CC BY
56
Машиностроение к компьютерные технологии
Сетевое научное издание
http://www.technomagelpub.ru
Ссылка на статью:
// Машиностроение и компьютерные технологии. 2017. № 10. С. 57-69.
Представлена в редакцию: 14.09.2017
© НП «НЭИКОН»
УДК 62-1/-9, 62-184
Выбор 3D принтера с параллельной кинематикой для самостоятельной работы студентов
Самойлов В.Б.1' ''ьатоуЬул-@ЪидЫцди
1МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия
В настоящее время на рынке присутствует большое количество предложений 3D принтеров, которые используются в учебных целях, однако в для самостоятельной работы студентов (СРС) важна не только сама доступность технологий объемной печати, но и наглядность этих процессов и возможность непосредственно влиять на них при самостоятельной работе.
Основными критериями выбора таких устройств являются стоимость, открытость программного и аппаратного обеспечения, возможность модернизации и ремонта, простота обслуживания и минимальная цена расходных материалов при наличии достаточного уровня надежной и точной работы. В статье приведен анализ семнадцати моделей 3D принтеров с параллельной кинематикой, отвечающих указанным требованиям с учетом заявленных производителями технических характеристик. Рассмотрены конструктивные решения как отдельных узлов, так и устройств в целом, дана оценка технологических свойств для использования в учебном процессе, предложены методика и актуальные рекомендации для выбора 3D принтера.
Ключевые слова: 3D принтер, параллельная кинематика, дельта-принтер
Стремительный рост рынка 3D печати приводит к появлению как новых производителей этой техники, так и новых методов формирования объема деталей. Прогнозы показывает не только количественное увеличение применений технологий 3D печати, но и появление новых сегментов использования - вплоть до домашнего (рис.1), как это было еще некоторое время назад с персональными компьютерами.
Существенное снижение стоимости персональных 3D принтеров произошло в 2005 году с появлением открытого проекта RepRap (Replicating Rapid Prototyper - самореплицирующийся механизм для быстрого прототипирования), основанного Эдрианом Бауером (Adrian Bowyer), преподавателем машиностроения университета Бата в Великобритании.
Идея заключалась в создании инициативного сообщества для совместного проектирования и тиражирования 3D принтера, способного распечатать больше половины собственных деталей, что значительно уменьшает затраты на его изготовление и обслуживание.
Рис. 1. Прогноз использования 3Б принтеров для различных применений [1]
Успеху данного начинания послужило повсеместное появление недорогих программно-аппаратных средств, в том числе и для механизмов с параллельной кинематикой в рамках многочисленных проектов открытого программного обеспечения Open Source.
Внеаудиторная работа студентов [2] предусматривает самостоятельное изучение устройства технологического оборудования, выбор режимов обработки, применяемых материалов и особенностей использования аддитивных технологий. Снижение стоимости владения средствами производства позволяет в современном образовательном процессе использовать принцип DIY (Do It Yourself - сделай это своими руками). DIY - это процесс приобретения определенных самостоятельных навыков в ходе создания какого-либо предмета, разработки либо проекта, который воплощается в жизнь. Участие в проектирование, расчетах, изготовлении изделий, а также в организации процесса производства способствует усвоению теоретического материала для учащихся.
Оборудование, используемое в учебной работе, должно быть доступным по цене для приобретения отдельным студентом или группой студентов с целью не только применения в учебном процессе, но и в последующих работах [3].
Выбор такого оборудования затруднен наличием на рынке большого количества предложений. Известны работы [4, 5], в которых предпринята попытка сравнительного анализа устройств для 3D печати, однако в результате быстрого развития технологий необходимо актуализировать информацию и дать рекомендации под конкретные области применения.
Из известных кинематических схем принтеров с параллельной кинематикой в настоящее время развитие получили так называемые 3D дельта-принтеры. Их отличительной особенностью является плоскопараллельное движение экструдера (печатающего устройства) относительно неподвижного стола при нанесении слоя материала. Подвес экструдера попарно соединен шестью рычагами с тремя каретками, перемещающимися по параллельными направляющими. Рычаги имеют на концах шарниры, выполненные в виде шарового подшипника скольжения. Каретки приводятся в движение зубчатыми ремнями от трех шаговых электродвигателей. Расположение направляющих, которые часто являются несущими элементами конструкции принтера, в плане напоминает равносторонний треугольник, от которого и пошло название данной категории 3D принтеров.
В отличие от подобных по назначению принтеров, работающих в декартовой системе координат, дельта-принтеры обладают существенными преимуществами - более высокой скоростью печати из-за малой массы подвижных частей и возможностью печати протяженных деталей в направлении вертикальной оси принтера. Использование современных микроконтроллеров и драйверов помогает компенсировать более сложные вычисления перемещений экструдера по сравнению с прямоугольной системой координат, не теряя при этом точности.
Такие принтеры работают по технологии послойного нанесения материала (FFF -Fused Filament Fabrication или FDM - Fused Deposition Modeling), используя разнообразные по физико-механическим свойствам пластики, стоимость которых составляет от 500 руб. за килограмм [6].
Рассмотрим общие требования, предъявляемые к таким 3D принтерам. Ограничим стоимость приобретаемого оборудования 25 000 руб., в этом случае поставка изделия будет в виде конструктора DIY, что позволит привлечь студентов к их сборке, регулировке и наладке. Габариты изготавливаемых деталей могут вписываться в цилиндр диаметром до 180...250 мм и высотой 280...380 мм. Печать будет производиться одним экструдером с диаметром сопла 0,4 мм прутком диаметром 1,75 мм из самых популярных материалов -PLA (Полилактид), ABS (Акрилонитрилбутадиенстирол), желательно наличие подогреваемого стола. К габаритам и весу конструкции не предъявляется особых требований. Программное и аппаратное обеспечение должны соответствовать лицензиям Open Source на микроконтроллере ATmega2560 с прошивкой Marlin или Repetier.
В табл.1 приведены основные технические характеристики наиболее популярных 3D дельта-принтеров на август 2017 г., поставляемых интернет-магазином aliexpress.com.
Каждый из рассмотренных изготовителей начинал несколько лет назад с копирования популярных образцов, однако в результате конкурентной борьбы появляются оригинальные конструкции, обладающие новыми потребительскими свойствами. Наблюдается как рост скорости печати за счет применения современного программно-аппаратного обеспечения, так и одновременное увеличение рабочего объема печати.
№ п/п Стоимость с доставкой Тип направляющих Размеры области печати - Скорость печати до/скорость х.х., мм/с
Изготовитель Модель в Россию (август 2017), руб. диаметр*высота (мм)/рабочий объем (см3)
1 101hero.com [7] 101 Hero 7 200 цилиндрические шариковые 6 мм D100*H90/707 н/д
2 Shenzhen Anycubic Technology Co., Ltd. [8] ANYCUBIC ролик 12 000 Пластиковые ролики по профилю стоек D180*H300/7634
3 ANYCUBIC профиль 14 000 профильные 20...80/150
4 ANYCUBIC Plus 16 500 шариковые D230*H270/11218
5 Micromake D1 ролик 12 000 Пластиковые ролики по профилю стоек
6 Micromake Digital Co.,Ltd. [9] Micromake D1 профиль 18 600 профильные шариковые D180*H300/7634 150
Micromake профильные
7 D1 профиль HIWIN 23 500 шариковые HIWIN
8 FLSUN ролик 13 200 Пластиковые ролики по профилю стоек D180*H315/8016 150
9 FLSUN профиль 15 500 профильные шариковые
10 flsun3dprinter.com FLSUN ролик Plus 17 000 Пластиковые ролики по профилю стоек
11 [10] FLSUN профиль Plus 19 000 профильные шариковые D240*H285/12893 150
12 FLSUN профиль Plus сенсор 20 800 профильные шариковые
13 FLSUN Big 23800 цилиндрические шариковые D260*H360/19113 300
14 BIQU Kossel Base 20 000
15 BIQU [11] BIQU Kossel Plus 21 300 профильные шариковые D250*H380/18553 180
16 BIQU Kossel Pro 24 500
Shenzhen 3K
17 Technology and Science Co., LTD [12] 3KU 24 600 цилиндрические шариковые D200*H280/8796 150
Рассмотрим более подробно особенности каждой из конструкций.
Стартовавший в июне 2016 г. на краудфандинговой платформе kickstarter.com проект 101Него (№ 1, табл.1) привлек внимание начальной ценой в $49 (без стоимости доставки) и легко собрал требуемую сумму. Из положительных особенностей принтера отметим применение цилиндрических направляющих с линейными шариковыми подшипниками качения и оригинального узла печати, объединяющего экструдер и механизм подачи прутка (рис. 2).
Однако производители до сих пор не справились с «детскими» болезнями роста, много претензий по качеству конструкции (недостаточная жесткость треугольных оснований) и программного обеспечения (используется свой формат хранения данных, неустойчивая печать с карты памяти). При печати необходимо уменьшать скорость до минимальных значений (5.. .10 мм/с), при этом время печати даже небольших деталей увеличивается до 8.10 часов и возникают проблемы с подачей прутка (см. рис. 3). Рабочий объем наименьший из рассматриваемых и составляет всего 707 см3. Поэтому данную конструкцию не следует рекомендовать к применению, даже не смотря на низкую стоимость.
Изделия от фирмы Shenzhen Anycubic Technology Co., Ltd. (№ 2, 3, 4, табл.1) построены с применением стандартного конструкционного профиля сечением 20х20 мм, выполненного из анодированного алюминия (рис. 4, 5).
Рис. 2 3D дельта-принтер 101 HERO
Рис. 3 Дефекты печати
Рис. 4 Общий вид 3D принтеров ANYCUBIC
Рис. 5 Основные узлы 3D принтеров ANYCUBIC (механизм подачи прутка, линейная направляющая с кареткой, узел подвеса экструдера с системой охлаждения, блок индикации)
Отдельные элементы конструкции соединяются уголками из пластика, которые в ранних версиях печатались на этих же принтерах, сейчас изготовлены литьем под давлением. В простейших конструкциях вертикальные стойки служат направляющими для кареток с пластиковыми роликами. В более дорогих конструкциях применяются накладные профильные линейные направляющие типоразмера MGH12 с каретками, в которых циркулируют шарики. Каретка имеет два канала, вследствие этого обеспечивается жесткость конструкции и способность воспринимать нагрузки во всех направлениях, благодаря четырехточечному контакту шариков каретки-рельса и возможности создания предварительного натяга. Подвес экструдера и узел подачи прутка выполнены из легкого сплава, шаровые опоры - стальные, рычаги - из карбоновых трубок.
Заявленная точность позиционирования по всем осям составляет 0,01 мм, толщина наносимого слоя пластика - 0,1.. .0,4 мм. В комплект поставки входят все детали и крепежные изделия, 1 кг пластика для пробной печати. Вес в зависимости от варианта исполнения от 5 до 7 кг. Печать модели возможна как непосредственно с компьютера через USB подсоединение, так и в автономном виде с SD карты пластиком PLA, ABS и др.
По техническим характеристикам к рассмотренным принтерам очень близки конструкции от компании Micromake Digital Co., Ltd. (№ 5, 6, 7, табл.1, рис. 6), при схожих комплектах поставок дополнительно включен подогреваемый стол, а в экструдер встроена система автокалибровки, которая при сборке конструкции помогает выставить параллельность плоскости стола движению экструдера. Как и у предыдущего изготовителя, используется экструдер модели E3D V5. В дорогом варианте исполнения применены линейные
направляющие известного производителя НГШШ, что повышает точность и надежность работы, с одновременным увеличением стоимости конструкции. Возможна отгрузка принтера со склада в Москве, что существенно уменьшает время доставки.
Поставщик FLSUN (№ 9.12, табл.1, рис. 7, 8) активно конкурирует с рассмотренными выше производителями, предлагая не только аналогичную линейку продукции, но и новые конструкции. Для принтера FLSUN Plus доступна цветная сенсорная панель управления, которая делает процесс управления и контроля печати более наглядным и снижает количество ошибок оператора. Последняя конструкция FLSUN Big (рис. 9, 10) имеет современный внешний вид и поставляется предварительно собранной из 4-х узлов, что существенно упрощает процесс сборки. Заявленная скорость печати составляет рекордные 300 мм/с, что вызывает сомнения, поскольку применены направляющие круглого поперечного сечения. Они одновременно используются как несущие силовые элементы конструкции, поэтому на больших габаритах принтера возможны геометрические деформации с образованием зазоров или наоборот, заклинивания, в стыках кареток. К достоинствам этого принтера следует отнести применение цветного сенсорного экрана и современной конструкции экструдера с эффективной системой охлаждения расплава. Эта модель имеет наибольший рабочий объем печати - 19100 см .
Рис. 7 Принтеры FLSUN Plus и стандарт
Рис. 8 Цветная сенсорная панель управления принтера FLSUN
Рис. 9 Общий вид принтера FLSUN Big
Рис. 10 Сборочные узлы принтера FLSUN Big
Рассмотрим модели известной фирмы В^и (№ 14, 15, 16 табл.1, рис. 11, 12), которая недавно вышла на рынок с тремя дельта-принтерами. Изделия отличаются комплектацией панелей индикации, драйверами двигателей и датчиками калибровки стола. В старшей модели использована цветная сенсорная панель управления, так называемые «тихие» драйвера ТМС2100 и оригинальный датчик автокалибровки стола БЬТоисЬ, применен экструдер модели БЭБ У6. Поскольку основные узлы выполнены из металла, следует ожидать максимально допустимую скорость печати выше заявленных 180 мм/с. Однако применение одного вентилятора с дефлектором для обдува экструдера и зоны отвердевания расплава снижает общий рейтинг этой модели. В комплект включены подробная документация, стеклянный подогреваемый стол, комплект инструментов и 0,5 кг пластика. Поставка осуществляется со склада в Москве.
Рис. 11 Общий вид 3D принтера BIQU Рис. 12 Экструдеры с датчиками автокалибровки
Последний рассматриваемый принтер 3KU (№ 17, табл.1, рис. 13, 14) фирмы Shenzhen 3K Technology and Science Co., LTD имеет полностью металлическую конструкцию. В отличии от компоновки принтеров других производителей, приводные двигатели расположены на верхнем основании, что позволяет уменьшить рабочий отрезок зубчатых ремней и там самым позволяет увеличить ускорения и скорости печати. Для увеличения жесткости пространственной конструкции применены дополнительные соединители
верхнего и нижнего оснований. Калибровка производится с помощью электрического контакта экструдера и стола, что является спорным вариантом. Использование направляющих качения круглого поперечного сечения, у которых затруднено создание предварительного натяга, так же не является современным решением. Заявлена возможность опционального применения лазерного модуля для гравировки. Внешний вид достаточно небрежен и по сравнению, например, с FLSUN Big не может считаться законченным решением.
Рис. 13 Общий вид принтера 3KU Рис. 14 Узлы принтера 3KU
Для принятия решения о выборе 3D принтера для самостоятельной работы студентов необходимо проанализировать основные технико-экономические параметры рассматриваемых устройств. Очевидно, что главными из них будут являться цена, рабочий объем печати и максимальная скорость печати, заявленная производителем (табл.1). Для анализа можно применить подход, когда вычисляются значения величин логарифмов рабочего объема, скорости и обратного логарифма от цены. После вычисления среднего арифмети-
ческого значения и его нормализации в диапазоне от 0 до 1, получаем следующие результаты по каждой модели 3Б принтера (табл. 2 и рис. 15).
Таблица 2. Результаты анализа технико-экономических свойств принтеров
Цена, тыс.руб. Рабочий Махснмальн
Модель объем. Куб.СМ. ая скорость печати. ммЧ' L OGl 0(1+1УС1)*100 LOG10(Di) L OGlOfEi) (Fi+Gi+ШуЗ
С D Е F G H I
1 101 Него 7,200 707 30 5,65 2.S5 1,48 3.32 0,91
2 ANYCUB 1С ролик 12ДОО 7634 so 3.42 3TS3 1,90 3,07 0,59
3 ANY CUBIC профиль 14.000 7634 so 3,00 3,S3 1,90 2.93 0,41
4 ANYCUBIC Plus 16,500 112 IS so 2.56 4,05 1,90 2.S4 0,30
5 Micromate D1 ролик 12.000 7634 150 3.4S 3,S3 2. IS 3,1 s 0,72
6 MicromakeDl профиль is,eoo 7634 150 2,27 3,S3 2. IS 2,7S 0¿2
т J MicromakeDl профиль НГЛТХ 23,500 7634 150 LSI 3,S3 2. IS 2,62 0,03
s FLSUN" ролик 13,200 8016 150 ЗД7 3,90 2. IS 3,0S 0,60
9 FLSUN профиль 15.500 SOW 150 2,72 3,90 2. IS 2,93 0,41
10 FLSUN" p олик Pin 5 17.000 12393 150 2.4S 4,11 2. IS 2,92 0,40
11 FLSUN профиль Plus 19.000 12393 150 2.23 4,11 2. IS 2.S4 0,30
12 FLSUN" про филь Plus сенсор 20,500 12393 150 2,04 4,11 2. IS 2,73 0Л2
13 FLSUN Big 23.300 19113 300 1,79 4.23 2,43 2.S5 0,31
14 BIQUKosselBase 20.000 1S553 ISO 2.12 4,27 2J.6 2,SS 0,35
15 BIQUKosselPlus 21,300 15553 ISO 1,99 4,27 2J6 2,S4 0,30
16 BIQUKosselPro 24.500 1S553 ISO 1,74 4,27 2JÓ 2,75 0,19
17 3KU 24.61X1 3796 150 1,73 3.94 2. IS 2,62 0,02
Рис. 15 Результаты анализа свойств 3Б принтеров с параллельной кинематикой
В результате проведенного анализа можно выделить условно несколько групп изделий, которые отвечают поставленным задачам исследования с учетом особенностей применений для типичных задач самостоятельной работы студентов.
В первую группу (№№ 5, 8, 2) входят принтеры начального уровня ценой около
о
12 000 руб., рабочим объемом 8000 см и скоростью печати 150 мм/с. Имеют каретки с пластиковыми роликами, перемещающимся по стандартным алюминиевым профилям. При эксплуатации ролики подвергаются интенсивному износу, что препятствует созданию предварительного натяга в стыке направляющих. Имеют достаточно отработанную конструкцию с приемлемым уровнем надежности. Рекомендуются как «первый» выбор для ознакомления с технологиями 3D печати и нерегулярного применения.
Во вторую группу (№№ 9, 3, 10, 14) попали принтеры, имеющие накладные профильные или круглые направляющие с объемом печати от 8000 до 18000 см с соответствующим разбросом цен, причем увеличение объема печати более чем в два раза приводит к удорожанию конструкции всего на 20.25%. Стоимость колеблется от 14 000 руб. до 20 000 руб. Рекомендуются к регулярному применению, выбор определяется предпочтениями торговых марок.
В третью группу (№№ 13, 15, 11, 4) входят принтеры ценой от 16 000 руб. до 24 000 руб. с характеристиками, схожими с предыдущей группой. Это «золотая» середина со сбалансированным соотношением цена-качество. Формально лучший выбор - модель №13, однако конструкция на сегодняшний день «сырая» и к покупке может быть рекомендована только через некоторое время.
Четвертую группу составляют принтеры (№№ 6, 12, 16) с несколько завышенной ценой, что может быть оправдано применением изготовителем собственных разработок программно-аппаратного обеспечения, направленных на улучшение потребительских свойств.
Принтеры 3KU и Micromake D1 c направляющими HIWIN (№№ 7, 17) являются наиболее дорогими, что связано с применением высококачественных комплектующих или цельнометаллической конструкцией. Могут быть рекомендованы для профессиональной работы с большой нагрузкой.
В заключении следует отметить, что данный сегмент рынка сегодня очень подвижен, что затрудняет окончательный выбор, однако приведенная методики анализа тенденций конструкций и технологических свойств позволяет дать рекомендации для актуальных закупок указанной техники, применяемой в учебном процессе и при самостоятельной работе студентов машиностроительных специальностей.
Список литературы
1. Barnatt, C. 3D PRINTING - 3rd edition. — New York: Explaining The Future, 2016. — 191 p. ISBN 978-1539655466
2. Управление образовательных технологий МГТУ им. Н.Э. Баумана. Нормативные документы. Режим доступа: http://hoster.bmstu.ru/~det/norm_docs.html (дата обращения: 20.08.2017).
3. Долинин Ф.И., Токарев А.С., Зулькарнаев В.У. Использование 3D-принтеров в высших учебных заведениях для образования и возможности заработка // Инновации в науке: сб. ст. по матер. XXXV междунар. науч.-практ. конф. № 7(32). - Новосибирск: СибАК, 2014. Режим доступа: https://elibrary.ru/item.asp?id=21785505& (дата обращения: 10.08.2017 г.)
4. Сердобинцев Ю.П., Плотников А.Л., Швец А.А., Авдеев А.Р. Оценка факторов, ограничивающих производительность устройств объемной печати // Известия ВолгГТУ. 2015. №11 (173). URL: http ://cyb erleninka.ru/article/n/otsenka-faktorov-ogranichivayuschih-proizvoditelnost-ustroystv-obemnoy-pechati (дата обращения: 30.08.2017).
5. Швец А. А., Авдеев А. Р., Дроботов А. В. Сравнительный анализ устройств для объемной печати // Известия ВолгГТУ. 2015. №1 (156). URL:
http://cyberleninka.ru/article/n/sravnitelnyy-analiz-ustroystv-dlya-obemnoy-pechati (дата обращения: 30.08.2017).
6. Sopytka - представительство завода «FDplast». Пластик для принтера. Режим доступа: http://www.sopytka.ru/products/prutki-dlya-3d-printera/?cats[]=14 (дата обращения: 10.08.2017).
7. Краудфандинговая платформа kickstarter.com. 101Hero: The World's Most Affordable 3D Printer. Режим доступа: https://www.kickstarter.com/projects/101 hero/101 hero-the-world-first-us49-3d-printer?ref=discovery (дата обращения: 11.08.2017).
8. ANYCUBIC Official Store. Режим доступа: https://anycubic3dprinter.ru.aliexpress.com/store/721071 (дата обращения: 11.08.2017).
9. Micromake Official Store. Режим доступа: https://micromakemicromake.ru.aliexpress.com/store/2128317 (дата обращения: 11.08.2017).
10. FLSUN 3D printer Store. Режим доступа: https://flsund3d.ru.aliexpress.com/store/431393 (дата обращения: 11.08.2017).
11. 3D BUILD LIFE Store. Режим доступа: https://ru.aliexpress.com/store/1736565 (дата обращения: 11.08.2017).
12. Shenzhen 3K Technology and Science Co., LTD. Режим доступа: https://ru.aliexpress.com/store/group/3D-printer/1373025_257615723.html (дата обращения: 11.08.2017).
