Как собрать 3D-принтер на Arduino

За 3D-печатью будущее производства. Уже сейчас технологии создания вещей таким методом развились до того, что каждый радиолюбитель может собрать печатный станок у себя дома. Если есть желание создать 3D-принтер своими руками, Arduino может стать его основой.

Список материалов

Список необходимых материалов для создания принтера достаточно обширный.

Электроника:

• плата Arduino серии Mega 2560;
• 1 шилд для Arduino Ramps 1.4 (связующее звено между платой и принтером);
• 4 драйвера для шаговых двигателей модели A4988;
• 4 шаговых двигателя модели 28BYJ-48 и 1 двигатель модели Nema 17 (устройства, обеспечивающие перемещение печатающего элемента по полю);
• 3 оптических концевых датчика (приборы для контроля габаритов объекта);
• 1 экструдер модели E3D V5 либо V6 (устройство для продавливания нагретого пластика).

Корпусная часть строится из МДФ-плит и направляющих.

Для сборки 3D-принтера необходимо также изготовить крепежные детали.

Все составляющие нужны с запасом, потому что ошибок при построении подобных конструкций избежать сложно.

Стоимость комплектующих (электронных и механических) — 4000 руб. Снизить ее можно путем применения более дешевых элементов и материалов:

• вместо МДФ-плит использовать ЛДСП-изделия;
• вместо модели Mega купить Arduino Uno;
• вместо оригинальных плат Arduino приобрести китайские аналоги с AliExpress, которые имеют те же характеристики и ту же распиновку (за этим нужно проследить дополнительно).

Необходимые инструменты

Для сборки компонентов понадобятся:

1. Отвертки.
2. Гаечные ключи.
3. Гравер для доработки элементов.

Вместо отверток можно использовать шуруповерт. Инструменты (насадки) должны быть разных размеров, чтобы закручивать все гайки и винты.

Пошаговая инструкция

Порядок создания 3D-принтера таков:

• собрать ось Y;
• подключить элементы;
• собрать ось X;
• собрать ось Z;
• сконструировать печатный стол;
• провести отладочные работы.

Создание оси Y

Предварительно нужно модифицировать моторы 28BYJ-48, сделав их биполярными.

Инструкция по формированию оси Y:

1. Скрепить клеем 2 МДФ-плиты.
2. Установить распечатанные детали типа Motor и Z-Motor.
3. Прикрепить детали винтами.
4. Установить в свободные пазы двигатели.
5. Установить подшипники.
6. Зафиксировать подшипники стяжками из пластика.
7. Установить шкив.
8. Установить рядом со шкивом подшипники типа 624ZZ.
9. Закрепить направляющие (17,5 см).
10. Натянуть ремень, используя деталь Y-End.
11. Закрепить концевой датчик.

Подключение элементов

Чтобы переделать однополярный шаговый двигатель в биполярный, нужно:

1. Снять крышку.
2. Отпаять красный кабель.
3. Разомкнуть дорожку, к которой он шел.
4. Подключить выход с другой стороны шины в таком порядке: голубой — желтый — оранжевый — розовый.

Ось X

Собрать ось X можно так:

1. Установить 2 болта M4x45 мм в деталь типа X-End.
2. Закрепить в ней двигатель.
3. Натянуть ремень.
4. Подсоединить оптический датчик.
5. Установить экструдер (понадобятся 2 болта M3x25 мм и гайки).

Ось Z

Для создания оси Z необходимо:

1. Закрепить подшипники в деталях X-Carriage и X-End.
2. Установить конструкцию на направляющих (17,5 см на ось X и 21 см на ось Z).
3. Соединить вал и двигатель.

Стол для печати

Эта конструкция создается так:

1. Выбрать деревянную плиту размером 20х13 см.
2. Высверлить в ее углах отверстия диаметром 3 мм.
3. Ввернуть в отверстия болты типа M3x25 мм.

Финальные штрихи

После формирования всех составляющих принтера останется собрать конструкцию полностью, подгоняя под нужные размеры все элементы.

Подключение электроники

Сначала все элементы принтера подключаются к драйверу Ramps 1.4. Далее эта деталь присоединяется к плате Arduino Mega.

Для обеспечения контакта проводов понадобится шлицевая отвертка, чтобы отжимать и зажимать клеммы.

Все работы по подключению элементов нужно проводить на обесточенной плате. Иначе велика вероятность получить короткое замыкание контактов.

Запутаться при подключении не получится, т. к. все блоки и их составляющие подписаны.

Далее необходимо соединить драйвер с Arduino, т. е. наложить шилд Ramps 1.4 на плату Arduino Mega. Контакты типа «мама» на Arduino должны совпасть с выводами типа «папа» на шилде.

Аналог драйвера — CNC Shield v3. Плата также применяется для связи элементов управления и принтера друг с другом. Шилд совместим с «Ардуино Уно». Поэтому, чтобы его использовать, понадобится переписать прошивку принтера для этой платы. Наименования выводов изменятся, часть данных придется переместить во Flash-память, т. к. ОЗУ у микроконтроллера второй платы меньше, чем у процессора Mega-версии.

Программное обеспечение

Код, управляющий принтером, надо загрузить в плату Arduino Mega. Скетч представляет собой G-код, который используется во всех ЧПУ-станках. Для его формирования есть автоматическая утилита, которая сама рассчитывает необходимые данные по установленным параметрам.

Шаблонный вид G-программы:

%

O0003 (qewrtyu) (номер и название программы)

G00 Z0.7 (поднятие инструмента на безопасную высоту)

G00 X0 Y0 (перемещение инструмента к точке начала фрезерования)

G01 Z-2 F60 (опускание инструмента на необходимую глубину фрезерования)

G01 X0 Y200 F60 (фрезерование 1-й стороны)

G01 X0 Y0 (фрезерование 2-й стороны, возврат к точке начала фрезерования)

G00 Z0.7 (поднятие инструмента на безопасную высоту)

M30 (конец управляющей программы)

%

Скетч можно загружать через программатор, созданный с применением SPI-интерфейса. Некоторые китайские аналоги Arduino имеют в своем составе микросхему (CH340 различных модификаций), которая является преобразователем SPI-USB. С ее помощью можно программировать микроконтроллер на плате через USB-интерфейс.

Настройка и калибровка

После сборки необходимо загрузить любой скетч в микроконтроллер и запустить печать, чтобы проверить, насколько хорошо откалиброван 3D-принтер Arduino. Для теста печатается небольшой куб объемом 1 см³.

Причем лучше провести не один опыт, а несколько. Так получится проследить работу принтера при различной нагрузке: одно дело — напечатать пару небольших кубиков, совсем другое — непрерывно создавать много объектов.

Параметры, устанавливаемые при печати:

1. Габариты по осям.
2. Точность — 0,2 мм.
3. Скорость печати — 1 см/с.

Максимальный размер объекта, который можно напечатать на таком принтере, составляет 10 см³.

Изучая образцы, можно убедиться, что точность печати со временем снижается и слои смещаются. Виной всему — перегрев двигателей.

Исправить этот недочет можно так:

1. Установить шаговые двигатели на микрошаг 1/16.
2. Настроить ток на минимум (греет двигатели ток, а не напряжение).

Радиолюбителям не запрещено изменять прошивку 3Д-принтера по своему усмотрению. Оптимизация кода (сокращение математических операций) может улучшить качество печати.