RepRap: немного практики, теории и как избежать ошибок при сборке (часть 1)

Про 3Д принтеры написано уже воз и малая тележка, но когда начинаешь собирать самостоятельно — сталкиваешься с кучей вопросов и проблем, которые нигде не описаны…
Данный пост — маленькое пособие для начинающих РепРаперов (ну и остальным что-то пригодится) про шишки, которые я набивал при сборке своего RepRap Prusa Mendel.

Часть 0, или чем и как печатать

Принтеры класса РепРап — печатают, в основном, пластиковым прутком. Это не значит, что они ограничены только им: есть модификации под шоколад, олово, крепление фрезы и т.д.
Но основное — пластиковый пруток.

Печать сводится к тому, что мы подаём этот самый пруток с помощью экструдера в нагревательную головку, там он плавится и под давлением запихиваемого в головку прутка — выдавливается через сопло. Получившуюся тонкую струйку пластика мотаем по X-Y координатам, приклеивая сначала к столу, а потом — к предыдущему слою.

Тут существуют несколько тонкостей:
1. Если сам к себе пластик прилипает отлично, то вот к столу — проблемно. Поэтому стол нагревают и покрывают «каптоном» — термоскотчем янтарного цвета. ФЗ почему так, но эксперименты показывают, что к нему липнет лучше всего.
2. Методика не позволяет печатать нависающие детали. Пруток просто не успевает застывать в воздухе и провисает… Решения есть, понятное дело, но учитывать надо.

Итак, основных игроков на рынке пластика для принтеров два: ABS и PLA.

ABS

Акрилонитрилбутадиенстирол, или просто АБС. «ударопрочная техническая термопластическая смола на основе сополимера акрилонитрила с бутадиеном и стиролом (название пластика образовано из начальных букв наименований мономеров)».
Обычно — желтовато-молочного цвета, но может быть цветным за счёт красителей.
Проблема в том, что если у нас в стране белый АБС наладили более-менее производить, то вот с цветным — получается у них какая-то упорная лажа…

Плюсы: дешёвый (порядка 600 рублей за килограмм, плюс-минус), растворяется в ацетоне (можно сгладить «ступеньки» печати).
Минусы: нужен стол с подогревом и каптон. Детям лучше не давать.

Рабочая температура — в районе 210 градусов. Плюс-минус километр: может и при 180 работать, может и при 230 не плавиться… Подбирается экспериментально под купленную партию прутка.
Рабочий стол — примерно 110 градусов и каптон.
Как совет — предварительно намазать стол раствором пластика на ацетоне: прилипнет так, что фиг отдерёшь!

PLA

Полилакти́д (ПЛА) — биоразлагаемый, биосовместимый, термопластичный, алифатический полиэфир, мономером которого является молочная кислота. Сырьем для производства служат ежегодно возобновляемые ресурсы, такие как кукуруза и сахарный тростник.

Плюсы: детали из ПЛА имеют хорошее скольжение, из них можно делать подшипники скольжения. Ну и он не токсичен и можно давать детям.
Минусы: дорогой, скотина! Раза в два дороже АБСа! И т.к. разлагается года за два — то для долгоиграющих вещей лучше не юзать!

Как дополнительный плюс — ему достаточно гладкой поверхности для рабочего стола, без нагрева и каптона!
Как дополнительный минус — ацетон его не берёт почти…

Рабочая температура — порядка 185 градусов.

«Тёмная лошадка» — PVA

Свежачёк — в продаже появился буквально на днях.
Инфы мало, известно только то, что растворяется в воде. Применяется как разделитель при печати составных деталей, когда, к примеру, печатается гайка, которая сразу надета на болт: после печати вымывается разделитель и гайка спокойно крутится на болту!

Плюсы: растворяется в воде, что полезно в некоторых вещах.
Минусы: растворяется в воде, что вредно в совершенно других ситуациях. И дорогой, скотина! Дороже ПЛА!

Резюме:

Печатают чаще всего АБСом: он и дешевле, и надёжнее… Остальные — под ситуацию: к примеру, народ навострился из PLA печатать линейные подшипники для принтеров.

Глава 1. Разница между разными моделями принтеров

Про всяческие оптические и т.п. говорить не буду — там принцип совсем другой.
Тут речь пойдёт про «прутковые» принтеры, которых накопилось уже куча моделей и в которых народ потихоньку начинает плавать.

Дарвин

В начале было слово и слово это было «Дарвин».
Возможно были и другие какие-то прототипы, но первым РепРапом стал именно он.
В Дарвине печатающая головка двигалась по X-Y осям на вершине «куба», а платформа по мере печати опускалась вниз на четырёх шпильках по краям, связанных с мотором зубчатыми ремнями.
В дальнейшем РепРап принтеры практически ушли от этой практики: её унаследовал только «внебрачный сын» Дарвина — Maker Bot Thing-o-matic.

Maker Bot Thing-o-matic

Уход от концепции «самокопирующихся» принтеров. Мейкер-Боты почти на 90% сделаны из фанеры лазерной резкой. В остальном — довольно близки по концепции с Дарвином: опускающаяся платформа и головка движется по X-Y.
Говорят, что такая компоновка даёт МейкерБотам и их клонам большую точность печати. Возможно — спорить не буду.
Но как минус — напечатать на МейкерБоте детали к МейкерБоту для друга у вас не выйдет!

Мендель

Т.н. «Оригинальный» или «Классический».
Как это не смешно, но концепция Дарвина не прижилась среди РепРапов: Мендель стал «треугольным», рабочий стол начал ездить только по Y-оси, а печатающая головка — по X и Z. Причём ось Z обслуживал только один мотор с ременной передачей на пару шпилек…

Говорят, что оригинальный Мендель был жутко сложен в наладке и сборке.
Поэтому сейчас основной игрок — его потомок из Чехии:

Мендель Прюша (Prusa)

Кто-то может возмутиться такой транскрипцией, но дело в том, что это не английский, это Чешский. Автором модификации является чех Йозеф Прюша.
По мнению многих — Прюша-Мендель более прост в сборке.
В принципе — он сильно похож на оригинальный Мендель, но…
Одна из основных вещей — Джозеф отказался от ременной передачи на шпильки для Z-оси и поставил два мотора, непосредственно соединённых с соответствующими шпильками.

Мендель Макс

Если Дарвин, Мендель и Прюша собираются на основе шпилек М8, то Мендель Макс — из фигурного профиля.
По-идее — даёт большую жёсткость конструкции, но если шпилька продаётся по 36 рублей за метр в том-же строймаркете, то нужный профиль ещё и найти надо где-то!!!

Авторы в какой-то мере пытаются упирать на то, что «Зато мы можем этот профиль печатать на самом принтере!»
На практике — ну явно-же размеры печатной области не дадут места для профиля нужной длины!

Орка

Принтеры типа «Орки» — попытка заменить часть деталей на «фабричные» с лазерной резкой и т.д. Чистым РепРапом не являются, т.к. на нём детали под него-же не напечатать…

Printrbot

Венец простоты в сборке: минимум деталей, минимум «непечатных» деталей и вообще.
Существуют фанерные варианты этого принтера от авторов, но…

Один из главных плюсов — он варьируется в размерах и за счёт отсутствия рамы — сильно компактен!

Глава 2. Как и чем рулить.

В минимальной конфигурации в принтере наличествуют следующие вещи:

• 4 (5) шаговых моторов — X-Y-Z+экструдер
• Датчики температуры для сопла и нагревательного стола
• Нагреватели стола и головки
• Три концевых датчика на осях в нуле

Ну и прочие, типа второго экструдера, которому тоже надо нагреватель и термистор, концевиков в «максимуме», вентилятора для охлаждения головки и т.п.

Ясное дело — всё это просто так к компьютеру подключить нельзя, поэтому используется «промежуточное звено» в виде контроллера.
«Проблема» в том, что нарисованную в 3Д студии модель просто так в контроллер не запихнёшь: ему на такое 3Д мозгов не хватит — максимум что он умеет — крутить моторами и ловить инфу с датчиков. А что хотели от AVR-ок?

Поэтому уже давно был принят т.н. G-код для управления фрезерками и т.п. станками с ЧПУ.
Собственно Г-код — это набор простых команд в стиле «Переместить по X-Y на… со скоростью ...», «Выставить температуру… на ...», «Двигаться по… до концевика» и т.п.
Конвертацией моделей в Г-код занимается специальная программа на компе — Слайсер. К ней мы ещё вернёмся.
Г-код на сайтах обычно не выкладывают, т.к. он чаще всего заточен под конкретный принтер.

Совет: если деталь собираетесь повторять в дальнейшем — сохраните Г-код! Конвертация — довольно длительный процесс!

В дальнейшем — управляющая программа потихоньку стравливает Г-код контроллеру и тот его выполняет.
Или, в некоторых модификациях контроллера, устанавливается картридер для Микро-SD и прога заливает Г-код на карточку целиком, после чего компьютер можно даже и отключить: в таких случаях к контроллеру обычно подключают ЖК-дисплей и несколько кнопок для управления и контроля.

Пройдёмся по компонентам:

Шаговые двигатели NEMA-17

Многие новички считают, что это — название какой-то конкретной модели.
Так вот: это не так! Это стандарт под «посадочное место» шаговиков!
Конкретная модель — целиком и полностью зависит от собирающего!

Краткий «ликбез» про шаговые движки:
Если простой двигатель работает по принципу «Подали ток и завертелся», то шаговики — имеют несколько обмоток и при подаче на одну из них тока двигатель фиксируется в определённом положении. Подали на следующую и отключили на этой — он сделал шаг вперёд. Переключили на предыдущую — шаг назад.
Управляющих проводов, обычно, четыре. Ток подаётся на соседнюю пару проводов, потом на «этот + следующий» и т.д.
Это т.н. «шаговый» или «полно-шаговый» режим.

Большая часть шаговиков — на 200 шагов. Т.е. он должен сделать 200 шагов, что-бы повернуть на 360 градусов ротор.
Много это или мало?
Полный оборот — для оси Z это перемещение на миллиметр.
200 шагов — делят его на отрезки по 0.005 мм.
Вроде неплохо, но всегда хочется БОЛЬШЕГО!

Поэтому народ придумал «полушаговый» режим: ток подаётся не на два, а на три соседних провода, т.е. — на пару соседних обмоток одновременно! При этом движок «застывает» между двумя шагами.
Затем одна из обмоток отключается и он переходит на неё, потом включается следующая при этой работающей — он переезжает на пол-шага вперёд… И т.д.
Как не трудно посчитать — шагов становится 400!

Но… «Хочим ещё!» завопил народ и придумал «Микрошаговый» режим!
В шаговом — мы включаем отдельные обмотки, в полу-шаговом — подаёём на соседние напряжение «поровну»…
А что будет, если на одну обмотку подать раза в два меньше? А в три?
Прааавильно! Ротор остановится не посредине между двумя обмотками, а «с закосом» в сторону большей!!!
Таким макаром шаг делят на 4, 8 и 16 частей (можно и больше, но честно скажу — выше «шестнадцатой» — не видел!)!!!

Толку от этого не особо, казалось-бы, но если в шаговом режиме движок «щёлкает»при переходе между шагами, то деление шага делает его более бесшумным! На делителе «16» принтер работает так, что из соседней комнаты при открытых дверях его не слышно!!!

Проблема в том, что если для шагового и полу-шагового режимов достаточно четырёх «мостов», то «микрошаг» — более сложен.
Поэтому некоторые фирмы наладили выпуск «контроллеров шаговых двигателей».

Контроллер шагового двигателя

Логика действия контроллера мотора проста до безобразия: подаём питание для логической части и для движка, после чего — на пару управляющих контактов подаётся направление и сигнал «шаг»: есть «шаг» — мотору выдаются напряжения для перемещения ротора на шаг, полу-шаг или микро-шаг, в зависимости от того, что мы задали перемычками.
Схема, если кому интересно.

Контроллеры шаговиков в последнее время бывают обычно с режимом 1/16, но можно напороться на 1/8: купил тут на Ебае, не посмотрел, а оказалась «восьмёрка»…

«Глазастики» заметят, что на контроллере присутствует переменный резистор.
Зачем?
А для регулировки рабочего напряжения шаговиков: они, увы, бывают и под 12 вольт, и под 4 и под 8 и т.п.

Как настроить?
Выставляяем регулятор примерно на середину.
После подключения моторов (на собранном принтере!) включаем ОДИН из них и даём из программы команду на перемещение.
Если тянет — хорошо.
Если тянет и после остановки гудит — крутим регулятор против часовой, пока не перестанет.
Если не тянет — крутим по часовой.
Опять запускаем движение и повторяем по-необходимости.
Нам нужен баланс между «Не гудит» и «нормально ездит»!

После настройки одного движка — даём команду на отключение моторов и повторяем со следующим!

Концевые датчики

Нужны для определения нуля, что-бы остановить движки до того, как они что-нить разнесут.
Бывают оптическими и нажимными.
Оптический — оптопара, попадая в щель которой «флажок» концевика подаёт сигнал на контроллер.
Нажимной — тупо кнопка. Микрик…

Ясен пень — оптический точнее. Но для X-Y точность не особо нужна, так что можно съэхогномить…

Термисторы

Термистор нужен для замера температуры печатающей головки и нагревательного стола.
Принцип прост: у него меняется сопротивление в зависимости от температуры…
Итого — меряем сопротивление и получаем температуру!
Просто?
Ну-ну…
Проблем там две:
1. Рабочий диапазон температур до 300 градусов. Нам столько не особо нужно, но ниже — только 200 градусные! Я так накололся, в итоге на 220 градусах мой термистор «заснул»…
2. Таблица калибровки: у термисторов не везде и не особо линейные зависимости… Поэтому народ их КАК-ТО калибрует и выкладывает таблицы…

Итого: термистор лучше брать один из тех, для которых есть таблицы зависимостей!

Замечание:
Провода до термисторов должны быть минимально возможной длины!!!
Помните, что мы меряем СОПРОТИВЛЕНИЕ в проводнике и длинные провода — это лишние Омы в цепи!!!

Нагреватель экструдера

«Традиционно» народ для этих целей использовал обычно нихромовую проволоку.
Но это довольно муторно её наматывать, отмерять и т.д. Да её напряжно даже и купить-то!!!
Поэтому народ для этих целей начал юзать резисторы определённых типов…
Фишка в том, что некоторые резисторы, по факту, та-же нихромовая проволока, только в корпусе! Ну и как следствие — греются при подаче напряжения что твой утюг…

Замечание:
Помните, что рабочие температуры для пластика — порядка 200 градусов и выше!
А припой обычно плавится при 100 градусах!
И что получается?
Праааавильно — отвалятся ваши провода к чёртовой бабушке!!!
Используйте обжимную фигню, что-бы соединить провода и контакты нагревателя: клеммы коннекторов и т.п.

Как вариант, конечно, высокотемпературные припои, но это довольно муторный процесс...

Нагреватель рабочего стола

Некоторые используют нихромовую проволоку, приклеенную снизу к листу алюминия, другие — клеят туда стопку из тех самых резисторов, что в нагревателе…
А третьи — пошли по пути наименьшего сопротивления, посчитали то самое сопротивление и в редакторе нарисовали на фольгированном гетинаксе плату с длиииинной кривой дорожкой, которая соответствует по свойствам нихромовой проволоке!
Итого — довольно «копеечное» и красивое решение!

Совет:
Не клейте каптоновый скотч прямо на термостол!
Дело в том, что скотч иногда надо менять, а клеить аккуратно в принтере его СЛОЖНО!
Да и иногда надо вынуть деталь вместе с основой, что-бы отодрать её спокойно…
Поэтому вырезаем из фольгированного гетинакса прямоугольник по форме термостола, клеим на него термоскотч и прикрепляем к столу металлическими канцелярскими прищепками!!!
Надо вынуть? Отцепили прищепки и вынули! Профит!

С электронными частями принтера практически всё.
Единственное, что ещё можно сказать, прежде чем перейти к контроллеру:
Совет:
Купите термоклей «Радиал»!!!
Это хрень, типа процессорной термопасты, но он ПРИКЛЕИВАЕТ!!!
Термисторы приклеивать лучше им, им-же — вклеить нагреватель. Ну и я его заодно как изоляцию для проводов у нагревателя юзаю...

Итак,

Контроллер принтера

В основном, в последнее время контроллеры принтера делают совместимым с Ардуино IDE, под который и написаны практически все прошивки.
Основные «игроки» — RAMPS, Sanguinololu и разные версии Generation Electronics.

Generation Electronics

Тут надо заметить, что номера в Gen — это не версии а разные подходы.
Gen 3 — плата контроллера и контроллеры моторов разнесены, соединение проводами. Если хочется бардак на столе — ваш выбор.
Gen 6 — контроллеры моторов (микросхемы) впаяны в плату управления намертво. Сгорит один — чини всю плату, т.к. там SMD монтаж этих самых микросхем.
Gen 7 — контроллеры моторов Pololu в «кроватках». Плюс питание от ATX БП и сборка без SMD компонентов. ATmega644 как процессор.

Sanguinololu

Сочетание Sanguino (клон Ардуино) и Pololu (контроллеров моторов).
В принципе — близкий родственник Gen 7, но более компактный монтаж.
Как минус — Gen7 рассчитан на «лазерно-утюжные» платы, а тут — не разбежишься…

RAMPS

RepRap Arduino Mega Pololu Shield — как понятно из названия — это «шелд» между Ардуино и контроллерами моторов Pololu. «Мой выбор».
В чём плюшки:

1. В основе стандартная Ардуина Мега.
2. Поддерживает ПЯТЬ независимых контроллеров моторов! В других — обычно обходятся четырьмя: три на оси и четвёртый — экструдер. Пятый контроллер — для второго экструдера.
3. Два выхода на нагреватели экструдеров + отдельный на нагревательный стол. Т.е. — можно на экструдеры подавать пластик с разными температурами!!!
4. Три входа для термисторов (2 экструдера+стол)
5. Шесть входов для концевых датчиков (можно поставить только три, но при желании — можно установить и максимальные!)
6. I2C и SPI для разнообразных дополнительных функций.
7. Коннектор для модуля SD-карты.
8. Ну и кучкудук пока не используемых фишек...

Минусы: платить приходится за Ардуину, шелд и контроллеры моторов. Ну и кучка SMD монтажа, что не всем в кайф…

Пока что — мне она больше всех нравится, но, говорят, появилось несколько конкурентов…

Часть 1 подошла к концу.
Во второй части вы узнаете:
Что такое Слайсер и нафига он нужен?
Заглядываем деталям под «юбку» и наводим «мосты».
Что такое экструдер, как он работает и что из себя представляет печатающая головка.
Ну и прочее, о чём вспомню в процессе!

Автор: Siorinex