CC BY
74
УДК 681.6
РАЗРАБОТКА 3D-ПРИНТЕРА НА ОСНОВЕ SLA ТЕХНОЛОГИИ
Максим Михайлович Бузиков
ООО «СибКМТ», 630051, Россия, г. Новосибирск, пр. Дзержинского, 87, офис 217, тел. (923)171-33-29, e-mail: 89kozerog89@mail.ru
Марина Петровна Егоренко
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, ст. преподаватель кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru
Игорь Николаевич Карманов
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, зав. кафедрой физики, тел. (383)343-29-33, e-mail: kaf.physic@ssga.ru
В статье приводится описание 3Б-принтера, разработанного на основе технологии SLA. Устройство спроектировано с использованием распространенной элементной базы с целью достижения низкой конечной стоимости.
Ключевые слова: прототипирование, 3ё-принтеры, лазерный диод, фотополимеры, микроконтроллер, зеркальные призмы.
DEVELOPMENT OF 3D-PRINTERS BASED ON SLA TECHNOLOGY
Maxim M. Buzikov
«SibKMT» Ltd., 630051, Russia, Novosibirsk, Dzerzhinsky Avenue, 87, office 217, tel. (923)171-33-29, e-mail: 89kozerog89@mail.ru
Marina P. Egorenko
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Senior lecturer, Department of Nanosystems and Optics Engineering, tel. (383)343-91-11, e-mail: e_m_p@mail.ru
Igor N. Karmanov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., head of the Department of Physics, Ph. D., Associate Professor, tel. (383)343-29-33, e-mail: kaf.physic@ssga.ru
The article describes the developed 3D-printer, built on the basis of SLA technology. The device is designed with a common element base to achieve lower final cost.
Key words: prototyping, 3D-printers, laser diode, photopolymers, microcontroller, mirrored
prism.
В современном мире все больше и больше набирают популярность новые термины: 3D - принтер, трехмерная печать, быстрое прототипирование. Активное развитие современных электронно-вычислительных систем, появление но-
вых источников излучения и программных возможностей привело к тому, что сегодня стало возможным «напечатать» практически что угодно - от простейших пластиковых кубиков до искусственных костей черепной коробки головного мозга человека. Освоив главный принцип синтеза твердотельных объектов, разработчики постоянно находят способы «печати» новыми веществами -пластмасса, фотополимер, металл, бетон, биоматериалы [2]. Трехмерный синтез объектов востребован во многих областях науки и техники.
При всех своих преимуществах технологии трехмерного синтеза имеют один существенный недостаток - высокую стоимость оборудования, которое способно дать приемлемое качество изготавливаемых прототипов и моделей.
Данная статья посвящена разработке 3D - принтера, в основе работы которого лежит технология SLA - локальная засветка лазерным лучом жидкого фотополимера, вследствие чего происходит полимеризация последнего в засвеченных областях. Основной упор при проектировании устройства был сделан на его конечную дешевизну и доступную элементную базу. Благодаря этому для производства устройства не требуется, каких-либо дорогостоящих и нестандартных технологий и оборудования.
3D - принтер разделен на отдельные функциональные узлы. Внешний вид устройства показан на рис. 1.
Основу устройства составляет оптико-электронная система 2. Она включает в себя электронный блок управления и блок разверток лазерного луча. Электронный блок управления осуществляет модуляцию лазерного луча, излучаемого лазерным диодом, управляет блоком разверток для перемещения лазерного луча в координатах Х и У по поверхности фотополимера, а также задает положение подвижной платформы 4 для перемещение выращиваемого объекта по
2
Рис. 1. Внешний вид 3D -принтера
координате Z при помощи ходового винта 6. Платформа перемещается по направляющим 3. Прозрачная пластиковая емкость 5 предназначена для заливки жидкого фотополимера. Лазерное излучение фокусируется на дне емкости с помощью f-teta объектива 1. Модуляция лазерного луча и перемещение подвижной платформы задается данными об объекте, находящимися в носителе информации. Роль такого носителя выполняет карта памяти стандарта micro SD. На карту предварительно записывается информация о каждом слое будущего трехмерного объекта, который в последствие будет выращиваться из фотополимера.
Работает устройство следующим образом. При включении питания подвижная платформа опускается в крайнее нижнее положение, образуя зазор меду собой и дном емкости, равный 5 мм. Этот слой необходим для надежного «прилипания» будущего изделия к платформе. Далее следует заполнить емкость необходимым количеством жидкого фотополимера. После запуска процесса синтезирования, электронный блок управления, считывая информацию с карты памяти о трехмерном объекте, засвечивает лазерным лучом фотополимер в соответствии с контуром первого слоя изделия. Затем происходит поднятие платформы на толщину одного слоя, равную 0,1мм и засветка контура следующего слоя изделия. Далее процесс повторяется, пока не будет засвечен последний слой синтезируемого изделия. Когда весь объект слой за слоем будет построен, произойдет подъем платформы в крайнее верхнее положение, после чего следует извлечь из креплений емкость с остатками фотополимера и отделить готовое изделие от платформы.
Ходовой винт 6 подвижной платформы соединяется с валом электродвигателя и фиксируется стопорным винтом. В качестве электродвигателя использован шаговый униполярный электродвигатель марки ПБМГ-200, имеющий 200 шагов на один оборот. 1 шаг соответствует повороту вала на 1,8°.
На одной из направляющих подвижной платформы расположены концевые выключатели, которые сообщают электронному блоку управления о достижении платформой крайних верхнего или нижнего положения рабочей зоны. Оптическая система 3D - принтера показана на рис. 2.
Она состоит из лазерного излучателя 1, цилиндрических линз коллиматора 2 и 3, f-teta объектива 6, вращающихся зеркальных призм 4 и 5. Зеркальные призмы вращаются во взаимно перпендикулярных плоскостях, образуя строчную и кадровую развертку лазерного луча, перемещающегося по поверхности фотополимера. Скорости вращения призм строго стабилизированы при помощи датчиков Холла и согласованы между собой при помощи датчиков начала строки и кадра. F-teta объектив 6 фокусирует параллельный пучок лазерного излучения в пятно размером 0,1мм в плоскости фотополимера.
В качестве лазерного излучателя применен одномодовый полупроводниковый лазерный диод с длинной волны излучения 405 нм и мощностью 700 мВт.
Изначально в устройстве для управления лазерным лучом были использованы гальванометрические сканаторы. Однако, полученные результаты оказались не удовлетворительными ввиду высокой нелинейности перемещения ска-
наторами лазерного луча в рабочей зоне. В данной оптической системе, благодаря моменту инерции зеркальных призм, стало возможно добиться гораздо более стабильного сканирования лазерным лучом плоскости фотополимера и как следствие, синтезировать более сложные и качественные изделия.
Рис. 2. Оптическая система ЭЭ-принтера
Для обеспечения функционирования - принтера разработан электронный блок управления, принципиальная схема которого показана на рис. 3.
Рис. Э. Электронный блок управления
Основу схемы составляет микросхема DD1, которая представляет собой восьмиразрядный микроконтроллер ATmega8 фирмы ATMEL. Микроконтроллер имеет встроенный 10-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП), 2 восьмиразрядных таймера, 32 линии ввода/вывода, встроенный последовательный интерфейс БР1для обмена данными с другими устройствами. К порту Р0 (выводы Р0.0-Р0.3) подключены транзисторные ключи VT1-VT4, которые служат усилителем тока для коммутации обмоток шагового электродвигателя М1. Резисторы R1-R4 являются ограничителями тока через базы транзисторов VT1-VT4. Диоды VD1-VD4 предотвращают возможный пробой транзисторов коммутационными выбросами напряжения обмоток шагового электродвигателя. На транзисторе VT5 собран силовой ключ управления лазерным диодом VD5. Подстроечным резистором R8 устанавливают в процессе отладки принтера максимальный рабочий ток, протекающий через лазерный диод. Разъем XP1 служит для подключения карты памяти microSD. Кварцевый резонатор ZQ1 задает тактовую частоту микроконтроллера, которая составляет 24 МГц. Блоки строчной и кадровой развертокШиК2 подключены к порту Р3 микроконтроллера для передачи информации о начале строки/кадра, необходимой для правильной модуляции лазерного излучения и регулировки частоты вращения зеркальных призм. Кнопки SB1, SB2 служат для ручного управления шаговым электродвигателем М1 и, соответственно, положением платформы. Кнопка SB3 служит для запуска процесса послойного отверждения фотополимера. По завершению засветки последнего слоя изделия пьезокерамический излучатель BA1 издает короткий оповещающий сигнал. Светодиод HL1 сигнализирует о наличии карты памяти в разъеме ХР1. Если микроконтроллер обнаруживает в карте памяти требуемый файл будущего трехмерного объекта, он зажигает светодиод HL2.
Погрешность работы устройства рассчитана по формулам, приведенным в [1] и составляет 0,1 мм. В настоящий момент происходит тестирование некоторых узлов устройства и программного обеспечения. При их удачном завершении будет произведена полная сборка и обкатка с целью выявления конструктивных недоработок и их устранения. В случае успешных испытаний возможна организация мелкосерийного производства, разработанного 3D - принтера в рамках импортозамещения в связи с реиндустриализацией страны, развитием инновационного промышленного производства.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Вейко В.П., Губанов Д.Л. Анализ схем доставки лазерного излучения // Известия РАН. Серия физическая. - 1997. - т.61. - № 8.- С. 1619-1626.
2. Обзор лучших 3D принтеров /отдел «Тесты и обзоры». - Режим доступа: http:// www.tehnoobzor.com/.
© М. М. Бузиков, М. П. Егоренко, И. Н. Карманов, 2016
