Středoškolská technika 2015 Setkání a prezentace prací středoškolských studentů na ČVUT 3D tiskárna RepRap Jan Čančík Integrovaná střední škola, Kumburská 846, Nová Paka, 2. ročník Tiskárna Rep-Rap jedná se o jedno-tryskovou 3D tiskárnu využívající aditivní technologii. Tiskárna využívá 150X200mm tiskové plochy a je řízena ovládací elektronikou na základě programovaných předloh. Je zde využívána aditivní technologii Polyjet. 1/13
Jak jsem se dostal k 3D tisku Úplně první 3D tiskárna, kterou jsem kdy viděl, byla Rep-Rap tiskárna, již si sám sestrojil můj švagr. Tato tiskárna byla celá z kovu a měla hodně věcí vystavěných neprakticky. Velice mě to inspirovalo, a aniž bych tomu moc rozuměl, rozhodl jsem se sestrojit vlastní stroj. Stavba Zpočátku mně zabralo nejvíce času prohledávání internetu a zkoumání různých modelů Rep- Rap-tiskáren. Rep-Rap je domácí typ tiskáren, které jsou volně dostupné pro veřejnost jako otevřený hardware. Po krátké době jsem se dostal k 3D tiskárně Rebelix a rozhodl jsem se, že využiji část její konstrukce a hlavně3d předlohy plastových dílů. Poté jsem vypracoval vlastní návrh 3D tiskárny, která má pevný základ v konstrukci z hliníkového profilu, který jsem si i s hlazenými tyčemi nechal nařezat podle vlastních rozměrů (Obr. 1). K hliníkovému profilu jsem potřeboval plastové díly, které jsem si nakonec nechal vytisknout u svého švagra, na jeho vlastní 3D tiskárně. Dále bylo nutné dokoupit elektroniku a motory (Obr. 2,3). Jelikož jsem student a jsem tudíž rozpočtem omezený, musel jsem elektroniku pořídit z Číny. Hlavním důvodem, proč si spousta lidí pořizuje součástky z Číny, je velice nízká cena (v porovnání s českým trhem) a u většiny produktů se neplatí poštovné. Tomuto způsobu nakupování dává mnoho lidí přednost i přesto, že není zaručena kvalita výrobku, neexistuje žádná možnost reklamace a doba dodání je neurčitá (přibližně jeden měsíc). Pořídil jsem nakonec nejpoužívanější elektroniku, což je kombinace dvou desek, Arduino Mega2560 a ovládací jednotku Ramps 1.4. Dále jsem musel sehnat motory, a protože toto je součást, na které mi hodně záleží, nepořizoval jsem je tudíž z Číny, ale odkoupil jsem je od české firmy Microcon. Dále jsem musel dokoupit spoustu drobností jako například závitnice, řemeny a řemeničky, lineární ložiska, ventilátorky, vytápěnou desku a sklo sloužící jako povrch, na který se tiskne, dále hnací kolečko na filament a veliké množství šroubků, matiček a podložek, které jsou potřeba vždy, když se něco takového staví. Většina z těchto součástek se dala nakoupit různě po železářstvích a jiných obchodech v mém okolí, ale další věci byly hůř dostupné, takže jsem byl nucen znovu objednat čínské výrobky. Velice důležitou konstrukční částí v tomto typu 3D tiskárny je deska, která má zespodu pomocí šroubů přidělané plastové součástky, ve kterých jsou uložena lineární ložiska umožňující pohyb po hlazené tyči v ose Y.N a její druhé straně je připevněna výhřevná deska se sklem, na které se už přímo tiskne. Pro tuto desku jsem si vypracoval vlastní návrh, který mi nejlépe vyhovoval svými rozměry, a také jsem ho navrhl s otvory pro odlehčení materiálu a následovně jsem desku nechal vyfrézovat ze 4 mm vysokého hliníkového plátu, aby to mělo všechny potřebné vlastnosti (Obr.8,9). 2/13
(Obr. 1) Alu profil se spojovacími součástkami (Obr.12) 3/13
(Obr.2) Elektronika na obrázku se skládá z následujících částí: -optických endstopů = optická verze koncového spínače(obr.4), -desky Ramps 1.4, která s pomocí driverů převádí vstupní signály na ovládací proudy(obr.5), -desky Arduino Mega2560 s mikroprocesorem ATMEGA2560 (Obr.6), -sada pěti driverů Pololu A4988 1/16 microstep(obr.7), -kabelu. (Obr. 27) Náhradní výměnné trysky. 4/13
(Obr.3) Krokové motory NEMA17 od firmy Microcon-200 kroků na otáčku -4xSX17-1003LQEF - čtyři menší motory ovládají pohyb tří os, -1xSX17-1005LQEF - pátý větší motor je na extruderu k podávání filamentu, tzn. dva typy motorů se liší pouze v délce a výsledné síle. 5/13
(Obr.4) Optický endstop- Při přerušení neviditelného signálu uvnitř vyšle endstop signál do arduina, kde sepne příkaz k zastavení osy a nastavení nové domovské pozice, od které se může odpočítávat další vzdálenost podle počtu ujetých kroků na motoru. (Obr.10) Podávací kolečko na filament 6/13
Ovládací elektronika má velice složitou funkčnost-viz: http://robodoupe.cz/2012/ramps-1-4/ (Obr. 5, 6, 7) 7/13
(Obr. 8) Konstrukční deska Celokovový HotEnd s tryskou 0.4mm (Obr. 17) 8/13
Filament Pro tisk je velice důležitý materiál ke zpracování. V našem případě se jedná o filament, který se do tiskárny podává v podobě drátu o průměru 1,75 mm nebo přibližně 3 mm. Vyrábí se z mnoha druhů materiálů. Základem jsou PLA a ABS, dále se používá například PET, HIPS, PVA, ASA, silikon a dřevo. ABS(akrylonitrilbutadienstyren) vyrábí se z něho např. Lego - tisk prototypů i funkčních věcí a součástí, - pevný, tepelně odolný a netoxický, - v porovnání s PLA má při změně teploty velice nestabilní tvar. PLA (polyactic-acid) výroba z kukuřičného škrobu - vhodný pro tisk velkých objektů, - nižší tepelná odolnost než u ABS, ale zato lepší pevnost, - zdravotně nezávadný a ekologicky odbouratelný, - při zpracovávání krásně voní. Dřevo - novinka mezi materiály, která byla vyvinuta spíše kvůli designu, - vyráběn různými způsoby, buďto z biodegradabilního materiálu s podobou dřeva anebo přímo ze zpracovaných dřevěných pilinek vmíchaných do pojiva. Materiál se dá po zpracování brousit a voní po dřevě. Materiály jsou dodávány navinuté v cívkách v nejrůznějších odstínech barev. (Obr. 18, 19, 20) 9/13
SOFTWARE Všechen software nutný k funkci tiskárny je opensource. 1)Arduino Program pro definování vlastní konfigurace tiskárny. Je potřeba nastavit vše od teplotních čidel přes počet kroků na motoru až po vnitřní rozměry tiskárny. (Obr.11) Tento software je přes USB propojen s deskou Arduino MEGA 256 a nadefinované hodnoty vkládá do procesoru proto, aby je mohl propočítávat a dále podle toho tiskárnu řídit. 2)Cura Program pro zobrazování a tisko-objektů nebo vytváření g-kódů Cura-engine (Obr. 21) 10/13
Tento program využívám kvůli jeho jednoduchosti a rychlosti. Dá se v něm opravdu snadno nastavovat a rozšiřovat nastavení, a zároveň cura- engine propočítává vše tak rychle, že během několika sekund po vložení objektu a nastavení konfigurace je možno zahájit tisk. 3) Rhinoceros Rhinoceros je geometrický program pro navrhování ve všech možných kategoriích. Tento program bohužel není zdarma, takže já mohu pracovat buď se zkušební verzí, anebo u známého na zakoupené originální verzi. (Obr. 22, 23) 11/13
Praktické využití 3D tisku Tisknout se dá v dnešní době opravdu cokoliv. Já jsem se zatím zaměřil na praktické domácí záležitosti jako například kolečko ke gramofonu, nebo různé stojánky a držáčky. Největší zajímavostí je však využitelnost k tisku velkého množství dílů, ze kterých se staví další tiskárny. To znamená, že já na své 3D tiskárně dokážu tisknout další tiskárny, které mohou tisknout další tiskárny a ty další a další. (Obr. 24, 25) (Obr. 26) http://reprapobchod.cz/test/img/p/1/0/5/105- large_default.jpg 12/13
Závěr Práce na vývoji a sestrojení 3D tiskárny měla pro mne velký přínos. Otevřela se mi úplně nová problematika, do níž jsem dříve neviděl. Získal jsem lepší prostorovou představivost, takže každý předmět dnes vnímám novým způsobem. Přijal jsem mnohé zkušenosti v oblasti strojírenství a elektroniky. Poznal jsem nesnadnou praxi při získávání součástek. Rozšířil se mi okruh mých nových známých prostřednictvím internetu a veletrhů, díky tomu jsem se mohl zúčastnit veletrhu 3Dexpo v Praze Letňanech. Sestrojením této 3D tiskárny však nechci zakončit práci v této technické oblasti, naopak mám v plánu sestavit další dvoj-tryskovou tiskárnu, v níž bych se chtěl vyvarovat některých chyb, kterých jsem se dopustil při stavbě mé první tiskárny. V budoucnu bych se chtěl věnovat recyklaci a zpracování použitých plastů. Na dalším zařízení mám představu vyrábět nový materiál pro tisk. Závěrem bych rád poděkoval Janu Jiříčkovi, který mě přivedl na nápad sestavení vlastní tiskárny. On mě také seznámil s problematikou v daném oboru a byl mi velkým rádcem. Další poděkování náleží mé škole, která vytváří podmínky pro své studenty, aby mohli realizovat své nápady v praktické podobě. Veškeré použité obrázky jsou z vlastních zdrojů. 13/13