Создание 3D принтера на базе Arduino Mega

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГБОУ ВО «Тюменский государственный университет

Тобольский педагогический институт им. Д.И. Менделеева (филиал)

Создание 3D принтера на базе Arduino Mega

Платонов П.В.

За последнее десятилетие цифровые технологии шагнули далеко вперед. То, что считается повседневным и обыденными, на самом деле это результат долгих, упорных исследований и экспериментов. Сегодня изготовления различных промышленных предметов или восстановление деталей стало возможно не только в заводских условиях, но и дома, благодаря трехмерной печати, которая активно входит в жизнь и становится неотъемлемой ее частью для многих пользователей. Не смотря на то, что 3D принтеры появились совсем недавно, в СМИ все чаще появляются сведения о разнообразии сфер их применения: техника, быт, получение композитных материалов, изготовление протезов и даже человеческих органов. Рассматривается возможность использования принципа 3D печати при изготовлении строительных конструкций и жилых домов [1].

3D принтер - это периферийное устройство, использующее метод послойного создания физического объекта по цифровой 3D-модели. В зарубежной литературе данный тип устройств называется фаббером, а процесс трехмерной печати -- быстрым прототипированием [2].

Данная технология имеет широкие перспективы развития и внедрения, т.к. обладают рядом преимуществ, по сравнению с традиционными методами создания различных деталей: наглядность - деталь гораздо проще воспринимать, когда она является трёхмерным объектом, а не представлена, например, на чертежах; скорость создания - наиболее ярко это проявляется при выполнении сложных деталей; отсутствие физических усилий со стороны человека, т.к. его роль в этом процессе состоит в создании виртуального макета, при помощи какого-либо графического редактора, позволяющего создавать 3D-модели.

Трехмерная печать становится все более дешевой, доступной для большинства средних производственных компаний, и даже обычного пользователя. С помощью 3D-принтера можно в корокие сроки полностью разработать проект: создать макет и получить опытный образец, провести нужные испытания образца еще до изготовления готовой продукции, и даже применять по назначению, если он выполнен из пригодного материала. Использование 3D-печати для быстрого прототипирования существенно сокращает время и удешевляет процесс создания продуктов, а так же позволяет предотвращать ряд конструкционных проблем еще на стадии моделирования.

Сегодня, предлагаемые к продаже 3D принтеры по их потребительским качествам достаточно разнообразны: персональные, профессиональные, промышленные [3]. Основой для создания моделей на 3D принтерах могут являться разнообразные материалы: несколько видов пластика, гипс, воск, фотополимеры, металл и т.д. Сегодня производители активно создают для 3D принтеров новые компоненты и материалы, позволяющие получать все более реалистичные образцы.

Такое широкое поле применения трехмерной печати диктует необходимость знакомства студентов - будущих специалистов в области информатики, вычислительной техники и компьютерных технологий со спецификой и возможностями данной технологии. Что в свою очередь, требует создания лаборатории прототипирования, оснащенной достаточно мощным компьютером (графической станцией) и 3D принтером. Однако промышленные и серийные трехмерные принтеры достаточно дороги для студенческой лаборатории, где основными разработками, как показывает практика, являются курсовые и дипломные проекты, реализующие творческие идеи студентов. Исходя из этого, предметом данного исследования явилось создание недорогого 3D принтера для студенческой лаборатории быстрого прототипирования.

В рамках данного исследования было проанализировано достаточно большое количество литературных и интернет источников. Основными критериями выбора модели и комплектующих были: доступность приобретения элементной базы, невысокая цена элементной базы, достаточный уровень гарантии качества работы, доступность управляющих программ для прошивки микроконтроллера, возможность работы со свободно распространяемым программным обеспечением по 3D моделированию.

Выбранная к реализации модель относится к типу RepRap - семейство недорогих принтеров, которые можно собрать самостоятельно, из доступных материалов. Это устройство с «открытым кодом» - можно воспроизводить, или вносить свои изменения. За основу разработки была выбрана модель Prusa Mendel i2. Основной материал, который используется принтером для печати - PLA пластик, метод печати - экструзия (рис.1).

Рис.1.

Корпусную основу принтера составляют стальные шпильки и оси, которые крепятся с помощью пластиковых деталей и гаек. Боковые стороны образуют равносторонний треугольник со стороной 390 мм. Длина шпильки между боковыми сторонами - 320 мм. Для подачи пластика в головку, перемещения головки экструдера по направляющим и печатного столика по осям X, Y, Z в конструкцию принтера входят пять шаговых двигателей типа NEMA-17. Печатный столик, на котором происходит послойное формирование модели - нагреваемая поверхность MK2b Dual Power. Для контроля температурного режима стола использован термистор.

Одну из проблем проектирования 3D принтера составляет выбор управляющей электроники. В нашем проекте выбрана платформа Arduino Mega, т.к. это достаточно надежное устройство, имеет удобную поддержку, в том числе, и вне RepRap-community, отличается простотой в получении помощи, имеется большое количество дополнительной периферии. Для управления моторами в создаваемой конструкции использован контроллер RAMPS 1.4, который устанавливается на Arduino сверху, а на него, в свою очередь, закрепляются драйверы моторов, обслуживающие периферию. В конструкции использованы 4 драйвера, т.к. Z-моторы спарены, и обслуживаются одним драйвером (моторы, обеспечивающие вертикальное перемещение головки экструдера). В качестве блока питания в конструкции использован блок от компьютера, дающий напряжение 12 вольт и мощность примерно 300 ватт. Функциональная схема устройства представлена на рис.2.

Рис.2.

принтер программный программирование твердотельный

Для обеспечения работоспособности принтера использовано бесплатное ПО с открытым кодом: программное обеспечение ПК для прошивки Arduino;

Sprinter - программное обеспечение, которое сформирует прошивку (firmware) для Arduino; Repetier Host - программа, для преобразования STL-файлов, в Gкоды, которые понимает контроллер принтера. Несмотря на большое количество настроек Repetier Host имеет достаточно простой и понятный интерфейс.

Рис.3.

Для 3D моделирования используется программа OpenSCAD, предназначенная для программирования твердотельных САПР-моделей. Программа является кроссплатформенным программным продуктом. Представляет собой трехмерный компилятор, который читает файл сценария, описывающего объект, и строит трехмерную модель согласно этому сценарию. Это дает полный контроль над моделью и позволяет легко менять любой шаг в процессе моделирования или производства параметрических конструкций.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4.

Литература

1. Эпоха 3D принтеров уже наступила. URL: http://3dprintage.com/ (дата обращения 19.04.2015)

2. 3D-принтер. URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/3D (дата обращения 19.04.2015)

3. Классификация 3D принтеров (7 технологий 3D печати). URL: http://geektimes.ru/post/159931/ (дата обращения 21.04.2015)

Размещено на Allbest.ru