Прежде чем приступать к описанию нашего серийного аппарата и причин, по которым мы приняли именно такие, а не иные технологические решения, позвольте мне посвятить некоторое время устранению заблуждений, часто встречающихся при обсуждении трехмерной печати. На многие из этих грабель мы наступили сами, некоторые обошлись нам довольно дорого, а потому предупредить об этом читателя следует непременно.
Смотря что такое «дешево», ибо это очень относительное понятие. Дешево по сравнению с предложениями фирмы Stratasys или даже китайским Up! – да, безусловно, во много раз дешевле. По сравнению с ценником на трехмерный принтер который некогда висел на сайте МНТЦ – несомненно, дешевле. Дешевле чем мы готовы его предложить – боюсь, не получается.¹
┄┄
1. На настоящем этапе, единственной составляющей себестоимости, которую мы можем сократить, являются наши трудовые вложения. Например, мы можем поделиться с покупателем частью работы по сборке аппарата, обработке деталей, и так далее. Это не значит, что мы не будем искать другие пути сделать продукт дешевле, но все они подразумевают экономию за счет массивных оптовых закупок, которые мы пока делать не можем.
В свое время, множество людей ввел в заблуждение ценник на основные компоненты Darwin, первого опенсурсного аппарата в истории. Этот ценник часто цитировался с тех пор, и называлось в основном число ‘200’ – обычно не сказано чего. Неискушенному читателю кажется, что это доллары, неискушенному цитирующему, особенно американцу – тоже. Однако разработчики Дарвина проживают в Великобритании и цену дают в фунтах, которые в два-два с половиной раза тяжелее известных всем долларов США. Да и цена эта в основном была на шпильки и подшипники…
Буржуйские коллеги не готовы предложить полностью собранный аппарат дешевле, чем за $1200. Они также не готовы предлагать полные наборы деталей дешевле, чем за $800 и комплекты пластиковых деталей дешевле, чем за $200, несмотря на то, что пластика в последних, дай Бог, на $30 и электричества еще на столько же. Этому есть совершенно конкретные причины. Несмотря на то, что кажется, будто процесс изготовления состоит исключительно в отправке трехмерных моделей на печать, он включает в себя множество неочевидных трудовых усилий по уходу за аппаратом, который во время работы надо опекать как ребенка, а деталям требуется тщательный контроль качества и постобработка вручную. Таким образом, на изготовление полного комплекта пластиковых деталей уходит, как минимум, двое полных суток жизни печатающего, почти полностью посвященных этому занятию, и это время, согласитесь, кое-чего стоит. Именно поэтому наиболее массовые аппараты такого класса, например, Makerbot и ему подобные – не являются репрапами,² они сделаны в основном из резаной лазером фанеры, что позволяет свести количество печатных деталей к минимуму или вовсе от них отказаться.
┄┄
2. Т.е. принтерами, способными самостоятельно воспроизвести основную массу своих собственных деталей, не являющихся стандартными болтиками и шпильками
Отметим также, что труд на сборку аппарата уходит изрядный, даже если абсолютно все нормально и неожиданных препятствий не возникает. Далеко не все аппараты, которые приобретаются в виде набора деталей, доживают до полностью собранного состояния – люди очень легко переоценивают количество свободного времени и сил. Поэтому, «дешево» все это или не дешево – это вам решать, исходя из своих сил и возможностей. Даже успешно собранным трехмерным принтером надо учиться пользоваться, как и любым сложным инструментом, это все еще не автоматический фабрикатор, а все-таки станок с ЧПУ. Если вам действительно интересно это направление, советую не обольщаться, и понимать, что вам, возможно, придется исследовать места, по которым нога человека еще не ступала, а если и ступала, то наблюдаемых следов не оставила.
Это, впрочем, и есть самое интересное.
Это не совсем верно, по крайней мере, не верно для машин печатающих струной расплавленного пластика. Чтобы понять причину, достаточно представить себе процесс в деталях.
Получив трехмерную модель, вы скармливаете ее т.н. слайсеру, – программе, переводящей объект в G-код, т.е. последовательность перемещений головки.³ Она рубит полученную трехмерную модель на горизонтальные срезы с некоей заданной толщиной, т.н. «толщиной слоя», которая представляет собой фактический предел вертикального разрешения.⁴ Предел горизонтального разрешения задается свойствами самой машины, т.е. количеством шагов мотора на миллиметр по осям X и Y.⁵
┄┄
3. Слайсер может быть частью более обширной программы, как скажем в RepRap Host или Repsnapper, но ReplicatorG и Pronterface, например, включают в стандартную поставку слайсер Skeinforge и просто вызывают его, а самим Skeinforge можно пользоваться отдельно.
4. Есть некоторые ухищрения, которые позволяют обойти этот предел, но об этом в другой раз.
5. У нас это сейчас 64 шага на миллиметр, т.е. позиционирование может осуществляться с точностью до 0.015мм. На практике они конечно не соблюдаются настолько точно, но фактическая ошибка составит никак не более 0.05мм.
Слайсер, получив плоский срез, порождает два вида перемещений головки – по периметру и в заливке. Периметр плоского среза самоочевиден, слоев периметра может быть несколько – для увеличения прочности или водонепроницаемости. Заливка же бывает различной, в зависимости от того, что происходит на срез выше или ниже, может быть сплошной, может быть сеточкой, основная роль которой в том чтобы не дать сплющить напечатанный объект, и сеточка может быть самой разнообразной формы – шестигранная, квадратная, круглая…
Теперь внимание, фишка: нить пластика, будучи выдавленной без какой-либо опоры, успевает упасть раньше, чем успеет застыть до твердого состояния. Препятствует этому только натягивание ее по прямой между двумя точками, пока она сохраняет еще высокую температуру и эластичность. Пока экструдер движется, одной из этих точек является он сам, а другой – то место где нить была начата. Это всегда одна из точек периметра, и заканчивается нить тоже всегда привариваясь к периметру вторым концом.⁶
┄┄
6. Понятно, что одновременно и конец и начало нити не могут висеть в воздухе без опоры. В противном случае, проблемы прилипания нити к столу не существовало бы.
Если под нитью находится другая нить, например заливка предыдущего слоя, то нить не упадет, хотя может местами провиснуть. Если нить полностью размазана по нити предыдущего слоя, проложенной по более или менее тому же маршруту, она приварится к ней и образует жесткую стенку. Сползание относительно нити предыдущего слоя менее, чем на половину ширины также приведет к сильному привариванию без последствий.
Но невозможно напечатать, скажем, букву Г, стоящую так же как написано, т.е. торчком на конце длинной палки. Попытка напечатать ровную плоскость, состоящую из нитей приваренных только с одного конца, приведет к тому, что обвалится все, что должно быть напечатано над ними.
Это не значит, что такой объект напечатать нельзя вообще, но значит что потребуются некоторые ухищрения, и к настоящему моменту изобретено много таких ухищрений.
┄┄
7. Многие органические формы, в отличие от инженерных деталей, хорошо печатаются именно за счет этого.
Занятно, но правильно откалиброванный и отлаженный струнный принтер печатающий правильно обсчитанную деталь непременно даст тот же самый результат, будучи перевернут вверх ногами, или даже в невесомости,⁸ поскольку силы действующие на деталь обусловлены в основном склеиванием и натяжением пластика, а гравитация заметного влияния на положение всего этого друг относительно друга не оказывает.
┄┄
8. Bits from Bytes однажды специально для этого отправили свои аппараты печатать в самолете с получением невесомости при помощи свободного падения.
На эту засаду мы напоролись несколько раз, каждый раз немного по-разному. Это ошибка. Более того, даже масса детали слабо связана с ее объемом.
Прочность печатной детали вообще ведет себя неожиданно по сравнению с деталями из монолитных материалов, в том числе и монолитными деталями из пластиков. Начнем с того что эта прочность анизотропна, т.е. различна по разным направлениям, и различна на разрыв и стягивание. Наименее прочна деталь на разрыв между слоями – если вам удалось загнать ножик между слоями, с большой вероятностью вам удастся разорвать деталь напополам руками по этой линии, как если бы вы рвали деревянную щепочку, надрезанную вдоль волокон. Деталь определенных размеров и формы может просто самопроизвольно потрескаться по слоям при охлаждении, если температура воздуха в помещении при печати слишком низкая. При этом, если в детали есть отверстия, ось которых проложена поперек слоев, продеть в них крюки и разорвать ее в этом направлении руками вам наверняка не удастся. Таким образом пластик в большинстве случаев, но далеко не всегда, ведет себя похоже на натуральное дерево, по прочности напоминающее сосну или ель.
Увеличение линейных размеров детали достаточно слабо влияет на ее прочность на разрыв, поскольку основу оной прочности составляют стенки периметра – ажурная заливка внутри детали практически ее не прибавляет. Прочность же детали на сдавливание в первую очередь зависит от густоты заливки и площади давления, но опять же, слабо зависит от толщины всей детали в целом.
Вкупе с вышеупомянутой проблемой формы и плоскостей висящих в воздухе, это означает что во всех случаях когда к печатной детали предъявляются жесткие прочностные требования, ориентация детали при печати должна быть учтена еще при конструировании.
Увы, ошибка. Точность позиционирования у всех используемых ныне опенсурсных трехмерных принтеров сильно завышена по сравнению с реальными потребностями, и даже ее получить относительно несложно, пользуясь стандартными метрическими шпильками. То, что резьба на них не отличается высокой точностью, серьезного препятствия не представляет. Точность и качество позиционирования влияют в первую очередь на скорость, на которой машина будет сохранять работоспособность, но даже эту скорость ограничивает не она.
Самый неточный компонент во всей системе – пластиковый пруток на входе, и сама струя пластика.
Протяжные системы пластика, выдуманные на сегодняшний день, ограничивают качество и достижимое на практике разрешение, а также максимальную доступную скорость гораздо раньше, чем это делает точность позиционирования и плавность хода.
Но есть и другие препятствия. Печатная деталь, как сказано выше, похожа на торт «Наполеон», где толщина слоя ограничена и равна по всей детали, а печать ведется стрункой. Для того, чтобы струнки уложенные друг на друга надежно сваривались, количество выдавленного пластика должно быть таково, чтобы ширина струнки после укладки составляла примерно полторы толщины слоя, плюс-минус бревно. Т.е. в обычном для печати большинства собственных деталей режиме, когда речь идет о сопле 0.5 мм, печатающем слоями по 0.4 мм, ширина струны составляет 0.6мм. Каждый отдельный слой рисуется как-бы фломастером, с фиксированным нажимом и высотой висения над бумагой – соответственно, ширина линии будет строго определенной, вне зависимости от того, насколько точно вы двигаете фломастером, и углы всегда будут скруглены, потому что кончик у фломастера тоже круглый.
Таким образом, можно нарисовать прямоугольник, ширину которого можно определить с точностью до точности позиционирования головки по горизонтали – но нельзя нарисовать прямоугольный выступ из его стенки на толщину меньше ширины струны после сварки, у него непременно будут скругленные углы, как и у самого большого прямоугольника. То, что при этом сопло позиционируется с точностью до 15 тысячных миллиметра, никак на этот результат не повлияет.
Аналогичная проблема присутствует и у фрезерного станка с ЧПУ,⁹ и там она решается применением фрез меньшего диаметра и многопроходной обработкой. Можно было бы, скажем, временно вырисовывать более тонкие линии, уменьшая подачу пластика, но тут в дело вступают другие соображения, а именно, ширина сопла,¹⁰ в результате чего подобный подход пока не разработан совершенно.
┄┄
9. Только у него камнем преткновения будут не выступы на поверхности детали, а вырезы в ней – кто резал шестерни, тот с этим уже сталкивался.
10. При попытке нарисовать линию шириной меньше диаметра сопла, это вам удастся, но положение краев линии будет неопределенным – как пластик ляжет.
У выступа на плоской поверхности сверху уже другие проблемы – высота выступа должна быть кратной толщине слоя, он может быть очень маленьким, (но не меньше диаметра сопла), но его будет держать на поверхности лишь сила сцепления между слоями, а она, как уже говорилось выше, самое слабое в печатной детали место, и выступ рискует просто отвалиться, если он недостаточно велик.
Это все минимальный размер элемента детали. У минимального размера цельной детали есть уже другие ограничения, на этот раз температурные.
Передвигаясь над деталью, сопло постоянно прижимает ее в направлении стола, аки утюгом, с некоей определенной силой, в первую очередь зависящей от того, насколько пластик расперло сверх расчетного от теплового расширения.¹¹ За первые две секунды, оставленная в покое пластиковая нить остывает с рабочей температуры укладки 220-250 градусов.¹² до 100-120 градусов, после чего твердеет, и начинает значительно медленнее остывать дальше, уседая в объеме и постепенно отдавая тепло предыдущим слоям, которые постепенно остывают в воздухе и отдают тепло столу. Если размер детали недостаточно велик, или точнее, если каждый слой печатается слишком быстро, то еще до того как деталь успеет как следует затвердеть, сопло проедется по детали еще раз, укладывая следующий слой. Этот слой в свою очередь, не сможет остыть до затвердевания, потому что ему некуда отдавать тепло, ведь слой под ним еще не остыл, и будет уседать в объеме медленнее. Если процесс повторяется достаточно долго, то под постоянными ударами надвигающегося сопла распертая от перегрева деталь просто сомнется как пластилин, и результат будет безнадежно испорчен. Чтобы избежать этого, при печати мелких деталей их приходится или принудительно охлаждать, что может вызвать уже другие неприятные последствия¹³ или замедлять печать – то есть либо просто снижать скорость, либо печатать много мелких деталей пачкой.
┄┄
11. В идеале соприкосновение есть, но сила равна нулю. Количество пластика также может зависеть от ошибок калибровки экструдера и перекоса стола, но это отдельная история.
12. Чем быстрее вы хотите печатать, тем сильнее вам придется нагреть сопло – температура при которой пластик становится текучим конечна, но теплопроводность его, а следовательно и скорость плавления, тоже конечны, и чем быстрее вам его надо плавить, тем сильнее придется поднять температуру.
13. Например, недостаточную приварку слоев.
Чтобы докалибровать принтер до такого состояния, когда обработка не требуется никогда, вам придется положить на это очень много сил и времени, и даже если вы их потратите, есть некоторые особенности печатных предметов, которые вам никогда не сделать идеальными без увеличения времени печати, в пределе, до бесконечности.
┄┄
14. Иначе первый слой просто не приклеится в каком-нибудь из углов, изогнется дугой, и вся деталь уйдет в брак после десятка-другого слоев.
В большинстве случаев практичнее заранее рассчитывать на постобработку детали и оценивать насколько она вообще нужна, что, как правило, все делают.
Да, можно, но есть нюансы. Свисток с шариком внутри, который отламывается одним нажатием отвертки, действительно изящен. Машинка с колесиками которые крутятся сразу после отделения ее от стола – тоже. Но на практике, механизм который действительно не требует сборки удается напечатать далеко не всегда. И требуется множество конструкционных ухищрений, описанных выше, но их придется соблюсти не для одной детали, а для многих сразу, что значительно сложнее. В результате чаще всего получается механизм не поддающийся ремонту в случае поломки, и годный в основном как курьез или игрушка, но не способный на реальные нагрузки.
Гораздо перспективнее для трехмерной печати механизмы, требующие минимума сборки и не требующие дополнительного крепежа, что вполне осуществимо, и гораздо практичнее – из ABS вполне неплохо печатаются пружины, защелки, и сделать конструкцию которая будет надежно держаться вместе после сборки голыми руками не в пример проще, чем конструкцию которая не требует сборки вовсе.
По сравнению с ЧПУ-фрезерованием и прочими субстрактивными технологиями, построенными на удалении лишнего из цельного куска материала – несомненно. Но только по сравнению и только в некотором идеальном случае, на практике не существующем.
В общем, различного рода обрезков, огрызков и клочков набирается изрядно, даже если детали никогда не идут в брак. Часть этих остатков идет на изготовление клея-лака на ацетоне, но и в этом случае остается еще много. Проблему оптимального использования такого вторичного сырья все еще никто внятно не решил. Мы собираем всю такую стружку в большой пакет, в надежде сочинить однажды собственную давилку прутка, но до этого еще далеко, а вам я буду рекомендовать завести для этого специальную мусорную корзинку.
© 2001-2022 Eugene Medvedev. All rights reserved, not like that ever stopped anyone, or means anything when not backed up by a corporation.