Нанотехнологии наносят ответный удар

Я уже упоминал в комментариях к постингу про приснопамятный конструктор “Кулибин” про то, что намерен использовать его для изготовления настоящего трехмерного принтера.

Так вот, пришла, пожалуй, пора рассказать о некоторых подробностях этой эпопеи, отнявшей у нас более двух месяцев, но увенчавшейся наконец успехом. То бишь, мы уже не просто возимся с этим чудовищем, но просто отправляем детали на печать, не особенно об этом размышляя и получая более или менее ожидаемый результат.

Мы приступили к сочинению конструкции практически сразу же после того как “Кулибин” был отправлен отцу на дачу, и поставили задачу не купить готовый набор,1 а изготовить свой собственный — инструмент, при помощи которого можно было бы хоть мытьем хоть катаньем изготовить более сложную конструкцию, использующую технические решения уже опробованные проектом RepRap. Не потому, что так интереснее,2 а из соображений экспериментально убедиться, что это возможно даже в наших наколенных условиях, даже полностью с нуля.

Основную массу сложностей на этом пути породили проблемы доставания компонентов. Даже не их стоимость — основные деньги ушли не на материалы, а на инструмент, с добыванием которого проблем не оказалось. Но как ни странно, в Москве частному лицу трудно приобрести подшипники малых калибров, алюминиевый лист, медную черепичину, многие радиодетали, нихромовый провод в изоляции, и многое, многое другое, что привело к необходимости плодить очень странные технические решения. Кто бы мог подумать, но факт — продавцы не знают чем торгуют, не готовы даже называть цену,3 и бизнес, похоже, делается до сих пор так же, как в анекдоте из лихих девяностых про вагон мармелада.4 Фирмы продающие электронные компоненты, похоже, почти все торгуют с оптового склада одного и того же импортера — еще знать бы, какого. Задавать вопросы типа “а у вас есть X” в половине случаев бесполезно — может и есть, но что это такое они не знают, а искать им лень. За постоянные поездки только и исключительно по поводу всех этих вещей я накатал не менее двух тысяч километров. Повбывав бы… впрочем, об этом я как-нибудь напишу очередной программный постинг.

Дальше трудно писать по порядку, поэтому опишу конструкцию структурно…

Экструзия

Проблема “чем его кормить” была решена после того, как я узнал, как на русском языке называется корм для струнных трехмерных принтеров. Не проволока, не шнур. Это “сварочный пруток круглого сечения”. После этого, найти искомый оказалось относительно несложно, хотя для этого пришлось сделать порядочно звонков, потому что как обычно, в магазинах такую вещь купить нереально. Нам даже удалось приобрести его втрое дешевле чем если бы мы брали его, например, в Германии.

Особенности конструкции сопла и протяжного механизма проистекают из свойств исходного корма. Для успешного выдавливания пластика, т.е. экструзии, требуется канал, сечением близкий к сечению собственно прутка, он должен быть изготовлен из цельного куска материала, устойчивого к температурам до 300 градусов, и на одном из концов должен заканчиваться круглым отверстием 0.5мм в диаметре или менее.

Квадратные и треугольные дырки мы сверлить не умеем, поэтому нам пришлось сразу ориентироваться на круглый пруток, но просверлить дырку 0.5мм в наших условиях сложно даже в колпачковой гайке, а как просверлить дырку 3мм в болте вдоль его оси и не закосить ее по дороге мы так и не придумали. К счастью, изучение reprap.org навело нас на мысль о стеклянном сопле, и мы просто заказали их у стеклодува, который наделал их четыре штуки не моргнув глазом, выдержав диаметр сопла 0.4-0.45мм.

По науке, следовало бы обмотать его куском нихрома и закатать в герметик для каминов, но оказалось что нихром можно раздобыть разве что разодрав на куски электроплитку, которой естественно поблизости не нашлось. Да и заизолировать его после этого можно только вручную… Поиски готового нагревательного элемента, например, для паяльников, успехом также не увенчались. В надежде, поворотили мы взор свой к мощным резисторам, надеясь затолкать их в кусок алюминия.

Как оказалось, обычные мощные резисторы для этих целей не годятся — они изготовлены из керамических трубок, покрытых тонкой пленкой стали или того хуже, графита. Хотя сама керамическая трубка переживает накал докрасна, краска, которой покрыты такие резисторы, благополучно выгорает начисто где-то после ста градусов, превращаясь в белый пепел и обнажая металлические колпачки на концах, что делает невозможным загнать такой резистор в круглую дырку без короткого замыкания. Даже мощные резисторы с заявленной температурой в 200 градусов обуглились, пожухли и расползлись в пыль. Советские керамические резисторы на нихромовой проволочке намотанной на керамическую трубку были бы идеальны, но достать их в нужном номинале и размере нам так и не удалось. В конце концов пришлось ограничиться странными резисторами в квадратных керамических корпусах, про которые точно стало известно, что внутри у них таки нихром. Вместо того, чтобы засовывать их в дырку в куске алюминия, мы просто засунули в кусок алюминия само сопло, и обложили его резисторами как кирпичами, что и дало нам наконец нагрев до нужной температуры. Первая же попытка засунуть туда кусок ABS, наспех отрезанный от валявшихся под рукой кусков корпусов аппаратуры, порадовала нас тоненькой ниточкой, выдавливающейся от нажатия рукой из узкого конца сопла. А на следующий день мы уже добыли пруток. 🙂

Ранняя версия экструдера. Обратите внимание на шестерни из оргстекла.

Ранняя версия экструдера. Обратите внимание на шестерни из оргстекла.

Механику подачи прутка мы сделали на манер экструдера, впервые предложенного Wade, для чего на “Кулибине” были таки вырезаны из цельного куска оргстекла шестерни. Заработало оно не сразу, потому что конструкцию нагревательного элемента пришлось пересмотреть для повышения мощности — сейчас она составляет около 80Вт. Термисторы, ранее применявшиеся в репрапоидах, добыть также не удалось, а возиться с микросхемами чтения термопары очень не хотелось, поэтому нам пришлось применить более дорогие платиновые датчики температуры, для чего и в схеме и в прошивке потребовались соответствующие изменения. Вся эта конструкция склеена теплопроводящим клеем и промазана обычной термопастой КПТ-8.

Электроника и софт

Электронная часть доставила неожиданно много проблем. Если сами двигатели удалось найти за три дня5 то с контроллерами были большие проблемы. Репрапоидные трехмерные принтеры и существующий для них софт рассчитывают, что принтер потребляет непосредственно G-код, и микроконтроллер из семейства Arduino6 жует его, скармливая результат контроллерам моторов, потребляющим сигналы step-direction. Потратив два или три дня на то, чтобы переразвести репраповскую схему контроллера моторов так, чтобы можно было обойтись без заказа печатных плат со слишком узкими дорожками, я с удивлением узнал, что используемые в ней микросхемы моторов в Москве не сыщешь днем с огнем и их надо заказывать. Как и вообще любые микросхемы, представляющие собой цельный контроллер мотора потребляющий step-direction. Мало того, что все они выпускаются только в SMD-корпусах, что означает, что запаять их вручную несколько нетривиально и требования к аккуратности платы возрастают в разы – их просто нельзя купить!

Кончилось все тем, что нам удалось добыть четыре модуля Pololu A4983,7 представляющих собой сборку контроллера с обвязкой, и подцепить их к Freeduino Mega+, для чего потребовалась относительно несложная плата, протравить которую удалось в домашних условиях при помощи лазерного принтера, хлорного железа, и такой-то матери. Она оставляет желать лучшего, и скоро нам потребуется еще одна ревизия, но она успешно функционирует.

Первоначальные тесты комплекта электроники.

Первоначальные тесты комплекта электроники.

Выбор прошивки был осложнен тем, что все наличные прошивки, совместимые с такой конфигурацией электроники, пардон, дрянь на постном масле. Самая перспективная из них, FiveD on Arduino, написана на голых сях и полностью отказывается от всех вкусностей Arduino, несмотря на название. Когда я попытался таки ввести туда обработку термодатчиков Pt1000, я понял что староват уже для таких извращений и слишком избалован хорошими стандартными либами, поэтому от нее пришлось отказаться. Самая опробованная прошивка, FiveD, содержит не менее двух серьезных ошибок, одну из которых удалось отыскать… другую отыскать не удалось, и периодически, она начинала путаться в температуре и трясти осями так, что те того гляди сейчас развалятся. В результате, за основу была взята прошивка Tonokip, как наименее замороченная, но и она была подвергнута длительной переработке — в первую очередь, движение моторов было сделано на прерываниях, а контроль температуры был переделан на PID-алгоритмы. Дойдут руки, и видимо, я выложу ее таки на Github…

Штатный RepRap Host так и не удалось завести на виндовой машине с несколькими мониторами — этот баг присутствует в нем уже очень давно. В результате, сейчас мы пользуемся ReplicatorG, обточенным напильником авторами Ultimachine — но в ближайшее время, я думаю сделать собственную, более естественную и простую софтину для работы из линюховой консоли, чтобы не полагаться на свою клиентскую винду ни для чего кроме как для интерфейса к Skeinforge.

Как они мне надоели.

Механика

Пока я возился с рисованием плат и кодом, Вольф сочинил механику, в лучших традициях пост-кулибинской архитектуры. То бишь сделал ее так, как делал бы тумбочку — из листов ламинированного ДСП, мебельных рельсиков, шурупов, шпилек и гаек. На глаз. От ременной передачи пришлось временно отказаться в связи с нетривиальностью добычи ремней и еще большей нетривиальностью изготовления годных для них шестеренок, о которой уже упоминалось выше. Теперь аппарат так и называется, “Мёбель”, в пику репраповскому “Менделю”.

Первоначальная версия механики, собранная на глаз.

Первоначальная версия механики, собранная на глаз.

Получилось относительно неплохо, но проработало оно не очень долго — нас не устроило то, что мебельные рельсики не давали стабильной параллельности и после того, как при очередном визите в Леруа Мерлен мы наткнулись на латунные стержни, была изготовлена конструкция кинематически повторяющая предыдущую, но заметно более постоянная в этом смысле — по латунным стержням скользят алюминиевые трубки, которые при этом издают чудное низкочастотное гудение.

Экструдер в работе, одна из первых попыток.

Экструдер в работе, одна из первых попыток.

Именно на этой конструкции мы получили первые живые результаты, и нас постиг первый тяжелый облом. Никто, собственно, не упомянул, что в репрапоидах, сопло работает не только как извергающий пластик клеевой пистолет, но и как разглаживающий его утюг, и для правильной работы, экструдер должен иметь весьма жесткое крепление. В нашей кинематике, опускающаяся вниз на штангах головка не только весила два килограмма, но отгибалась по вертикали при малейшем нажатии, как только головка опускалась до предела вниз — из-за длинного рычага. Штанги слегка прогнуло, в результате чего ось X ходила не по прямой, а по дуге, и мы в очередной раз обложили последними словами Пифагора и его штаны.

Первые попытки что-то напечатать. Страдают перекосами и прочим.

Первые попытки что-то напечатать. Страдают перекосами и прочим.

Потребовалась очередная ревизия механики, и хотя она по прежнему была изготовлена из алюминиевых уголков, в этот раз для нее были нарисованы таки чертежи, и отверстия сверлились уже по вырезанным из бумаги шаблонам. Именно эта ревизия и используется в настоящий момент.

Текущая ревизия механики, собранная на латунных штангах.

Текущая ревизия механики, собранная на латунных штангах.

Результаты показали себя немедленно, и мы наконец-то получили первый настоящий, аккуратный, действительно кубический кубик.

Проблемы изгибания и прилипания

Трехмерные принтеры на волокне, особенно при печати ABS, страдают от пока мало изученных — по крайней мере, сообществом — и не очень понятных лично нам механизмов остывания пластиковой структуры сваренной из тонких волокон. Для того чтобы печать могла начаться, волокно выдавливаемое из сопла на чистый стол должно прилипнуть к нему — если оно прилипает недостаточно прочно, то при печати последующих слоев, возникающие при остывании напряжения волокон приводят к тому, что деталь изгибает, отдирает от стола, и начинает возить за головкой. Если же оно прилипает слишком прочно, деталь становится нетривиально отодрать от стола не повредив…

Предложенным в литературе решением этой проблемы является нагреваемый стол,8 но источники расходятся на тему того, чем он должен быть покрыт и до какой температуры должен быть нагрет. Большинство источников сходятся во мнении, что стол должен быть покрыт каптоном, однако, каптон на Руси доступен только в виде скотча для ремонта SMD, узкими ленточками.

Вы будете смеяться, но к нему ABS не липнет ни при какой температуре выше комнатной. Почему – нам так и не удалось понять. Может быть, это какой-то неправильный каптон, а может у нас какой-то неправильный ABS, но факт остается фактом. Мы перепробовали тучу разных скотчей и прочих поверхностей, но в конце концов остановились на чистом оргстекле, которое периодически обрабатываем шкуркой-нулевкой и протираем изопропиловым спиртом, нагревая стол до температуры 70 градусов, плюс-минус бревно.

Нагревательный стол. Обратите внимание на напечатанную пластиковую прищепку.

Нагревательный стол. Обратите внимание на напечатанную пластиковую прищепку.

Сам нагреваемый стол сделан из полос алюминия, к верхней поверхности которых приклеен лист меди для чеканки, и нагревается снизу теми же самыми керамическими резисторами. Нижняя часть стола теплоизолирована каменной ватой. Подобрать сопротивление резисторов для напряжения питания в 12 вольт оказалось довольно сложно, и результат меня до сих пор не очень устраивает — вероятно, следующая версия конструкции будет использовать напряжение питания 24 вольта.

Результаты

Проблемы, которых мы опасались на ранних этапах конструирования совершенно не совпадают с теми проблемами, с которыми мы на самом деле столкнулись. Мы не думали, что так трудно будет все это купить. Мы опасались, что после обработки пластик будет терять в прочности, и тем не менее, мне со всеми моими килограммами так и не удалось раздавить двухсантиметровый кубик. Мы не ожидали, что добиться равномерного прилипания детали к столу будет так сложно и что оно потребуется вообще.

Шестерни из оргстекла были впоследствии заменены на шестерни, напечатанные на самом аппарате.

Шестерни из оргстекла были впоследствии заменены на шестерни, напечатанные на самом аппарате.

Мы имеем дело с технологией на очень раннем этапе ее развития, наше устройство донельзя примитивно со всех точек зрения, и тем не менее, оно работает, и уже в состоянии производить запчасти и элементы для самого себя и для более совершенной машины, которую мы начнем делать в ближайшее время. Учитывая что родственники и друзья уже периодически спрашивают, не мог бы я изготовить им деталь X на замену чего-то износившегося, утерянного или поломанного, можно сказать что проект увенчался успехом.

Медиатор, или точнее стилус для Nokia XpressMusic, сделанный на замену утерянному.

Медиатор, или точнее стилус для Nokia XpressMusic, сделанный на замену утерянному.

Стилус для Нокии. Аккуратность пока оставляет желать лучшего, но поддается обработке напильником и ацетоном.

Стилус для Нокии. Аккуратность пока оставляет желать лучшего, но поддается обработке напильником и ацетоном.

Свисток. Напечатан в один проход с шариком внутри. Очень громко свистит.

Свисток. Напечатан в один проход с шариком внутри. Очень громко свистит.

Себестоимость этого свистка, с учетом электричества, не более 15 рублей, и на его печать уходит порядка трех часов. Он весьма себе свистит. И хотя он неказист, в спортивном магазине такой свисток встанет мне в 99 рублей, а чтобы добраться туда и обратно, мне потребуется не менее полутора часов.

Промышленная революция, которую я предсказывал в своих лекциях еще несколько лет тому назад, уже близко.

  1. Почта Роисси!
  2. Хотя так действительно интереснее.
  3. Среди найденных шедевров — “прайслист” в котором все до единой позиции были помечены словом “звоните!”.
  4. Бизнес современный. Встречаются два приятеля: “Тебе нужен вагон мармелада?” “Вообще нужен. А почем?” “За двадцать тысяч.” “Ну, хорошо. Договорились.” И пошли. Один пошел искать, где можно спиздить двадцать тысяч, другой пошел искать, где можно спиздить вагон мармелада.
  5. Нас очень порадовала фирма “Электропривод”, где нам не только предложили моторы в розницу, но и не постеснялись вывесить на сайте цены на них.
  6. Т.е. AVR с библиотеками проекта Arduino.
  7. Как позже выяснилось, последние четыре таких модуля в городе. Я, кстати, заказал еще четыре у официального дилера еще в прошлом году. Дилер до сих пор молчок.
  8. От обдувания всей детали горячим феном быстро отказались в связи с совершенно бесчеловечными требованиями оного к потребляемой мощности.