VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание 3 D принтера
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Инновационные технологии стремительно входят в нашу жизнь, находя себе новые и новые применения. Многое что сегодня является для обычного человека банальностью, то для человека прошлого века было чем-то фантастическим и недостижимым. В сегодняшнее время идёт мощное развитие всевозможных технологий, которые так или иначе делают нашу жизнь легче и рациональнее. Одним из крупных шагов в развитии автоматизированной технологии производства стало разработка 3D принтера.
Сейчас доступно купить любой DIY мини 3D принтера и по инструкции собрать его.
Самостоятельное же создание аддитивного принтера — трудоёмкий процесс. Такое устройство не получится сделать за один вечер, а его настройка также может занять дополнительное время. Стоимость сборки при самостоятельном поштучном заказе компонентов может превысить цену бюджетного 3D-принтера, изготовленного фабрично.
Но мне, как человеку, увлекающегося техникой, электроникой, робототехникой и наукой, было интересно самому спроектировать и создать по своему чертежу 3 D принтер.
Объектом исследования является – аддитивные технологии.
Предмет исследования: 3D-принтер
Цель исследования: собрать 3D-принтер
Задачи:
Изучить историю появления и области применения 3D-принтера
Начертить модель принтера, собрать механику и электронику
Настроить программный код.
Новизна нашего проекта состоит в том, что он будет создан не по готовому чертежу. За основу был взят лишь принцип работы. Создание своими руками новой модели, это уже эксклюзив.
Практическая значимость исследования состоит в том, что может являться методическим пособием для многих юных изобретателей. Что позволит в дальнейшем нам, совершенствуясь, и накапливая опыт и мастерство, вывести нашу страну в лидеры в сфере инновационных и компьютерах технологий.
Апробация работы: наш проект был представлен на областном чемпионате по робототехнике и программированию на кубок губернатора Тюменской области и занял 1 место.
История появления и области применения 3D-принтера.
История создания этого прибора длилась много лет и над разработкой его работали ученые всего мира. Каждый внес свой вклад в развитие 3D-технологий. Так, например, отцом-изобретателем 3D-печати является американский исследователь Чарльз Халл. В 1986 году он представил миру свой прибор для трехмерной печати, которую назвал «установка для стереолитографии» [1, с.97]. Само собой, это еще не был первый 3D-принтер в современном понимании, но именно она определила, как работает 3D-принтер: объекты наращиваются послойно. Позже, в 1988 году, Скотт Крамп изобрел абсолютно новую технологию работы с 3D-печатью: FDM (моделирование путём декомпозиции плавящегося материала). Сегодня на основе этой технологии работают все 3D-принтеры, предназначенные для выпуска малой продукции небольших количествах. Несмотря на то, что работа над созданием 3D-принтеров велась с 1980-х годов прошлого столетия, термин «3D-печать» был создан только лишь в 1995 году, в Массачусетском технологическом институте. Так 1995 году двумя студентами там был модифицирован струйный принтер. Он создавал изображения не на бумаге, а в специальной емкости, и они были объемными. Тогда же появилось понятие «3D-печать» и первый 3D-принтер. Этот метод был запатентован, и теперь используется в созданной теми же студентами компании. Технологию стали развивать по всему миру. Появилось множество компаний, которые привносили новые возможности и улучшения. Прорывом в молодой технологии стало появление метода печати PolyJet, использующий для объемной модели фотополимерный жидкий пластик. [2, с.59].
Первые 3D-принтеры имели малую мощность, работали медленно, а при увеличении скорости изделия получались с большими погрешностями. Только в 2005 году появились 3D-принтеры с высоким качеством печати. В 2008 году был запущен принтер Reprap, способный производить самого себя. На тот момент он мог изготавливать около 50 % необходимых деталей. Обновленные миниатюрные 3D принтеры покорили мировой рынок, в том числе и Россию, в 2012 году, по своим размерам они были в разы меньше, чем промышленные аналоги.
Создавать любые объёмные модели по нажатии клавиши, сделало принтер технологией будущего. Можно с уверенностью сказать, что все последующее открытия будут связаны так или иначе с 3D принтером.
Печать в 3D формате уже получает широкое распространение. Использование 3D принтеров в медицине позволяет спасти человеческие жизни. Такие принтеры могут воссоздать точную копию человеческого скелета для отработки приёмов, гарантирующих проведение успешной операции. Всё чаще 3D принтеры используют в протезировании и стоматологии, так как трёхмерная печать позволяет получить протезы и коронки значительно быстрее классической технологии производства.
3D печать находит широкое применение в изготовлении архитектурных макетов зданий, сооружений, целых микрорайонов, коттеджных посёлков со всей инфраструктурой, а так же в строительстве. Современные системы 3D-печати позволяют быстро и качественно решать самый широкий круг задач, стоящих перед инженерами и конструкторами в машиностроительной отрасли. 3D-принтеры становятся незаменимы как на этапе создания концептуальных образцов, так и для производства готовых изделий.
Появление 3D-принтеров стало настоящей революцией не только в промышленности, но и в ювелирном деле. Если раньше при разработке украшений на создание восковой модели уходила масса времени, то сейчас 3D-печать позволяет производить разработку дизайна украшения в специализированном программном обеспечении, а затем использовать ювелирный 3D-принтер для выращивания восковой (или фотополимерной) мастер-модели украшения.
На трехмерных принтерах можно печатать одежду и обувь, упаковку, флаконы для духов. Удается наглядно изобразить дизайнерские чертежи, провести эксперименты с тканями, решить проблему прочности и эластичности изделий. Пока аддитивные технологии внедряются только в мире высокой моды. Себестоимость еще слишком высока для запуска массового производства. Это штучные изделия, увидеть которые можно на подиумах.
Список направлений использования трехмерных принтеров постоянно расширяется. Совсем скоро будет легче перечислить те сферы, где аддитивные технологии еще не используются, чем обратные. Так, на принтерах создают упаковку и прочую рекламную продукцию, чехлы для телефонов, брелоки, сувениры, объемные картины, статуэтки, игрушки, конструкторы и многое другое.
Возможности 3D-печати безграничны…
Проектирование и сборка 3D принтера.
Над данным проектом мы работали в программе SolidWorks. В ней были созданы все отдельные компоненты и объединены в единую 3D модель (приложение I).
Технические характеристики 3D принтера:
Габаритные размеры 3Dпринтера 390х530х660 мм
Вес 6 кг
Тип корпуса открытый
Область печати 215х215х300 мм
Тип стола нагреваемый
Количество экструдеров 1 шт.
Диаметр сопла экструдера 0,5 мм
Средняя скорость печати 50 мм/с
Минимальная толщина слоя 0,15 мм
Минимальная толщина стенки 0,5 мм
Технология печати FDM
Программная среда(слайсер)-Repetier-Host (и совместимые)
Поддерживает форматы STL, OBG
Основой принтера будет служить алюминиевый профиль и фанера 5 мм. Из основных приобретённых комплектующих: 4 шаговых двигателя типа NEMA 17 – для привода трех осей Х, Y, Z, и экструдера, 2 линейных направляющие, ролики, концевые выключатели, система подачи пластика (тип боуден), 2 шкива, резьбовая шпилька, зеркало с нагревательной пластиной, тефлоновая трубка.
Нами были изготовлены следующие комплектующие:
Крепление шаговых двигателей (лазерный станок),
Пластина стола (лазерный станок),
Крепление линейных направляющих (лазерный станок),
Крепление линейных подшипников (лазерный станок),
Соединительные детали рамы (лазерный станок),
Крепления шкивов (лазерный станок),
2 шкива (фотополимерный 3D принтера),
Хотенд экструдера (токарный станок),
Соединительная муфта (токарный станок),
Оси для роликов (токарный станок),
На лазерном станке детали были изготовлены из фанеры 5 мм, на токарном станке были использованы алюминий и латунь, на фотополимерном 3D принтере. Печать велась фотополимерной смолой.
Изготовив все детали, начинаем поэтапную сборку 3D принтера по узлам:
Узел «Стол», состоящий из пластины стола и крепления линейных подшипников (приложение II).
Узел «Каретка». В нем использовались крепления шаговых двигателей, крепления шкива и линейная направляющая (приложение III).
Основная рама была собрана из 4-х алюминиевых профилей и креплений линейных направляющих. К ней присоединили втулками стол вместе с линейными направляющими. Далее на раму были вертикально прикручены 2 алюминиевых профиля, которые являются направляющими для каретки, а также основной конструкционной деталью. На получившуюся конструкцию установили каретку (приложение IV)
Далее мы прикручиваем крепление шагового двигателя и устанавливаем все шаговые двигатели. Устанавливаем тефлоновую трубку на фитинги (приложение V) и концевые выключатели на линейные направляющие (приложение VI)
Работа над электроникой и программным кодом.
В качестве материнской платы была использована Arduino Mega 2056 с надстройкой, Ramps 1.4. В качестве источника питания мы использовали блок питания 12 V, 12,5A. Для охлаждения служили 2 кулера 50х50 мм.
Первое, что важно было сделать: качественно и правильно спаять провода и подключить их к материнской плате.
В качестве шаблона прошивки использовался «Marlin.Ino», в нее мы добавили количество шагов на миллиметр, тип термистора, тип материнской платы и расположение концевых выключателей. Программа, в которой дорабатывался программный код называется Arduino IDE. Загружаем в принтер исправленный и скомпилированный код. В программе Repetier Host производим настройку 3 D принтера (приложение VII), проверяем работу всех систем. Через эту программу запускаем первую калибровочную модель.
На модели виден воблинг и пропускание шагов двигателя. Необходима настройка токов на каждый мотор. После произведенного повышения токов, ещё раз запускаем модель, и убеждаемся, что проблема устранена. Принтер готов к последующей печати. Теперь любую необходимую модель, мы сможем смоделировать и распечатать.
Готовый принтер выглядит следующим образом:
Заключение.
Современная 3 D-печать используется практически везде – от производства и строительства, медицины и электроники до фэшн-индустрии, и используются при этом металл и полимеры. Прогресс в области 3 D-печати продвигается очень быстро. Преимущества перед устаревшими методами колоссальны: четкое математическое моделирование заданных характеристик, моментальное прототирование, создание форм, ранее недоступных для машинного исполнения и безотходность производства.
И чтобы не отставать от актуальных течений в разработке цифровых технологий, мы поставили перед собой цель, создать 3D принтер, который бы стал главным помощником в развитии наших проектов.
В ходе работы над проектом:
- изучены модификации, существующих на рынке домашних 3д принтеров;
- рассмотрены варианты программного обеспечения и выполнен их выбор;
- приобретены двигатели и некоторые комплектующие элементы;
- созданы на станках большинство комплектующих элементов;
- разработана принципиальная электрическая схема соединения всех взаимодействующих электронных узлов;
- выполнен монтаж механических узлов 3д принтера;
- выполнен монтаж электронных компонентов;
- выполнена схема подключения платы управления (прокладка кабеля), блока питания и шаговых двигателей.
Нам удалось достичь поставленную цель.
В дальнейшем мы планируем заниматься разработкой иных ЧПУ технологий.
Литература:
Акбутин Э. А., Доромейчук Т. Н. 3D-принтер: история создания машины будущего // Юный ученый. — 2015. — №1. — С. 97-98.
Кудашов Н. С., Соболева И. В. Исследование работы и области применения 3D принтера // Юный ученый. — 2017. — №2.2. — С. 58-61.
Сообщество владельцев 3D принтеров https://3dtoday.ru/ (дата обращения: 10.11.2018)
Краткая история 3D принтеров http://plastic3d.ru/news/Kratkaya-istoriya-3D-printerov-s-kartinkami (дата обращения 18.12.2018)
3D принтер https://ru.wikipedia.org/wiki/3D-принтер (дата обращения 07.11.2018)
Уникальный 3D принтер производит синтетические ткани http://texnomaniya.ru/technology/unikalnijj-3d-printer-proizvodit-sinteticheskie-tkani.html (дата обращения 05.12.2018)
Новый 3D принтер сочетает разные материалы https://texnomaniya.ru/technology/noviiy-3D-printer-sochetaet-raznie-materiali.html (дата обращения 05.12.2018)