazývá „ABS juice“ nebo do češtiny přeneseným výrazem
„ABS džusík“. Tato úprava povrchu má za úkol udržet tisknutý model na podložce. Ošetřený povrch vydrží několik výtisku, po kterých by se měl povrch obnovit. Odstranit ho lze snadno v horké až vařící vodě pomocí kuchyňské houbičky a případně špachtle.
