Мы уже довольно подробно рассмотрели FDM-технологию 3D-печати (Fused Deposition Modeling — послойное наплавление или моделирование методом осаждения расплавленной нити) и используемые расходные материалы, а также выяснили причины, по которым FDM-принтеры стали в настоящее время столь распространенными и популярными. Теперь пришло время познакомиться с принятой терминологией и рассмотреть составные части и особенности конструкции таких 3D-принтеров.
Печатающая головка: экструдер и hot-end
Наиболее важная часть любого принтера, будь то струйный 2D или Fused Deposition Modeling 3D, это печатающая головка. В данном случае она состоит из нагревателя, в котором пластиковая нить (иногда используется не нить, а пруток) расплавляется и затем выдавливается через сопло с отверстием малого диаметра — обычно в пределах 0,15–0,5 мм, а также механизма, обеспечивающего дозированную подачу нити в нагреватель. Подающий механизм принято называть экструдером (от англ. extrude — выталкивать, т.е. extruder — толкатель), а нагреватель с соплом называют хот-энд (hot-end; по аналогии экструдер иногда называют cold-end). Порой всю печатающую головку, включая hot-end и cold-end, для краткости называют экструдером, что не совсем правильно: экструдер лишь самая крупная часть головки.
Напомним, что нить или прутки поставляются двух диаметров: 1,75 и 3,0 мм. Экструдер может работать только с каким-то одним диаметром, который надо уточнять в спецификации принтера и учитывать при покупке расходных материалов. Для подачи нити используются шаговый двигатель и система шестеренок и валов. Управляющий двигателем контроллер обеспечивает не только нужную скорость подачи нити, но и обратное действие — ее извлечение, например, при смене материала.
Естественно, температура hot-end контролируется термистором, поэтому к этой части головки всегда подходят четыре провода: два потолще к нагревателю и два потоньше к термистору.
![Печатающая головка 3D-принтера](images/fdm/printhead.jpg)
Поскольку рабочая температура большинства материалов достаточно высока — 200–250 °C, а порой и выше, то приходится принимать меры, чтобы обеспечить расплавление нити именно в сопле и избежать нагрева экструдера, в котором могут быть пластиковые детали.
Для этого устанавливают радиаторы между hot-end и cold-end, экструдер дополнительно охлаждают небольшим вентилятором, а также используют «тепловые барьеры» (thermal break, thermal barrier): прокладки из вещества с малой теплопроводностью, в качестве которого может использоваться политетрафторэтилен (PTFE, также известный как тефлон и фторопласт) или полиэфирэфиркетон (ПЭЭК, латиницей PEEK). Поскольку при работе с некоторыми материалами температура hot-end может приближаться к 300 °C, то прокладки должны выдерживать такую температуру не только без значительных деформаций, но и без выделения токсичных веществ. В отношении тефлона в этом плане бытуют подозрения, обоснованность которых мы обсуждать не будем и лишь скажем, что в любом случае работать с FDM-принтером лучше в хорошо проветриваемом помещении.
![Хот-энд 3D-принтера](images/fdm/hotend.jpg)
Трубки из PTFE или PEEK используют еще и для снижения трения между нитью и стенками отверстия нагревателя, на входе в которое пластик нити еще твердый, затем, по мере продвижения к более нагретой зоне, он проходит температуру стеклования, и лишь в области с наиболее высокой температурой переходит в расплавленное состояние. В зоне стеклования, где материал нити уже не твердый, но еще не жидкий, наблюдается высокое сопротивление проталкиванию нити, поэтому крайне желательно, чтобы трубка доходила до точки, в которой нить уже расплавлена.
Сопло считается расходным материалом: его отверстие со временем засоряется, покрываясь нагаром, и приходится либо чистить (что непросто, особенно если отверстие диаметром 0,15 мм), либо заменять сопло. Поэтому крайне желательно, чтобы сопло было не просто сменным, а еще и заменялось без особых хлопот, для чего используют резьбовое соединение. Сопла разных принтеров далеко не всегда взаимозаменяемы: шаг и диаметр резьбы могут быть разными, к тому же сама резьба на сопле может быть не только внешней, как на фото, но и внутренней.
![Сопло печатающей головки 3D-принтера](images/fdm/extruder-nozzle.jpg)
Печатающая головка не обязательно бывает одна: есть немало принтеров с двумя головками. Они позволяют использовать при печати сразу два материала — например, один для собственно модели, а второй, легко удаляемый, для поддерживающих структур, о чем мы писали в обзоре технологий.
Рабочий стол
Следующая важная деталь — рабочий стол или платформа (print bed), на поверхности которой и формируется создаваемая модель. Для рабочего стола нужно обеспечить возможность достаточно точной юстировки, чтобы расстояние между его верхней плоскостью и выходным отверстием сопла по всей рабочей площади было одинаковым. С другой стороны, стол должен двигаться, поэтому к нему нужно жестко крепить конструктивные элементы, обеспечивающие перемещение. Поэтому часто платформа представляет собой двухслойный «бутерброд», к нижней части которого не предъявляется особых требований — она лишь служит для крепления таких элементов и является основой, на которой располагается юстируемая рабочая поверхность, на которой как раз и будет создаваться 3D-модель. Именно об этой части платформы мы и будем говорить далее. Добавим лишь, что в некоторых прототипах, созданных в рамках проекта RepRap, нижняя часть рабочего стола может изготавливаться из самых доступных материалов — МДФ или фанеры.
Очень желательно, чтобы крепление верхней части стола было не жестким, а подпружиненным: при этом, в частности, не так критичны небольшие ошибки в юстировке, когда в какой-то позиции зазор между выходным отверстием сопла и поверхностью платформы становится слишком малым, а то и вовсе переходит в область отрицательных величин.
В качестве материала для платформы используют разные материалы: стекло, акрил, алюминий. И почти всегда приходится решать одну из самых частых проблем FDM-печати — надежную фиксацию первого слоя модели на платформе, поскольку используемые для печати пластики плохо прилипают к алюминию или стеклу. Это решается разными способами: перфорацией платформы, нанесением покрытия, подогревом стола, а также комбинацией этих методов.
Для покрытия нужны материалы, не только обеспечивающие хорошую адгезию, но и выдерживающие температуру расплавленной нити при нанесении первых слоев. Часто используют каптон (Kapton) — тонкую пленку желтого цвета из полиимида, выдерживающую температуру до 400 °C. Для принтеров используется каптон в виде самоклеящейся ленты шириной от 5 до 200 мм, отрезками которой, наклеенными встык, покрывается рабочая поверхность платформы. Конечно, использовать для этого 5-миллиметровую ленту затруднительно — слишком много отрезков придется наклеивать, а 200-миллиметровую сложнее наклеить ровно, поэтому чаще используют промежуточные значения.
![Лента Kapton (каптон)](images/fdm/kapton.jpg)
Другой распространенный вариант — синий скотч или Scotch Blue Tape на основе полипропилена, выпускаемый фирмой 3M. Вообще-то он предназначен для малярных и упаковочных работ (им, например, часто защищают глянцевые детали различных изделий), но высокая термостойкость сделала его пригодным для FDM-печати.
Для справки: артикул синего скотча 2090, а последующие цифры определяют примерную ширину рулона в дюймах: 2090-.75A — 18 мм, 2090-1А — 24 мм, 2090-1.5А — 36 мм, 2090-2А — 48 мм; есть еще 2090-CM, предназначенный для углов. Длина рулона 55 м.
![Синий скотч, Scotch Blue Tape](images/fdm/scotch-blue-tape.jpg)
Достоинство покрытия, состоящего из отдельных полос, в том, что его по мере износа или при повреждениях можно заменять частями, а не целиком.
Есть и другие варианты, включая «доморощенные» — нанесение лака для волос. Еще один материал, самоклеящаяся пленка для лазерных принтеров, использован в принтере PrintBox3D One, о чем мы расскажем в свое время.
Но даже наличие покрытия не обеспечивает должную адгезию для большинства расходных материалов, поэтому платформу приходится подогревать, для чего в ряде моделей на нижней части рабочего стола размещается электрический нагреватель — из нихромовой проволоки, или выполненный в виде печатных проводников, или даже просто в виде нескольких мощных низкоомных резисторов.
![Вариант нагревателя рабочего стола](images/fdm/bedheater.jpg)
Этот нагреватель также контролируется термистором. Прогрев платформы должен быть равномерным, что может обеспечиваться достаточной толщиной самой платформы, но при этом желательно, чтобы рабочий стол нагревался достаточно быстро — не за секунды, конечно, но хотя бы в пределах минуты-двух. А такой популярный пластик, как ABS, требует подогрева до температуры свыше ста градусов, поэтому нагреватель должен быть достаточно мощным.
Подогрев стола нужен еще и для уменьшения температурного градиента между первыми из напечатанных слоев и теми, которые созданы только что. Нижние слои начинают остывать, и особенно быстро, если они соприкасаются с гораздо более массивной платформой, имеющей комнатную температуру. При этом возникают деформации, из-за которых модель может начать выгибаться, а порой и просто отрывается от стола. Поэтому подогрев желателен даже при работе с материалами, адгезия которых к поверхности стола мало зависит от температуры этой поверхности.
Отметим, что и нагреватель, и термистор располагаются с нижней стороны платформы, поэтому контролируется температура именно этой стороны, а деталь будет располагаться на верхней. Поэтому лучше не торопиться и подождать немного, чтобы платформа прогрелась целиком, особенно если она сделана из достаточно толстого материала.
Механизмы перемещения
Во время печати и головка, и платформа должны двигаться. Для этого нужны как механизмы, реализующие собственно перемещение (двигатели), так и направляющие, обеспечивающие точность перемещения.
Обычно головка перемещается по одной из горизонтальных осей, а движение по вертикали и по второй горизонтальной оси обеспечивается движением рабочего стола. Таким образом, нужны три двигателя. Как и в экструдере, используются шаговые двигатели, обычно имеющие шаг в 1,8 градуса, т.е. 200 шагов на полный оборот. Это полношаговый режим, есть еще полушаговый и микрошаговый, который и используют для повышения точности перемещения — управляющая двигателем электроника добавляет некоторое количество промежуточных шагов, причем зачастую значительное: наиболее популярные контроллеры обеспечивают деление шага двигателя на 4, 8 и даже 16 частей, и тогда полный оборот ротора двигателя будет соответствовать уже 3200 микрошагам.
Вращение роторов двигателей нужно преобразовать в поступательные движения головки и рабочего стола. Для этого используются либо системы шкивов и зубчатых ремней, либо валы с резьбой. Передача с помощью вала обходится дешевле, но она не может обеспечить точность позиционирования при высоких скоростях, поэтому чаще всего ее используют для вертикального перемещения платформы, которое происходит достаточно медленно, и лишь в дешевых моделях применяют еще и для движений в горизонтальной плоскости.
![Шаговый двигатель и вал с резьбой](images/fdm/motor.jpg)
Направляющие используют цилиндрические в дешевых моделях и линейные в более дорогих. Материал, естественно, сталь, а к точности изготовления и чистоте обработки предъявляются высокие требования, потому что от этого напрямую будет зависеть точность печати.
Сложная по конструкции и прочная платформа будет иметь немалую массу, что создаст серьезную нагрузку на двигатель, обеспечивающий ее перемещение в горизонтальной плоскости (в вертикальном направлении перемещение и более медленное, и не постоянное). Двигатель будет нагреваться, из-за чего в какой-то момент могут начаться пропуски шагов и другие неприятности. Поэтому рабочий стол стараются максимально облегчить — конечно, не в ущерб прочности, скорость печати порой приходится ограничивать и принимать меры к нормализации теплового режима двигателя (например, обеспечив тепловой контакт с массивной металлической рамой).
Крайние позиции перемещения как головки, так и платформы контролируются установленными в соответствующих местах датчиками. В простейшем случае датчиком может быть механический замыкатель или размыкатель, но и точность, и надежность такого датчика не всегда достаточны, поэтому порой используют оптические (светодиод и фотодиод, в нужный момент зазор между ними перекрывается шторкой) или магнитные, на датчиках Холла.
Температурный режим модели
Есть и еще один момент, который учитывается во многих принтерах. Он связан с тем, что пластик, вышедший из сопла, застывает не сразу, а потому подвержен деформациям. Особенно это критично при наличии так называемых «мостов» — протяженных горизонтальных перемычек, имеющих опоры только по краям: нити еще не застывшего пластика неизбежно провисают, что потребует создания дополнительных поддерживающих структур, которые потом придется удалять. Но даже если «мостов» в модели нет, то может возникать заворачивание углов с малым радиусом кривизны (curling corners), а на элементах небольшого размера — оплывание предыдущего слоя, который не успел отвердеть до момента нанесения следующего.
До известной степени избежать подобных проблем можно, если принять меры к скорейшему отверждению пластика, а это можно сделать одним способом: охлаждением с помощью дополнительного вентилятора, одного или нескольких. Выбрать вентилятор несложно, есть множество моделей разного размера, предназначенных для компьютеров; управлять скоростью их вращения тоже не составляет труда, зато выбор места размещения самого вентилятора и правильного направления потока воздуха от него — это целое искусство. В этом отношении FDM-печать имеет неприятную двойственность: с одной стороны, нужно быстро охладить выдавленный из сопла пластик, а с другой — делать это нужно равномерно, чтобы одна сторона модели не охлаждалась быстрее другой, иначе неизбежны термические деформации. К тому же охлаждающий поток воздуха не должен заметно влиять на те элементы принтера, которые должны иметь постоянную высокую температуру: хот-энд и подогреваемый стол.
Поэтому FDM-принтер «боится» сквозняков, и некоторые модели даже снабжают защитным кожухом, который при домашнем использовании заодно помогает ограничить доступ детей к опасным частям аппарата. Но под кожухом образуется замкнутое пространство, подогреваемое и хот-эндом, и нагретой платформой, и работающими двигателями, и остывающим пластиком уже созданной части модели, что замедляет отверждение выдавленной нити и приводит к еще большим деформациям.
Рама
Конечно, все перечисленные компоненты должны располагаться на достаточно прочной и жесткой раме, обеспечивающей в долговременном плане сохранение геометрии и отсутствие люфтов независимо от различных неблагоприятных условий — температуры и влажности окружающей среды, а также вибраций, возникающих во время печати.
Зачастую для рамы используют недорогой алюминиевый профиль, например, используемый в качестве мебельной фурнитуры, а порой и обычные стержни с резьбой, которые можно купить в магазинах стройматериалов. Они соединяются в единое целое с помощью изготовленных из пластика муфт, хомутов и других элементов, скрепляемых гайками и болтами. Подобное допустимо лишь в самодельных принтерах, где во главу угла ставится минимальная себестоимость конструктивных элементов и их максимальная доступность в продаже.
В некоторых моделях, в том числе «заводских», рама сделана из оргстекла или фанеры, причем особо подчеркивается, что фанерные элементы сделаны лазерной резкой; конечно, никакой лазер не сделает фанеру металлом, поэтому весьма сомнительны и долговечность подобных конструкций, и отсутствие проблем при работе с такими принтерами.
Электронные блоки
Теперь переходим к управляющей электронике.
Управляет работой всех компонентов принтера контроллер, в который поступает программа на языке G-code. Она генерируется на основе подготовленного в каком-либо 3D-редакторе STL-файла, описывающего будущую модель. G-code достаточно прост для восприятия: в строчках программы содержатся команды на перемещение головки и платформы, включение-выключение нагревателей и вентиляторов, поэтому для более-менее опытного специалиста не составляет проблемы внести правку в готовый код.
Подавляющее большинство контроллеров 3D-принтеров работает на платформе Arduino, имеющей открытые архитектуру и программный код. Язык программирования основан на C/C++ и прост в освоении, а среда программирования Arduino подразумевает работу через USB-порт без всяких дополнительных программаторов.
В качестве аппаратной части Arduino с самых ранних версий использовались и до сих пор используются распространенные и относительно недорогие микроконтроллеры Atmel: ATmega32u4, ATmega328, ATmega2560, ATmega1280 и т.п., а в последних разработках применен 32bit-микропроцессор Cortex-M3 ARM SAM3U4E. В FDM-принтерах чаще встречается ATmega2560.
![Контроллер Arduino Mega](images/fdm/arduino.jpg)
Для управления различными устройствами (в 3D-принтерах это двигатели, нагреватели, вентиляторы) и получения данных (с термисторов и датчиков крайних положений) используются дополнительные модули, прежде всего драйверы шаговых двигателей, способные обеспечить соответствующие выходные токи и работу в микрошаговом режиме.
![Подключения с помощью RAMPS](images/fdm/rampswire.png)
Для удобства сопряжения таких модулей с платой микроконтроллера используются промежуточные платы RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield, где Pololu — название фирмы, специализирующейся на выпуске комплектующих для робототехники). Эти платы бывают разных версий, в настоящее время самой распространенной является RAMPS 1.4 с smd-компонентами. Такая плата с одной стороны имеет группы штыревых разъемов для соединения с платой микроконтроллера, а с другой — разъемы для подключения модулей и внешнего оборудования (двигателей, нагревателей, термисторов). В результате получается единый компактный блок, который после загрузки в микроконтроллер управляющей прошивки готов работать в составе FDM-принтера.
![Контроллер Arduino с платой RAMPS и драйверами](images/fdm/rampsarduino.jpg)
Некоторые принтеры управляются только через компьютер (обычно через USB-порт, но встречаются модели с подключением по сети Wi-Fi), а другие имеют собственную панель управления, с помощью которой в простейшем случае можно осуществлять контроль температур по ЖК-индикатору, запускать и останавливать печать, а в более продвинутых вариантах еще и производить калибровку, загружать и выгружать пластиковую нить. Встречаются принтеры со встроенным картоводом для SD-карт или портом для накопителей USB-флэш, через которые можно загружать файл с последующей печатью модели без участия компьютера. Всё это обеспечивается «навешиванием» на микроконтроллер соответствующих модулей и, конечно, реализацией на микропрограммном уровне в прошивке.
От контроллера к печатающей головке, даже если она одна, подходит толстый пучок проводов: к шаговому двигателю, к нагревателю и термистору хот-энда, возможно — к вентилятору экструдера (при наличии). Еще один подобный пучок соединяет контроллер с рабочим столом. Конечно, можно просто стянуть провода стяжками, что и делается в самых бюджетных самодельных конструкциях, но главное: оба эти элемента постоянно перемещаются, и даже при достаточной длине пучков есть реальная опасность, что какой-то провод либо попадет в движущиеся части, либо через какое-то время просто перетрется или обломится. Поэтому эти провода укладывают в специальные гибкие оболочки, обеспечивающие свободное перемещение головки и рабочего стола, но в то же время страхующие от обрывов и замыканий.
Понятно, что принтер не будет работать без питания. Причем если для питания электронных схем зачастую вполне достаточно возможностей USB-порта, к которому обычно подключается принтер, то для двигателей и особенно нагревателей (хотя бы hot-end, если подогрев стола не предусмотрен) без блока питания соответствующей мощности не обойтись.
Поскольку процесс печати бывает очень длительным — время изготовления сложных моделей может занять 10–15 часов и более, то желательно позаботиться и о бесперебойном питании как самого принтера, так и компьютера, к которому он подключен (если, конечно, рабочие коды не загружаются с встроенного в принтер картовода). Понятно, что суммарное потребление энергии будет немалым, и подобрать ИБП, способный обеспечить работу в течение многих часов, и непросто, и дорого, но нужно хотя бы принять меры против сильных импульсных помех на линии электропитания, к которой подключен принтер, и отключить в управляющем компьютере переход в режим энергосбережения — кроме, конечно, гашения экрана.