Самодельный 3д принтера своими руками. Установка концевого выключателя оси Z. Примеры успешной сборки

Я начинаю публиковать цикл статей по сборке принтера Ultimaker своими руками. В статьях я расскажу про постройку принтера, начиная от заказа запчастей в различных интернет магазинах и Ali, сборки, программирования и т.д., а так же буду собирать его сам вместе с Вами.

Статьи будут написаны в стиле IKEA - доступно и понятно для любого желающего!

Вы сможете в онлайн режиме вместе со мной собрать 3D-принтер для себя, задать вопросы в комментариях к статьям и получить мои ответы. Статьи будут выпускаться с периодичностью в 2 недели.

Стоимость: принтер обойдётся Вам примерно в 25 тысяч рублей - это будет надёжный и качественный аппарат.

Почему здесь и сейчас?

Большинство посетителей сообщества находятся в поисках принтера. Я сторонник сборки принтера своими руками, а что будет дальше, каждый решает сам.

Почему самодельный? Причин несколько:

Разумная стоимость. На данный момент принтер обходится в пределах 25 000 рублей. Есть много китайских принтеров стоимостью от 14 до 18 тысяч рублей. Однако, эти конструкторы требуют еще столько же, для того что бы они начали выдавать то что можно назвать 3d-печатью. Эта стоимость заводских принтеров складывается из: маркетинга, зарплаты, инженерных изысканий и т.д. На пути инженерных изысканий я потратил гораздо больше чем 25 000 рублей. Сейчас же я делюсь своими знаниями и накопленным опытом совершенно бесплатно.
Приобрести 3D принтер это не пол и даже не треть дела, нужно еще научиться им пользоваться! Так вот опыт сборки и настройки дает ощутимый шаг в освоении 3D печати.
Как владелец и пользователь двух принтеров Ultimaker 2 и самодельного Ultimaker, могу точно заявить, скорость и качество печати у них не отличаются. Они оба прекрасно печатают, при этом экструдер и печатаная голова у Ultimaker 2 более капризная.
Цикл статьей будет своего рода иллюстрированной инструкцией по сборке и настройке своего личного персонального 3D-принтера. Буду стараться максимально подробно освещаться весь процесс и вести диалог с вами в комментариях.

В качестве принтера для строительства был выбран и взят за основу Ultimaker:

Он достаточно прост - в сборке.
Он надежен - как автомат Калашникова.
Все его чертежи лежат в открытом доступе.
Он, пожалуй, самый распространенный в мире.
Инженерные изыскания над ним веду я и другие пользователей по всему миру. Почти все, что есть в этом принтере, собрано из разных мест и доступно в открытом виде.Философский вопрос относительно диаметра прутка может быть 3 мм или 1,75мм – каждый решает сам что ему использовать, выскажу только свое мнение по поводу плюсов и минусов.

3 мм – Плюсы :

Проще получить пруток более со стабильным качеством, в том числе и в домашних условиях.
Лучший для Bowden (боуден) экструдера.
Как правильно в принтерах с прутком 3 мм можно использовать пруток 1,75 мм.
Перехлесты и зажёвывания в катушках встречаются реже, чем 1,75.

3 мм – Минусы:

Мало производителей на данный момент его выпускают.
Мало различных видов пластика.

1.75 мм – Плюсы:

Очень много разных видов пластика.
Гораздо больше производителей.
Прекрасен для директ экструдера.

1,75 мм – Минусы:

Не очень хорошо себя зарекомендовал для боуден экструдера (некоторые специалисты возразят, но на это могу ответить только одно – попробуйте, а потом обсудим).

На данный момент я на 1,75 мм, но исключительно из за того что скопились большие запасы пластика. Планирую в ближайшее время перейти на 3 мм, если кому нужен пластик 1,75 мм - меняю на 3 мм.

Итак, поехали! Статьи по сборке принтера будут выходить с периодичностью в две недели, по содержанию я наметил примерно следующий план:

1. Этот пост – Вводный. Приобретение всего необходимого.
2. Сборка принтера. Часть первая. Корпус и механика.
3. Сборка принтера. Часть вторая. Электроника.
4. Прошивка и настройка принтера – Marlin.
5. Прошивка и настройка принтера - Repetier-Firmware.

Что необходимо закупить:

1. Корпус на выбор из любого листового материала толщиной 6 мм (фанера, МДФ, акрил, монолитный поликарбонат и т.д.).
Цена за фанерный примерно – 1200-2000 рублей. Лично я делаю .
Если кто-то сомневается в фанерном корпусе, вот небольшое доказательство его надежности, при этом это можно сделать и во время печати, на фото мой принтер из :
2. Основа стола из аллюминия – ценник разный от 700 рублей, я делаю . Можно из фанеры, но мне не нравится, чертежи такого стола есть, необходимо вместо LMK12LUU использовать LM12LUU и делать переходник или искать другую гайку для трапецеидального Винта.
3. Стекло для стола заказать можно в обычной стекольной мастерской – 4мм – 100-120 рублей, чертеж
4. LM6LUU - 2шт - 325 рублей.
5. LMK12LUU - 2 шт - 680 рублей.
6. Подшипники F688 - 8 шт - 217 рублей за 10 шт.
7. Валы 6 мм - длинной 300,5 и 320 мм по 1 шт, можно попросить продавца отрезать в размер или резать самому - 550 рублей.
8. Валы 8 мм - 2 шт 348 мм, 2 шт 337 мм, можно попросить продавца отрезать в размер или резать самому - 1 300 рублей.
9. Валы 12 мм - 2 шт по 339 мм, можно попросить продавца отрезать в размер или резать самому - 911 рублей.
10. Пневмофитинг - 1 шт 32 рубля для 1,75 или 3 мм.
11. Энкодер или потенциометр - 1 шт - 40 рублей.
12. Двойная шпуля 20 зубов на вал 8 мм - 134 рубля.
13. HeatBed - 1 шт - 440 рублей.
14. Двигатели - необходимо 4 шт (продаются по 5 штук за 3600 рублей). Трапециидальный винт - 480 рублей. Муфта - 270 рублей за 5 шт, ее можно и напечатать.
15. Медные втулки с графитовыми вставками, каретки, ремни длинные и короткие и пружины для ремней - 1 комплект - продаётся комплектом за 1225 рублей (каретки можно напечатать, ремень использовать обычный GT2 без пружин, получится небольшая экономия).
16. Подающая шестерня - 1 шт - 217 рублей.
17. Блок питания - 1 шт - 1 800 рублей.
18. HotEnd e3d v6 + Volcano в подарок - 765 рублей для 1,75 или 3 мм и Термобарьер – 1 шт 44 рубля (термобарьер не обязательно).
19. Кулер охлаждения детали - 2 шт - 136 рублей.
20. Концевики с длинной лапкой - 3 шт - 404 рубля за 10 шт.
21. Шпули GT2 20 зубов под вал 8 мм - 8 шт - 340 рублей.
22. Шпули GT2 20 зубов под вал 5 мм - 2 шт - 90 рублей.
23. Кардридер - 1 шт - 178 рублей
24. Arduino Mega 2560 + RAMPS 1.4 + A4988 (4 шт) - 1 комплект - 1 150 рублей.
25. Экран 12864 - 1 шт -525 рублей.
26. Пружина пальца передних колодок ВАЗ - 4 шт - 100 рублей.
27. Разъемы DuPont тыц и тыц
28. Демпфер - 1-2 шт. (не обязательно) 230 рублей за 1 шт.
29. Выключатель для подсветки - 1 шт (не обязательно). - 100 рублей за 5 шт.
30. Разъем для кабеля с предохранителем и выключателем - 1 шт - 86 рублей (не обязательно).
31. Оплетка для кабеля - 3 метра 8 мм - 300 рублей (не обязательно).
32. Радиаторы для драйверов - 4 шт (не обязательно) - 10 шт 290 рублей.
33. Транзистор - 1 шт - 246 рублей 5 шт. и Радиатор для транзистора - 1 шт - 53 рубля 3 шт (не обязательно).
Вместо замены транзистора на RAMPS можно использовать автомобильное или твердотельное реле . С твердотельным реле у меня и у 39. Провода гибкие многожильные сечением 2.5 мм примерно 2 метра.
40. Термоусадка под эти провода.
41. Крепеж и провода я беру , если у вас в городе есть проблемы с крепежом, то обращаемся туда же куда и за остальным – :
41.1. Винт M2.5x20 6 шт.
41.2. Винт M3x10 30 шт.
41.3. Винт M3x12 30 шт.
41.4. Винт M3x14 15 шт.
41.5. Винт M3x16 85 шт.
41.6. Винт M3x20 20 шт.
41.7. Винт M3x25 20 шт.
41.8. Винт M3x30 21 шт.
41.9. Винт M3x4 2 шт.
41.10. Винт M3X5 10 шт.
41.11. Винт M3X6 10 шт.
41.12. Винт M3X45 2 шт.
41.13. Винт M3x8 10 шт.
41.14. Гайка M2,5 6 шт.
41.15. Гайка M3 130 шт.
41.16. Гайка самоконтрящаяся M3 35 шт.
41.17. Шайба M2,5 6 шт.
41.18. Шайба кузовная или широкая M3 17 шт.
42. Термоклей – 1 шт – 80 рублей (не обязательно, последнее время радиаторы идут самоклеящиеся или можно использовать термопасту)
43. Термистор стола – 1 шт 59 рублей, стоит взять с запасом, рвутся, ломаются, врут.
44. Подшипник 623ZZ – 1 шт - 80 рублей за 10 шт.
45. Ножка мебельная – 1шт – 86 рублей (аналогов очень много) или держатель для катушки , ее можно и напечатать .
46. Пластиковые детали (рекомендую печатать все из ABS со 100% заполнением), если у Вас нет возможности распечатать, то можно заказать, например,

3D печать и 3D принтеры уже давно вошли в обиход, из года в год цена на сами принтеры, комплектующие и расходные материалы падает все ниже и ниже. Читая многочисленные форумы, где владельцы именитых брендовых принтеров стоимостью от 50 000 до 250 000р., жалуются на те же проблемы, что и на дешевых само сборных, я задумался. Если разницы нет, зачем платить больше? Я уже опробовал на практике 2 готовых набора 3D-принтеров из Китая и качеством остался весьма доволен. Остается один интересный момент, что же выходит дешевле? Собрать самому из комплектующих или купить один из наборов?

На фото мой принтер из предыдущего обзора - , переодетый в стальную раму. В принципе я только заменил раму и всё, но принтер стал выглядеть намного лучше. Печатать он особо лучше не стал, до этого и так было все в порядке, но на определенные мысли меня это натолкнуло. Почему обязательно нужно брать наборы с брендом, будто китайский или европейский и переплачивать им, пускай и немного в случае с Китаем, но все же. А если взять комплектующие без рамы, а раму купить уже тут в России? Не выйдет ли это дешевле?
Я начал искать самый дешевый на всеми известном сайте и нашел подходящий за 8 700р. примерно. Цена уже с доставкой.

Давайте рассмотрим этот набор подробнее.

Основа любого 3D-принтера это мозги. Мозги тут стандартные - Arduina Mega 2560 и шилд для нее – Ramps 1.4.
В принципе это стандарт и большинство принтеров собраны на этой схеме. Более дорогие платы, например MKS Gen или Base так же в своей основе имеют ту же Arduin"у.
Главное тут посмотреть Ramps на наличие не пропаянных мест или наоборот лишних наплывов, из-за этого чаще всего у людей бывают проблемы.

Далее. Я вижу в данном наборе присутствует четырехстрочный экран LCD2004 с карт-ридером. Это очень удобное дополнение, я уже год не пользуюсь связкой 3D-принтер + компьютер. Закидываю G-код для печати на карту памяти и принтер печатает автономно.

Красная платка это переходник для Ramps с выводами под этот экран, она есть в комплекте, как и провода для экрана.

Драйвера, провода, концевые выключатели. Это все есть. Драйвера обычные – DRV8825, концевые выключатели на платах, провода без оплетки. Дешево и сердито, но эффективно. К драйверам так же положили радиаторы. Моторы тут так же стандартные для большинства 3D-принтеров, это шаговые моторы NEMA17.

Так же в наборе есть нагревательный элемент для стола – плата МК2А на текстолитовой основе. Для меня это более удачный нагреватель чем версия МК3, который интегрирован на алюминиевую пластину. Дело в том, что я печатаю на стекле и дополнительная прослойка между стеклом и нагревателем мне ни к чему. МК2 быстрее будет нагреваться.

И венцом данного набора является печатающая голова в виде клона E3D версии 5. Голова идет в собранном виде с нагревательным элементом и терморезистором. Недостает только проталкивающего механизма для пластика - экструдера. А так как моторов тут 5, значит нужна только небольшая часть экструдера. Под этот элемент необходим экструдер типа боуден, это значит пластик будет подаваться по ПТФЕ трубке к нагретому соплу. ПТФЕ трубки я на картинке не вижу, хотя продавец пишет что она в комплекте, возможно он имеет в виду маленькую тефлоновую трубку внутри термобарьера.

Теперь чего недостает в наборе.

Ну основной недостающий элемент – это рама. Я покупал 2 типа стальных рам от Nioz и Soberistanok. Nioz собирается легче и не требует никаких печатных элементов, но в комплекте нет болтов. Соберистанок кладет в комплекте болты, но сама рама использует несколько напечатанных элементов, не имея принтера, которых не так просто достать. Обе рамы вырезаны в Челябинске и при цене примерно 3000-3500р. без покраски и весе 3-5 кг. доставляются транспортной компанией. За доставку из Челябинска в Москву за раму я отдал чуть менее 600р.

Тут уже присутствует крепление мотора к раме и используется хорошая каленая стальная шестерня с мелкими зубьями.

Ремень GT-2 можно взять у того же продавца: - 200р., тем более он уже с 2-мя шпулями.

Теперь рассмотрим набор для сборки, например самый дешевый – .
По ссылке производитель указан как Infitary, но это точно клон достаточно популярного Annet A6, возможно с некоторыми доработками.

Давайте сравним его с набором представленным выше. Тут уже есть трапециевидные винты и даже с алюминиевыми демпферами. Установлен более дорогой экструдер типа Direct и уже с обдувом, что положительно сказывается при печати пластиками типа PLA или HIPS.
Нагревательный стол более дорогой – МК3, хотя МК2 для меня более привлекательный. Плата управления не бутерброд из Mega + Ramps а что-то посолиднее, в описании нет названия платы, но на вид там все в порядке, напоминает что-то из линейки MKS.

Присутствует так же экран 2004 с картридером и дополнительно имеется подставка для катушки с пластиком.

Цена за такой примерно 14200р.

То-есть получается разница в примерно 4000р. Что как раз соответствует стальной раме. А принтеры со стальной рамой продают уже за 25 000р., например, в том же Челябинске.

В принципе я подозревал, что взять набор 3D-принтера от Китайцев выходит примерно так же как собирать самому по частям, только в наборе уже все налажено и подходит друг к другу а в самосборном принтере придётся еще и разобраться что куда подключить и повозиться с прошивкой.

Еще один вариант получить недорогой 3D-принтер остается – покупка на авито и пр. через объявления, но тут нужно чаще мониторить доски объявлений в поисках хороших предложений, да и то, в итоге можно получить проблемный экземпляр.

(адаптер в комплекте).

ЗАКАЗ

Приобретать платы в оригинале мне показалось слишком дорого. Съэкономить на пайке много по подсчетам также не получится. Соответственно заказ сделал на e-bay. При этом прекрасно осознавал, что платы могут оказаться весьма посредственного качества. Рискнул! Три недели ожидания, и платы у меня в руках.

ТЕСТИРОВАНИЕ

Первым делом, по привычке, платы подверглись тщательному визуальному осмотру. Первая попалась в руки Arduino MEGA 2560 R3 ATmega2560. Она оказалась весьма приемлемого качества.
За ней — RAMPS 1.4. И тут огромное разочарование — сильно окислившиеся (даже проржавевшие) контакты силового разъема.

При высоких токах оставлять такое безобразие мне показалось неправильным!!! Пришлось аккуратно выпаять разъем. На фото он синего цвета. И запаять найденный в закромах подобный (на фото зеленый). Совет для тех, кому попадется эта засада — перед тем как выпаивать корпус разъема лучше «раскусить» бокорезами . Контактный площадки платы, да и проводники, выполнены достаточно хорошо. Плата успешно пережила «ремонт». Перед отмывкой еще раз просмотрел пайки. В результате обнаружил, что вокруг штыревых контактов большое количество шариков припоя. Замочил плату в спирте на 20 минут и хорошо промыл…

Затем попытался соединить силовую плату с контроллером. Вышло! Но с большим трудом. Во-первых ответные разъемы плохо совпадают:(. Во-вторых корпус разъема питания контроллера уперся в «ногу» разъема питания силовой платы (на фото справа) — пришлось скусить «ногу» бокорезами !

После установки силовой платы приступил к монтажу плат драйверов шаговых двигателей. Габаритные размеры этих плат оказались слишком большими и платы мешали друг другу!!! Пришлось поработать надфилем. Пока обтачивал контура, отвалились радиаторы:)… Либо мне так не везет, либо не понятно на что эти радиаторы установили! Пришлось приклеить их на место теплопроводящим клеем .

После «приятных мучений» с силовой платой в руках оказалась интерфейсная плата. А вот здесь обнаружился брак, который после включения питания мог привести к краху! Индикатор напаяли без установки стоек и посредством короткого разъема. В результате чего корпус ЖКИ панели замкнул контакты входящего разъема!!!

По хорошему, неплохо бы перепаять индикатор. Но из-за отсутствия времени на поиски высокого разъема PLS решил временно установить сложенный лист бумаги (на фото).
После того как подправил все косяки, подключился к USB порту — вспышки с хлопками не случилось! Значит пришло время заливать прошивку.
Остановился я на проекте Marlin . К моему восторгу исходники прекрасно закомментированы… Настройка индивидуальной прошивки осуществляется через включение/выключение нужных описаний в исходном коде. Настраиваем, компилируем, прошиваем, включаем.

Программа пошла. Но из-за отсутсвия датчика температуры остановилась на ошибке (снизу дисплея). Нашел подходящий термодатчик, установил. Контроллер полностью заработал — «Mendel is ready». Настало время подключить приводы и протестировать соединение с компьтером. Как подобрать шаговые приводы можно посмотреть . В моем проекте использованы, показанные на фото ниже.

Убедившись в рабтоспособности электронных узлов платы концентрируемся на сборке корпуса принтера…

РАЗМЕЩЕНИЕ ЭЛЕКТРОНИКИ

Корпус собран! Начнем раскидывать электронику… Если с корпусом все было достаточно прозрачно, то с размещением электронных узлов пришлось основательно поразмыслить. Просмотрев большое количество инструкций по сборке подобных принтеров, мне бросилось в глаза отсутствие информации в них о том каким образом размещать электронику и, что не менее важно, как тянуть провода. Бросать на самотек и вешать провода без разбору мне не захотелось. Свободное «болтание» проводов может привести к самым непредсказуемым последствиям.

БЛОК ПИТАНИЯ И ПЛАТЫ УПРАВЛЕНИЯ

Блок питания, как и в основной массе подобных устройст, расположил на правой боковой стойке каркаса. Отверстия для крепления сделал по-месту, обмеряя расположение крепежных отверстий БП. Здесь хочу отметить, что мне попался достаточно удачный БП. Мощность 250Вт в относительно маленьком корпусе.

Сборку из плат разместил на левой боковой стойке. На всех платах крепежные отверстия настолько тесно расположены, что проводники находятся даже под головкой винта. По этой причине пришлось нарезать стойки и шайбы для крепления плат из силиконового шланга. Для ускорения процесса использовал обычный разводной ключ. Зажимал шланг в нем, вытягивал на необходимую длину и резал концелярским ножом.

Для разметки пришлось разобрать сборку. Далее по плате ARDUINO разметил и просверлил крепежные отверстия. Затем установил плату ARDUINO на винты в центре платы (досупа в сборке к ним не будет).

После этого установил плату RAMPS и закрепил оставшиеся винты через силиконовые стойки и шайбы.

Для того, чтобы безопасно протянуть провода питания (12В) от БП, провод от мотора осей Y, Z и концевика оси Y к сборке плат, предварительно разместил на резьбовых шпильках обычные строительные кабельные каналы.

ДАТЧИКИ ПОЛОЖЕНИЯ НУЛЯ

Настало время устанавливать «нулевые» концевики. При выборе варианта крепления платы концевиков я остановился на детале . Конструкция мне показалась весьма удобной и проверять на моделях не стал. А на самом деле вышло, что подходит она исключительно для оси Z. Установил на ось Z. В качестве датчика концевика оси использовал полоску из нержавейки, приклееную клеевым пистолетом как показано на фото.

Далее пришлось долго поломать голову над тем как установить концевики на оси Y и X. C осью Y оказалось проще — удалось приспособить держатель, который установил на ось Z. Закрепил его стяжками к резьбовой шпильке. В качестве датчика также поставил полосу из тонкой нержавейки. В таком варианте регулировать положение срабатывания концевика не представляется возможным (определяется длиной самого датчика).

А вот с установкой концевика X пришлось повозиться! Для начала сделал из текстолита переходник.
Затем сделал крепежные отверстия М3 в ДЕРЖАТЕЛЕ ПРИВОДА, установил концевик и отрегулировал его положение. Датчик снова сделал из полоски нержавейки, которую прикрутил снизу ДЕРЖАТЕЛЯ ЭКСТРУДЕРА (допустимо приклеить клеевым пистолетом).

НАГРЕВАТЕЛЬ СТОЛА

Перед установкой платы нагревателя (далее просто нагреватель) я долго прикидывал как пустить кабельный канал. Изучив конструкцию аналогичных принтеров понял, что «жгут» проводов от стола везде выполнен достаточно неудачно по причине касания деталей каркаса. В своем варианте этот момент я исключил (будет видно на фотографиях ниже).
Первым делом усадил термоусадку на оба конца подготовленного кабельного канала. На мой взгляд термоусадка придает жесткость кабельному каналу. Один конец закрепил на держателе стола с помощью стяжек как показано на фото.

После получения платы нагревателя я не стал детально ее осматривать. А вот перед монтажем решил осмотреть с пристрастием качество монтажа проводов. Итогом осмотра стало решение перепаять провода — провода были с явными разрывами жил и плохо залужены… В ситуации, когда предполагается движение стола и как следствие возможные изгибы у места пайки, необходимо качественное соединение!

Отпаял провода, отрезал поврежденные хвосты и, хорошо прогрев, залудил. Прогреть необходимо для того, чтобы провод залудился не только на зачищенном участке, но и под оплеткой. Подпаял провода на место и хорошо смыл остатки флюса спиртом.
Далее перешел к монтажу датчика температуры стола. На данном этапе важно аккуратно подпаять провода (в моем случае это МГТФ) и отформовать выводы, не повредив корпуса. Датчик устанавливается в отверстии в центре нагревателя и крепится полосками каптонового скотча. На этом этапе необходимо проконтроллировать, чтобы датчик не выступал за уровень платы нагревателя и выводы были надежно закреплены скотчем без замыканий.

Затем пропустил провода от датчика температуры в установленный кабельный канал и установил плату нагревателя на место. Провода нагревателя оказалось удобнее завести в кабельный канал сбоку как показано на фото.

Настало время собирать в «кучу» провода, идущие от экструдера. Этот узел не вызвал особых сложностей. Единственное, что я изначально не протянул провода для вентилятора! Но с моим экструдером понадобятся аж два вентилятора. Об этом я расскажу в статье «РАБОТА НАД ОШИБКАМИ». Закрепить кабельный канал возможно очень удобно как показано на фотографиях. При креплении по предложенной схеме не потребуется сверлить дополнительных отверстий…

Кабельные каналы закрепил на левой стойке. На этом этапе потребуется повозиться с дрелью. Как все закреплено можно увидеть на фотографиях ниже.

На последней фотографии хорошо видно как расположен кабельный канал стола. Как я и говорил раньше, удалось разместить его таким образом, чтобы он не касался деталей принтера при движении стола. То же самое можно сказать и про оставшиеся кабельные каналы.

Все провода на месте — можно начинать их соединять с платой. Потребовалось немного терпения и внимания для того, чтобы все соединялось именно как указано на схеме выше! Единственный момент, который не совпадает со схемой — это использование оптических датчиков положения. Нужно учесть еще одну линию — питание датчика (на плате предусмотрен контакт на том же разъеме).
Все провода на месте — можно переходить к принтера.

НАБОР ДЛЯ СБОРКИ

Полный набор электроники доступен в интернет-магазине по ссылке http://www.zdvstore.ru/prusa-electronic/ .
В набор включена плата контроллера, содержащая прошивку в которой учтены все особенности, описанные в моих статьях. Установив этот набор электроники, Вы сразу запустите принтер…

КАЧЕСТВО ЗАПЧАСТЕЙ С ALIEXPRESS (ДОПОЛНЕНИЕ ОТ 01-04-2016)

После посещения моего интернет-магазина мне часто задают вопрос о «завышенной» стоимости электроники на его прилавке! Я готов ответить на этот вопрос.

При покупке электроники на первый свой принтер мне достались вполне себе неплохие экземпляры (за исключением силовой платы RAMPs:). Вторичная покупка небольшой партии комплектующих привела меня в ужас!!!

И вот уже больше года я пытался найти хорошего поставщика электроники в Китае. За адекватные деньги надлежащий товар мне так и не удалось отыскать.

Скажу честно, что только Arduino MEGA 2560 R3 ATmega2560 и нагреватель стола MK2B DUAL POWER приходят в надлежащем виде за редким исключением. С остальными платами ну просто БЕДА! Особенно это касается плат RAMPs v1.4 и драйверов шаговых двигателей DRV8825. В независимости от продавца поступают приблизительно такие изделия:

Самый распространенный косяк — это неотмытая плата с огромным количеством припоя, размазанного по паяльной маске;(. Следующая беда в том, что в последнее время стали ставить на платы разъемы с контактами стального цвета. Эти контакты не «хотят» даже лудиться! Не говорю о нормальной пайке контактов. Особенно это относится к драйверам шаговых двигателей. Дальше идут всяческие «приколы», начиная с перевернутых разъемов (на фото выше:), заканчивая неправильно запаянными потенциометрами на платах индикатора.

Одним словом, мне приходится достаточно долго вычищать припой, пропаивать разъемы, исправлять косяки и отмывать платы!

Надеюсь, что на вопрос я дал исчерпывающий ответ:)!?

ВЫПУСК ПЛАТ RAMPs (ДОПОЛНЕНИЕ ОТ 01-04-2016)

Поскольку времени на восстановление плат уходит безумно много, я принял решение изготавливать часть электроники в России. На первую пору (пока отыщу поставщиков) сами печатные платы будут из Китая, но с мая 2016 уже отечественные.

Первыми пойдут силовые платы RAMPs v1.4 в двух модификациях. Различие в установленных на входе питания предохранителях. На одной плате предусмотрены самовосстанавливающиеся, на другой — плавкие автомобильные.

Помимо этого уже закупил партию транзисторов с сопротивлением открытого канала в 5 раз меньше, чем у установленных на оригинальных платах, и мощностью рассеивания 300 Вт.

Также для тех, кто любит возиться с паяльником в мае 2016 будут доступны наборы для сборки силовых плат обоих модификаций:).

Следите за анонсами на сайте и интернет-магазине!!!

Очевидно, что чем выше кол-во в изготавливаемой партии, тем ниже себестоимость и, соответственно, конечная стоимость. По этой причине буду рад принять заказы на изготовление силовых плат RAMPs v1.4 от тех, кто реализует запчасти для 3D принтеров — звоните, пишите…

КАК УМИРАЕТ RAMPs С ALIEXPRESS (ДОПОЛНЕНИЕ ОТ 27-04-2016)

В начале статьи описано как я перепаивал бракованные силовые разъемы на плате RAMPs. Напомню, это были разъемы для подключения нагревательных элементов хотэдов и стола. Входной разъем питания мне показался вполне себе приличным:).

Прошло чуть больше года… И… В самый «подходящий» момент, во время печати срочного заказа, срабатывает температурная защита прошивки! Принтер останавливается на середине детали…

Детальный осмотр показал прогоревший разъем входного питания.

Несмотря на то, что на плате стоит 9-ти амперный предохраниель (должен быть 11-ти амперный), выгорел котакт разъема. Пришлось убить время на перепайку. На место выгоревшего разъема установил подобный от DEGSON и снова в «бой».

Мне периодически задают вопросы по "малинкам", "апельсинкам" и тому, куда это вообще и зачем. И тут я начинаю понимать, что перед тем, как писать "узкие" инструкции по настройке, неплохо было бы вкратце рассказать о том, как эта кухня вообще работает, снизу вверх и слева направо. Лучше поздно, чем никогда, поэтому вашему вниманию предлагается некое подобие ликбеза по ардуинам, рампсам и другим страшным словам.

Тому, что у нас сейчас есть возможность за разумные деньги купить или собрать собственный FDM 3D-принтер, мы обязаны движению RepRap. Не буду сейчас о его истории и идеологии - нам сейчас важно то, что именно в рамках RepRap сформировался определенный "джентльменский набор" железа и софта.

Чтобы не повторяться, скажу один раз: в рамках данного материала я рассматриваю только "обычные" FDM 3D принтеры, не уделяя внимания промышленным проприетарным монстрам, это совершенно отдельная вселенная со своими законами. Бытовые устройства с "собственными" железом и софтом тоже остануться за рамками этой статьи. Далее под "3D принтером" я понимаю полностью или частично открытое устройство, "уши" которого торчат из RepRap.

Часть первая - 8 бит хватит всем.

Поговорим про восьмибитные микроконтроллеры Atmel с архитектурой AVR, применительно к 3D-печати. Исторически сложилось так, что "мозг" большинства принтеров - это восьмибитный микроконтроллер от Atmel с архитектурой AVR, в частности, ATmega 2560. А в этом виноват другой монументальный проект^ его название - Arduino. Программная его составляющая в данном случае не интереса - Arduino-код более прост для понимания новичками (по сравнению с обычным C/С++), но работает медленно, а ресурсы жрет как бесплатные.

Поэтому, когда ардуинщики упираются в нехватку производительности, они или бросают затею, или потихоньку превращаются в эмбеддеров ("классических" разработчиков микроконтроллерных устройств). При этом, кстати, "железо" Arduino бросать совершенно не обязательно - оно (в виде китайских клонов) дешевое и удобное, просто начинает рассматриваться не как Arduino, а как микроконтроллер с минимальной необходимой обвязкой.

По факту, Arduino IDE используется как удобный в установке набор из компилятора и программатора, "языком" Arduino в прошивках и не пахнет.

Но я немного отвлекся. Задача микроконтроллера - выдавать управляющие воздействия (осуществлять так называемый "ногодрыг") в соответствии с получаемыми инструкциями и показаниями датчиков. Очень важный момент: данные маломощные микроконтроллеры обладают всеми типичными чертами компьютера - в маленьком чипе есть процессор, оперативная память, постоянная память (FLASH и EEPROM). Но если ПК работает под управлением операционной системы (и она уже "разруливает" взаимодействие железа и многочисленных программ), то на "меге" у нас крутится ровно одна программа, работающая с железом напрямую. Это принципиально.

Часто можно услышать вопрос, почему не делают контроллеры 3D-принтеров на основе микрокомпьютера вроде того же Raspberry Pi. Казалось бы, вычислительной мощности вагон, можно сразу сделать и веб-интерфейс, и кучу удобных плюшек… Но! Тут мы вторгаемся в страшную область систем реального времени.

Википедия дает следующее определение: "Система, которая должна реагировать на события во внешней по отношению к системе среде или воздействовать на среду в рамках требуемых временных ограничений". Если совсем на пальцах: когда программа работает "на железе" непосредственно, программист полностью контролирует процесс и может быть уверен, что заложенные действия произойдут в нужной последовательности, и что на десятом повторении между ними не вклинится какое-то другое. А когда мы имеем дело с операционной системой, то она решает, когда исполнять пользовательскую программу, а когда отвлечься на работу с сетевым адаптером или экраном. Повлиять на работу ОС, конечно, можно. Но предсказуемую работу с требуемой точностью можно получить не в Windows, и не в Debian Linux (на вариациях которой в основном работают микро-пк), а в так называемой ОСРВ (операционная система реального времени, RTOS), изначально разработанной (или доработанной) для данных задач. Применение RTOS в RepRap на сегодняшний день - жуткая экзотика. А вот если заглянуть к разработчикам станков с ЧПУ, там уже нормальное явление.

Для примера - плата не на AVR, а на 32-битном NXP LPC1768. Smoothieboard называется. Мощи - уйма, функций - тоже.

А дело все в том, что на данном этапе развития RepRap, "8 бит хватит всем". Да, 8 бит, 16 МГц, 256 килобайт флеш-памяти и 8 килобайт оперативной. Если не всем, то очень многим. А тем, кому недостаточно (это бывает, например, при работе с микрошагом 1/32 и с графическим дисплеем, а также с дельта-принтерами, у которых относительно сложная математика расчета перемещений), в качестве решения предлагаются более продвинутые микроконтроллеры. Другая архитектура, больше памяти, больше вычислительной мощности. И софт все равно в основном работает "на железе", хотя, некоторые заигрывания с RTOS маячат на горизонте.

Marlin и Mega: частота сигнала STEP

Прежде чем переходить ко второй части и начинать разговор об электронике RepRap. Я хочу попытаться разобраться с одним спорным моментом - потенциальных проблемах с микрошагом 1/32. Если теоретически прикинуть, то исходя из технических возможностей платформу её производительности не должно хватать для перемещения со скоростью выше 125 мм/с.

Для проверки этого продположения я построил "тестовый стенд", подключил логический анализатор, и стал экспериментировать. "Стенд" представляет собой классический бутерброд "Mega+RAMPS" с переделанным пятивольтовым питанием, установлен один драйвер DRV8825 (1/32). Двигатель и ток упоминать смысла нет - результаты полностью идентичны при "полном" подключении, при наличии драйвера и отсутствии двигателя, при отсутствии и драйвера и двигателя.

Анализатор - китайский клон Saleae Logic, подключен к пину STEP драйвера. Прошивка Marlin 1.0.2 настроена следующим образом: максимальная скорость 1000 мм/с на ось, CoreXY, 160 шагов на мм (это для двигателя с шагом 1.8", 20-зубого шкива, ремня GT2 и дробления 1/32).

Методика эксперимента

Задаем маленькое ускорение (100 мм/с) и запускаем перемещение по оси X на 1000 мм с различными целевыми скоростями. Например, G-код G1 X1000 F20000. 20000 - это скорость в мм/мин, 333.3(3) мм/с. И смотрим, что у нас с импульсами STEP.

Общие результаты

То есть, отталкиваясь от частоты прерываний в 10 КГц, мы получаем эффективную частоту до 40 КГц. Применив к этому немножко арифметики, получаем вот что:

до 62.5 мм/с - один шаг на прерывание;
до 125 мм/с - два шага на прерывание;
до 250 мм/с - четыре шага на прерывание.

Это теория. А что на практике? А если задать больше 250 мм/с? Ну, хорошо, даю G1 X1000 F20000 (333.3(3) мм/с) и анализирую полученное. Измеренная частота импульсов при этом составляет почти 40 КГц (250 мм/с). Логично.

На скорости выше 10000 мм/мин (166,6(6) мм/с) я стабильно получаю провалы в тактировании. На обоих движках синхронно (напомню, CoreXY). Длятся они 33 мс, находятся примерно за 0.1 с до начала снижения скорости. Иногда такой же провал есть в начале движения - через 0.1 после завершения набора скорости. Вообще, есть подозрение, что он устойчиво пропадает на скорости до 125 мм/с - то есть, когда не применяются 4 шага на прерывание, но это только подозрение.

Как интерпретировать этот результат - я не знаю. С какими-то внешними воздействиями она не коррелирует - с общением по последовательному порту не совпадает, прошивка собрана без поддержки всяких дисплеев и SD-карт.

Мысли

1. Если не пытаться что-то нашаманить с Marlin, потолок скорости (1.8", 1/32, 20 зубов, GT2) - 250 мм/с.
2. На скоростях выше 125 мм/с (гипотетически) есть глюк с провалом тактирования. Где и как он будет проявляться в реальной работе - я предсказать не могу.
3. В более сложных условиях (когда процессор что-то усиленно считает) точно будет не лучше, а скорее - хуже. Насколько - вопрос для куда более монументального исследования, ведь придется сопоставлять запланированные программой перемещения с реально выданными (и захваченными) импульсами - на это у меня пороху не хватит.

Часть 2. Шаговый квартет.

Во второй части речь пойдет о том, как описанный ранее микроконтроллер управляет шаговыми двигателями.

Move it!

В «прямоугольных» принтерах нужно обеспечить перемещение по трем осям. Допустим, двигать печатающую головку по X и Z, а стол с моделью - по Y. Это, например, привычный, любимый китайскими продавцами и нашими покупателями Prusa i3. Или Mendel. Можно двигать голову только по X, а стол - по Y и Z. Это, например, Felix. Я практически сразу как вляпался в 3D-печать (с МС5, у которого XY-стол и Z-голова), так стал поклонником перемещения головы по X и Y, а стола - по Z. Это кинематика Ultimaker, H-Bot, CoreXY.

Короче, вариантов много. Давайте для простоты считать, что у нас три мотора, каждый из которых отвечает за движение чего-нибудь по одной из осей в пространстве, согласно декартовой системе координат. У «прюши» за вертикальное перемещение отвечают два двигателя, суть явления это не меняет. Итак, три мотора. Почему в заголовке квартет? Потому что надо еще пластик подавать.

В ногу

Традиционно используются шаговые двигатели. Их фишка - хитрая конструкция обмоток статора, в роторе используется постоянный магнит (то есть, контактов, касающихся ротора нет - ничего не стирается и не искрит). Шаговый двигатель, согласно своему названию, двигается дискретно. Наиболее распространенный в рамках RepRap образчик имеет типоразмер NEMA17 (по сути, регламентируется посадочное место - четыре крепежных отверстия и выступ с валом, плюс два габарита, длина может варьироваться), оснащен двумя обмотками (4 провода), а полный оборот его состоит из 200 шагов (1.8 градуса на шаг).

В простейшем случае, вращение шагового двигателя осуществляется путем последовательной активации обмоток. Под активацией понимается приложение к обмотке напряжения питания прямой или обратной полярности. При этом схема управления (драйвер) должна не только уметь коммутировать «плюс» и «минус», но и ограничивать потребляемый обмотками ток. Режим с коммутацией полного тока называется полношаговым, и у него есть весомый недостаток - на низких скоростях двигатель жутко дергается, на чуть более высоких - начинает греметь. В общем, ничего хорошего. Для увеличения плавности движения (точность не увеличивается, дискретность полных шагов никуда не пропадает!) применяется микрошаговый режим управления. Он заключается в том, что ограничение тока, подаваемого на обмотки, изменяется по синусоиде. То есть, на один реальный шаг приходится некоторое количество промежуточных состояний - микрошагов.

Для реализации микрошагового управления двигателями применяются специализированные микросхемы. В рамках RepRap их две - A4988 и DRV8825 (модули на основе этих микросхем обычно называются так же). Плюс, осторожно сюда начинают проникать хитроумные TMC2100. Драйверы шаговых двигателей традиционно выполняются в виде модулей с ножками, но бывают и напаяны на плату. Второй вариант с первого взгляда менее удобен (нет возможности изменить тип драйвера, да и при выходе оного из строя возникает внезапный геморрой), но плюсы тоже имеются - на продвинутых платах обычно реализуется программное управление током двигателей, а на многослойных платах с нормальной разводкой запаянные драйверы охлаждаются через «пузо» чипа на теплоотводный слой платы.

Но, опять же, говоря о самом распространенном варианте - микросхема драйвера на собственной печатной плате с ножками. На входе у нее три сигнала - STEP, DIR, ENABLE. Еще три вывода отвечают за конфигурацию микрошага. На них мы подаем или не подаем логическую единицу, устанавливая или снимая джамперы (перемычки). Логика микрошага прячется внутри чипа, нам туда влезать не надо. Можно запомнить только одно - ENABLE разрешает работу драйвера, DIR определяет направление вращения, а импульс, поданный на STEP, говорит драйверу о том, что необходимо сделать один микрошаг (в соответствии с заданной джамперами конфигурацией).

Основное отличие DRV8825 от A4988 - поддержка дробления шага 1/32. Есть другие тонкости, но для начала достаточно этого. Да, модули с этими чипами вставляются в колодки управляющей платы по-разному. Ну, так получилось с точки зрения оптимальной разводки плат модулей. А неопытные пользователи жгут.

В общем случае, чем выше значение дробления, тем плавнее и тише работают двигатели. Но при этом увеличивается нагрузка на «ногодрыг» - ведь выдавать STEP приходится чаще. О проблемах при работе на 1/16 лично мне не известно, а вот когда возникает желание полностью перейти на 1/32, уже может возникнуть нехватка производительности «меги». Особняком тут стоят TMC2100. Это драйверы, которые принимают сигнал STEP с частотой как для 1/16, а сами «додумывают» до 1/256. В результате имеем плавную бесшумную работу, но не без недостатков. Во-первых, модули на TMC2100 стоят дорого. Во-вторых, лично у меня (на самодельном CoreXY под названием Kubocore) с этими драйверами наблюдаются проблемы в виде пропуска шагов (соответственно, сбой позиционирования) при ускорениях выше 2000 - с DRV8825 такого нет.

Резюмируя в трех словах: на каждый драйвер нужно две ноги микроконтроллера, чтобы задать направление и выдавать импульс микрошага. Вход разрешения работы драйвера обычно общий на все оси - кнопка отключения двигателей в Repetier-Host как раз одна. Микрошаг - это хорошо с точки зрения плавности движений и борьбы с резонансами и вибрацией. Ограничение максимального тока двигателей надо настраивать с помощью подстроечных резисторов на модулях драйверов. При превышении тока мы получим чрезмерный нагрев драйверов и двигателей, при недостаточном токе будет пропуск шагов.

Спотыкач

В RepRap не предусмотрено обратной связи по положению. То есть, программа управляющего контроллера не знает, где в данный момент находятся подвижные части принтера. Странно, конечно. Но при прямой механике и нормальных настройках это работает. Принтер перед началом печати перемещает все, что можно, в начальную позицию, и от нее уже отталкивается во всех передвижениях. Так вот, противное явление пропуска шагов. Контроллер выдает драйверу импульсы, драйвер пытается провернуть ротор. Но при чрезмерной нагрузке (или недостаточном токе) происходит "отскок" - ротор начинает поворачиваться, а потом возвращается в исходное положение. Если это происходит на оси X или Y, мы получаем сдвиг слоя. На оси Z - принтер начинает "вмазывать" следующий слой в предыдущий, тоже ничего хорошего. Нередко пропуск происходит на экструдере (из-за забива сопла, чрезмерной подачи, недостаточной температуры, слишком малого расстояния до стола при начале печати), тогда мы имеем частично или полностью непропечатанные слои.

С тем, как проявляется пропуск шагов, все относительно понятно. Почему это происходит? Вот основные причины:

1. Слишком большая нагрузка. Например, перетянутый ремень. Или перекошенные направляющие. Или "убитые" подшипники.

2. Инерция. Чтобы быстро разогнать или затормозить тяжелый объект, нужно затратить больше усилий, чем при плавном изменении скорости. Поэтому сочетание больших ускорений с тяжелой кареткой (или столом) вполне может вызвать пропуск шагов при резком старте.

3. Неправильная настройка тока драйвера.

Последний пункт - вообще тема для отдельной статьи. Если вкратце - у каждого шагового двигателя есть такой параметр, как номинальный ток. Он для распространенных моторов находится в диапазоне 1.2 - 1.8 А. Так вот, при таком ограничении тока у вас должно все хорошо работать. Если нет - значит, двигатели перегружены. Если нет пропуска шагов с более низким ограничением - вообще прекрасно. При снижении тока относительно номинала уменьшается нагрев драйверов (а они могут перегреваться) и двигателей (больше 80 градусов не рекомендуется), плюс, снижается громкость "песни" шаговиков.

Часть 3. Горячка.

В первой части цикла я рассказывал о маленьких слабеньких 8-битных микроконтроллерах Atmel архитектуры AVR, конкретно - о Mega 2560, которая "рулит" большинством любительских 3D-принтеров. Вторая часть посвящена управлению шаговыми двигателями. Теперь - о нагревательных приборах.

Суть FDM (fused deposition modeling, торговая марка Stratasys, всем обычно до лампочки, но острожные люди придумали FFF - fused filament fabrication) в послойном наплавлении филамента. Наплавление происходит следующим образом: филамент должен расплавиться в определенной зоне хотэнда, и расплав, подталкиваемый твердой частью прутка, выдавливается через сопло. При движении печатающей головки происходит одновременное выдавливание филамента и приглаживание его к предыдущему слою концом сопла.

Казалось бы, все просто. Охлаждаем верхнюю часть трубки термобарьера, а нижнюю - нагреваем, и все хорошо. Но есть нюанс. Нужно с приличной точностью поддерживать температуру хотэнда, чтобы она гуляла лишь в небольших пределах. Иначе получим неприятный эффект - часть слоев печатается при более низкой температуре (филамент более вязкий), часть - при более высокой (более жидкий), а результат выглядит похожим на Z-вобблинг. И вот, у нас в полный рост встает вопрос стабилизации температуры нагревателя, обладающего очень маленькой инерцией - из-за малой теплоемкости любой внешний «чих» (сквозняк, вентилятор обдува, мало ли что еще) или ошибка регулирования моментально приводит к заметному изменению температур.

Здесь мы вторгаемся в чертоги дисциплины под названием ТАУ (теория автоматического управления). Не совсем моя специальность (айтишник, но выпускающая кафедра АСУ), но курс такой у нас был, с преподавателем, который показывал слайды на проекторе и периодически над ними угорал с комментариями: «Ой, доверил этим студентам лекции в электронный вид переводить, они тут таких косяков налепили, ну, ничего, вы разберетесь». Ладно, лирические воспоминания в сторону, поприветствуем ПИД-регулятор.

Нельзя писать про ПИД-регулирование без этой формулы. В рамках данной статьи она просто для красоты.

Очень рекомендую ознакомиться со статьей , там довольно доступно написано про ПИД-регулирование. Если же совсем упростить, то выглядит картина так: у нас есть некоторое целевое значение температуры. И с определенной частотой мы получаем текущее значение температуры, и нам необходимо выдать управляющее воздействие, чтобы уменьшить ошибку - разницу между текущим и целевым значением. Управляющее воздействие в данном случае - ШИМ-сигнал на затвор полевого транзистора (мосфета) нагревателя. От 0 до 255 «попугаев», где 255 - максимальная мощность. Для тех, кто не знает, что такое ШИМ - простейшее описание явления.

Итак. Каждый «такт» работы с нагревателем нам необходимо принять решение о выдаче от 0 до 255. Да, мы можем просто включать или выключать нагреватель, не заморачиваясь ШИМ. Допустим, температура выше 210 градусов - не включаем. Ниже 200 - включаем. Только в случае с нагревателем хотэнда такой разброс нас не устроит, придется поднимать частоту «тактов» работы, а это дополнительные прерывания, работа АЦП тоже не бесплатная, а у нас крайне ограниченные вычислительные ресурсы. В общем, надо управлять точнее. Поэтому ПИД-регулирование. П - пропорциональное, И - интегральное, Д - дифференциальное. Пропорциональная составляющая отвечает за «прямую» реакцию на отклонение, интегральная - за на накопленную ошибку, дифференциальная в ответе за обработку скорости изменения ошибки.

Если еще проще - ПИД-регулятор выдает управляющее воздействие в зависимости от текущего отклонения, с учетом «истории» и скорости изменения отклонения. Нечасто я слышу о калибровке ПИД-регулятора «марлина», но функция такая имеется, в результате мы получаем три коэффициента (пропорциональный, интегральный, дифференциальный) позволяющие наиболее точно управлять именно нашим нагревателем, а не сферическим в вакууме. Желающие могут почитать про код M303 .

График температуры хотэнда (Repetier-Host, Marlin)

Чтобы проиллюстрировать крайне низкую инерцию хотэнда, я на него просто дунул.

Ладно, это про хотэнд. Он есть у всех, если речь идет о FDM/FFF. Но некоторые любят погорячее, так возникает великий и ужасный, жгущий мосфеты и рампсы, нагревательный стол. С электронной точки зрения с ним все сложнее, чем с хотэндом - мощность относительно большая. А вот с позиций автоматического регулирования проще - система более инертная, да и допустимая амплитуда отклонения выше. Поэтому стол с целью экономии вычислительных ресурсов обычно управляется по принципу bang-bang («пыщь-пыщь»), этот подход я выше описывал. Пока температура не достигла максимума, греем на 100%. Потом пусть остывает до допустимого минимума, и снова греем. Также отмечу, что при подключении горячего стола через электромеханическое реле (а так нередко делают, чтобы «разгрузить» мосфет) только bang-bang является допустимым вариантом, ШИМить реле не надо.

Датчики

Напоследок - про терморезисторы и термопары. Терморезистор изменяет свое сопротивление в зависимости от температуры, характеризуется номинальным сопротивлением при 25 градусах и температурным коэффициентом. По факту, устройство нелинейное, и в том же «марлине» есть таблицы для пересчета полученных с терморезистора данных в температуру. Термопара - редкий гость в RepRap, но попадается. Принцип действия иной, термопара является источником ЭДС. Ну, то есть, выдает определенное напряжение, величина которого зависит от температуры. Напрямую к RAMPS и подобным платам не подключается, но активные адаптеры существуют. Что интересно, также в «марлине» предусмотрены таблицы для металлических (платиновых) термометров сопротивления. Не такая уж редкая вещь в промышленной автоматике, но встречается ли «живьем» в RepRap - мне не известно.

Часть 4. Единение.

3D-принтер, работающий по принципу FDM/FFF состоит, по сути, из трех частей: механики (передвижение чего-то в пространстве), нагревательных приборов и электроники, всем этим управляющей.

В общих чертах я уже рассказал, как каждая из этих частей работает, а теперь попробую порассуждать на тему "как это собирается в одно устройство". Важно: многое буду описывать с позиций кустаря-самодельщика, не оснащенного дерево- или металлообрабатывающими станками и оперирующего молотком, дрелью и ножовкой. И еще, чтобы не распыляться, в основном про "типовой" RepRap - один экструдер, область печати в районе 200х200 мм.

Наименее вариативное

Оригинальный E3D V6 и его очень недобрая цена.

Начну с нагревателей, тут популярных вариантов не очень много. Сегодня в среде самодельщиков наиболее распространен хотэнд E3D .

Точнее, его китайские клоны весьма плавающего качества. Про мучения с полировкой цельнометаллического барьера или использование трубки боудена "до сопла" не буду - это отдельная дисциплина. Из личного небольшого опыта - хороший металлический барьер прекрасно работает с ABS и PLA, без единого разрыва. Плохой металлический барьер нормально работает с ABS и отвратно (вплоть до "никак" - с PLA), и в таком случае бывает проще поставить столь же плохой термобарьер, но с тефлоновой вставкой.

В целом же, E3D очень удобны - можно поэкспериментировать как с термобарьерами, так и с нагревателями - доступны как "маленькие", так и Volcano (для толстых сопел и быстрой брутальной печати). Тоже условное деление, кстати. Сейчас использую Volcano с соплом 0.4. А некоторые изобретают втулку-проставку, и работают себе спокойно с короткими соплами от обычного E3D.

Программа минимум - покупаем типовой китайский комплект "E3D v6 + нагреватель + набор сопел + кулер". Ну и, рекомендую сразу пачку разных термобарьеров, чтобы когда дело дойдет до этого, не ждать очередной посылки.

Второй нагреватель - это не второй хотэнд (хотя тоже неплохо, но не будем погружаться), а стол. Можно причислить себя к рыцарям холодного стола, и вообще не поднимать вопрос нижнего подогрева - да, тогда сужается выбор филамента, придется немного подумать о надежной фиксации модели на столе, но зато вы никогда не узнаете про обугленные клеммы RAMPS, глубокие отношения с тонкими проводами и дефект печати типа "слоновья нога". Ладно, пусть нагреватель все-таки будет. Два популярных варианта - из фольгированного стеклотекстолита и алюминия.

Первый - простой, дешевый, но кривой и "жидкий", требует нормального крепления к жесткой конструкции и ровного стекла сверху. Второй

По сути, та же печатная плата, только в качестве подложки - алюминий. Хорошая собственная жесткость, равномерный прогрев, но стоит дороже.

Неочевидный недостаток алюминиевого стола - это когда китаец плохо приляпывает к нему тонкие провода. На текстолитовом столе заменить провода просто, имея базовые навыки пайки. А вот припаять 2.5 квадрата к дорожкам алюминиевой платы - задача продвинутого уровня, с учетом отличной теплопроводности данного металла. Я использовал мощный паяльник (который с деревянной ручкой и жалом в палец), а в помощь ему пришлось призвать термовоздушную паяльную станцию.

Самое интересное

3D-принтер с кинематикой "руки робота".

Самая вкусная часть - это выбор кинематики. Я в первом абзаце обтекаемо упомянул механику как средство "передвижения чего-то в пространстве". Вот, теперь как раз к тому, что и куда двигать. В общем и целом, нам надо получить три степени свободы. А двигать можно печатающую головку и стол с деталью, отсюда и все многообразие. Есть радикальные конструкции с неподвижным столом (дельта-принтеры), есть попытки воспользоваться схемами фрезерных станков (XY-стол и Z-головка), есть вообще извращения (полярные принтеры или позаимствованная из робототехники SCARA-механика). Про весь этот беспредел можно долго рассуждать. Так что, ограничусь двумя схемами.

"Прюша"

XZ-портал и Y-стол. Политкорректно назову эту схему "заслуженной". Все более-менее ясно, сто раз реализовано, допилено, модифицировано, на рельсы посажено, в габаритах смасштабировано.

Общая идея такова: есть буква "П", по ногам которой ездит перекладина, приводимая в движение двумя синхронизированными двигателями с помощью передачи "винт-гайка" (редкая модификация - с ремнями). На перекладине висит двигатель, который за ремень таскает влево-вправо каретку. Третья степень свободы - это движущийся вперед-назад стол. Плюсы конструкции есть, например, изученность вдоль и поперек или чрезвычайная простота в кустарной реализации из подручных материалов. Минусы тоже известны - проблема синхронизации двигателей Z, зависимость качества печати аж от двух шпилек, которые должны быть более-менее одинаковы, сложно разогнаться до высоких скоростей (поскольку двигается относительно тяжелый инертный стол).

Z-стол

При печати медленнее всего изменяется координата Z, да еще и только в одну сторону. Вот и будем двигать по вертикали стол. Теперь надо придумать, как перемещать в одной плоскости печатающую головку. Есть решение проблемы "в лоб" - по сути. берем портал "прюши", кладем его на бок, заменяем шпильки на ремень (и убираем лишний движок, заменяя его на передачу), поворачиваем на 90 градусов хотэнд, вуаля, получаем нечто вроде MakerBot Replicator (не последнего поколения).

Как еще улучшить эту схему? Надо добиться минимальной массы подвижных деталей. Если откажемся от директ-экструдера и будем подавать филамент по трубке, все равно остается двигатель X, который нужно зазря катать по направляющим. И вот тут включается настоящая инженерная смекалка. По-голландски она выглядит как куча валов и ремней в ящике под названием Ultimaker. Конструкция доведена до такого уровня, что многие считают Ultimaker лучшим настольным 3D-принтером.

Но есть более простые инженерные решения. Например, H-Bot. Два неподвижных мотора, один длинный ремень, горстка роликов. И это дело позволяет перемещать каретку в плоскости XY путем вращения двигателей в одну или в разные стороны. Красиво. На практике предъявляет повышенные требования к жесткости конструкции, что несколько усложняет изготовление из спичек и желудей, особенно при использовании деревянных подшипников.

Классическая CoreXY с перекрещенными ремнями.

Более сложная схема, с двумя ремнями и бОльшей кучкой роликов - CoreXY. Считаю лучшим вариантом для реализации, когда вы уже собрали свою или китайскую "прюшу", а творческий зуд не утих. Можно делать из фанеры, алюминиевого профиля, табуреток и других ненужных предметов мебели. По принципу действия результат похож на H-Bot, но меньше склонен к заклиниванию и скручиванию рамы в бараний рог.

Электроника

Если нужно сэкономить деньги - то Mega+RAMPS в китайском исполнении просто вне конкуренции. Если же нет особых познаний в электрике и электронике, а нервы не лишние, то лучше посмотреть в сторону более дорогих, но грамотно сделанных плат от Makerbase или Geeetech.

Основные болячки бутерброда в виде "не тех" выходных транзисторов и питания всего пятивольтового колхоза через стабилизатор на плате Arduino там вылечены. Если говорить о совсем альтернативных вариантах, то я жду, когда появится возможность приобрести плату на LPC1768, например, ту же MKS SBase, и поразвлекаться с 32-битным ARM и прошивкой Smoothieware. А параллельно - неторопливо изучаю прошивку Teacup применительно к Arduino Nano и Nanoheart.

Самодельщику

Ну, допустим, решили вы обязательно слепить свой велосипед. Не вижу в этом ничего плохого.

В общем-то, отталкиваться надо от финансовых возможностей и от того, что можно найти в гараже или подвале. А также от наличия или отсутствия доступа к станкам и радиуса кривизны рук. Грубо говоря, есть возможность потратить 5 тысяч рублей - хорошо, обходимся самым минимумом. За десятку уже можно немного разгуляться, а приближение бюджета к 20 тысячам изрядно развязывает руки . Конечно, сильно облегчает жизнь возможность купить китайский конструктор "прюши" - можно и разобраться в основах 3D-печати, и получить отличный инструмент для развития самопала.

Тем более, что большинство деталей (двигатели, электроника, часть механики) спокойно перекочует и в следующую конструкцию. Короче говоря, покупаем акриловое барахло, допиливаем до вменяемого состояния, печатаем детали для следующего принтера, пускаем предыдущий на запчасти, намылить, смыть, повторить.

Начало сборки Kubocore 2.

На этом пожалуй всё. Возможно, получилось немного галопом. Но по-другому объять необъятное в рамках общего обзорного материала сложно. Хотя, полезных ссылок для размышления я накидал, ищущий по-любому обрящет. Вопросы и дополнения традиционно приветствуются. Ну и, да, в обозримом будущем будет продолжение - уже о конкретных решениях и граблях в рамках проектирования и постройки Kubocore 2.

Современный аддитивный принтер – удовольствие не из дешевых. Чтобы стать владельцем высокотехнологичной «машины», придется выложить несколько сотен, а то и тысяч долларов. Многие сторонники трехмерной печати задаются вопросом, как собрать 3d принтер своими руками? Если устройство может воспроизводить детали любых форм и размеров, почему бы не попробовать напечатать точно такой же принтер?

Самовоспроизводство, как альтернатива коммерческим моделям

В действительности инженеры уже не первый год бьются над тем, чтобы сделать технологию трехмерной печати общедоступной.

Впервые о самовоспроизводящихся механизмах заговорили в 2004 году. Проект получил название 3d принтер reprap. Аппараты данного типа могут воспроизводить точные копии своих комплектующих.

Первым стал принтер под названием «Дарвин». Ему удалось воспроизвести около 60% своих деталей для дочерней копии. Ему на смену пришел «Мендель», способный работать не только с пластиком, но и мраморной пылью, тальком и металлическими сплавами.

Несмотря на то, что принцип reprap завоевал доверие среди пользователей печатным оборудованием и приобрел огромную популярность среди инженеров-любителей, его нельзя назвать совершенным.

Базовая стоимость стандартной платформы для создания себе подобных клонов составляет 350 евро. Профессиональный самовоспроизводящийся аппарат, способный печатать собственный электрические схемы стоит 3000 евро.

В обоих случаях покупателю придется приложить немало усилий для того, чтобы его копия заработала в полной мере.

Собираем 3d принтер

Прежде всего, придется раскошелиться на детали и комплектующие, которые на сегодняшний день невозможно целиком изготовить на обычном принтере. Начинающему инженеру придется докупить, самостоятельно установить и откалибрировать:

— датчики для измерения температуры сопла экструдера и нагревательного стола;
— шаговые двигатели, приводящие в действие печатную головку и платформу построения;
— контроллер шагового двигателя;
— концевые датчики для определения «нуля»;
— термисторы;
— нагреватель экструдера и рабочего стола.

Вышеперечисленные запчасти подбираются исходя из габаритов устройства и целей, которые перед ним ставятся. Суммарный бюджет самодельного аппарата может легко сравняться с себестоимостью недорогого FDM-принтера со средним качеством печати.

Reprap принтеры — полуфабрикаты в мире 3D

В действительности собрать 3d принтер своими руками сложнее, чем может показаться на первый взгляд. К сожалению, технология reprap далека от совершенства и ориентирована в первую очередь на людей с инженерным образованием. Для всех остальных предусмотрены комплекты, которые можно собрать воедино руководствуясь инструкцией и твердо держа в руке отвертку.

Например, DLP-принтер Sedgwick v2.0 Kit. Фотополимерный аппарат предназначен для печати моделей из акрила. На выбор предлагается два варианта устройства: с баком объемом 75х75х50мм и 75х75х120мм. Готовый прибор способен печатать с минимальной толщиной слоя 100мкм.

В свою очередь, набор Engineer (Prusa i3) позволяет собрать принтер для послойного наплавления ABS и PLA пластиком с толщиной наносимого слоя 0,3-0,5мм. Объем рабочей камеры составляет 200х200х180мм.

Наборы для самостоятельной сборки постоянно совершенствуются. В 2015 году в продажу поступили первые принтеры серии PRotos v3, немецкого производителя German RepRap. Устройство как и остальные модели подобного типа, продается в разобранном виде.

Но производитель учел предыдущие недочеты и представил комплект, собрать который стало намного проще, чем когда-либо ранее. Новинка снабжена уже готовой платформой для печати, алюминиевыми армирующими опорами, придающими ей дополнительный запас прочности, катушкой фирменного кабелями с подготовленными разъемами, а также собранными платами.

Если раньше самостоятельно собрать корректно работающий принтер было практически невозможно, то благодаря стараниями немецких инженеров, каждый покупатель получил возможность своими руками собрать устройство для трехмерной печати, оборудованное двумя экструдерами.

Примечательно, что инженеры компании PRotos v3 решили не ограничивать возможности печатной машины и обучили ее работе со всеми известными видами пластика, такими как ABS, PLA, PP, PS, PVA, smartABS, Laybrick, Bendlay и Laywood.

Стоимость комплекта составляет 999 евро. С другой стороны, собранный на заводе принтер продается по цене 1559 евро.

Как самому собрать 3d принтер из подручных материалов

За место в категории «самый дешевый 3d принтер своими руками» могут соревноваться сразу два кандидата. Модель EWaste обойдется не дороже 60 долларов, при условии, что вы сможете найти подходящие детали, позаимствованные из старых электроприборов.

Вам понадобится два CD/DVD привода, дисковод, компьютерный блок питания, разъемы, термоусадочная трубка и мотор NEMA 17.

Альтернативный вариант – использовать фанеру, гайки, кабеля, болты и алюминиевый лом. Прикрепить все это к пошаговому двигателю и нагревательному картриджу с помощью паяльника. Детальный процесс сборки египетского ATOM 3D вы найдете вот .

Кстати, чтобы обзавестись собственным принтером совершенно не обязательно мастерски орудовать паяльной лампой. Достаточно разобрать несколько копировальных аппаратов. Так, в России появился 3D принтер, собранный из утилизированных лазерных МФУ Xerox 4118 и Xerox M15.

Чтобы воплотить задумку в реальность инженеру понадобились стальные направляющие, три пластиковых подшипника, несколько металлических профилей, 4 моторчика, два из которых поддерживают функцию микрошага. Дополнительно автор проекта задействовал термистор для печки, 3 оптических датчика и соединительные провода.

Возможно, готовый агрегат не блещет дизайнерскими изысками, зато вполне прилично справляется с печатью привычным ABS пластиком. Себестоимость самоделки едва ли превысит 50 долларов, при условии, что некоторые комплектующие были у автора идеи в наличии.

Впрочем, при должной сноровке можно попробовать собрать нечто более совершенное. Китайские инженеры из компании Makeblock специализирующиеся на разработке робототехники, любезно предложили свой «рецепт» недорогой машины для трехмерной печати.

Принтер собирался из подручных инструментов и продающихся на открытом рынке механизмов. Китайские разработчики использовали фирменную раму Makeblock с платформой типа i3, купить которую можно в магазине компании.

За электрическую часть отвечает плата Arduino MEGA 2560+ RAMPS. Устройство управляется с помощью стационарного компьютера с предустановленным специальным программным обеспечением Printrun (скачать).

Какой именно вариант выбрать – решать вам. Самовоспроизводящиеся принтеры стремительно развиваются и эволюционируют. Но такой комплект стоит ненамного дешевле обычной коммерческой модели, так как является полноценной платформой для ускоренного прототипирования. Общественный стереотип, гласящий что rep-rap – это всего лишь бюджетные игрушки, канул в лету вместе с заявлениями NASA.

Оказывается, астронавты планируют в недалеком будущем взять несколько подобных принтеров в космос. По замыслу инженеров, самовоспроизводящиеся принтеры помогут сэкономить полезную площадь и грузоподъемность шатла. Планируется, что они будут использоваться для постройки космических баз на Луне и Марсе.

В качестве чернил 3D принтеры будут использовать мелкодисперсный песок.

Rep-rap 3d принтеры позволяют сэкономить несколько десятков или сотен долларов, но готовый образец придется самостоятельно настраивать, из-за чего качество печати может страдать. Самодельные принтеры – вариант для людей с инженерным образованием и недюжинным терпением.