UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Mitja Debeljak TISKALNIK 3D DLP Diplomsko delo Maribor, september 2016
TISKALNIK 3D DLP Diplomsko delo Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lektorica: Mitja Debeljak Visokošolski študijski program Elektrotehnika Avtomatika in robotika doc. dr. Nenad Muškinja, univ. dipl. inž. el. Slavko Cehner, univ. dipl. inž. el. Tamara Kovačič, mag. prof. slov. jez. in mag. prof. ang. i
ii
ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju, dr. Nenadu Muškinji za pomoč in vodenje pri pisanju diplomskega dela. Prav tako se za spodbude, nasvete, znanje in prijaznost zahvaljujem somentorju Slavku Cehnerju, Gregorju Majcenu in podjetju Doorson d.o.o., ki mi je omogočilo izvajanje praktičnega pouka in pripomoglo pri pisanju diplome. Prav tako se zahvaljujem vsem zaposlenim v podjetju. Posebna zahvala gre staršem, ki so mi omogočili študij in me podpirali skozi vsa leta študija. Zahvaljujem se tudi svoji sestri Sanji za podporo in vzor. iii
TISKALNIK 3D DLP Ključne besede: 3D tiskalnik, 3D DLP tehnologija, avtomatizacija, Raspberry Pi, koračni motor UDK: 004.356.2(043.2) Povzetek Diplomska naloga opisuje različne vrste 3D tiskalnikov in izdelavo 3D tiskalnika s tehnologijo digitalnega svetlobnega procesa (Digital Light Processing ali DLP) za potrebe podjetja Doorson d.o.o. V nalogi je opisan postopek izdelave, deljen na mehanski, elektro in programski del ter podrobnejša predstavitev komponent, med katere kot pomembnejše sodijo Raspberry Pi in koračni motor. Prikazana je primerjava obstoječega 3D tiskalnika s tehnologijo ciljnega nalaganja (Fused Deposition Modeling ali FDM) z izdelanim 3D tiskalnikom s tehnologijo DLP. Predstavljena je tudi stroškovna primerjava med izdelanim 3D DLP tiskalnikom in podobnim kupljenim produktom na trgu. iv
PRINTER 3D DLP Key words: 3D printer, 3D DLP technology, automation, Raspberry Pi, stepper motor UDK: 004.356.2(043.2) Abstract The thesis describes different types of 3D printers and the production of 3D printer Digital Light Processing (DLP) developed to satisfy the needs of a company Doorson d.o.o. The focus of the thesis is a manufacturing process, which is also described. It is divided into mechanical, electrical and software section, with detailed description of important components like Raspberry Pi and stepper motor. Furthermore, the thesis includes a comparison of existing 3D printer from Fused Deposition Modeling (FDM) technology to the newly created DLP 3D printer. Costs of production of 3D printer are presented and compared to the costs of the similar product purchased on the market. v
KAZALO 1 UVOD... 1 2 OPIS 3D TISKALNIKOV... 2 2.1 RAZVOJ... 2 2.2 OSNOVNE KOMPONENTE 3D TISKALNIKOV... 6 2.3 DELOVANJE 3D TISKALNIKOV... 7 2.4 UPORABA... 7 2.5 VRSTA 3D TISKALNIKOV GLEDE NA UPORABO... 8 2.6 TEHNOLOGIJE 3D TISKALNIKOV... 9 2.6.1 Tehnologija stereolitogafije (STL)... 9 2.6.2 Tehnologija selektivno lasersko sintranje (SLS)... 10 2.6.3 Tehnologija selektivno lasersko topljenje (SLM)... 11 2.6.4 Tehnologija digitalnega svetlobnega procesa (DLP)... 12 2.6.5 Tehnologija ciljnega nalaganja (FDM)... 13 2.6.6 Tehnologija nalaganja krojenih plasti (LOM)... 15 2.6.7 Tehnologija brizganja (Inkjet)... 16 2.6.8 Tehnologija taljenja s pomočjo elektronov (EBM)... 17 2.6.9 Tehnologija laserskega selektivnega varjenja (LENS)... 18 3 IZDELAVA 3D TISKALNIKA V PODJETJU DOORSON D.O.O.... 20 3.1 PREDSTAVITEV PODJETJA DOORSON D.O.O.... 20 3.2 GLAVNI CILJI IN ZAHTEVE 3D TISKALNIKA... 21 3.3 IZBIRA TEHNOLOGIJE... 22 3.4 LASTNOSTI PRVEGA 3D TISKALNIKA... 22 4 PODROBNEJŠI OPIS IZDELAVE DRUGEGA 3D TISKALNIKA... 26 4.1 MEHANSKI DEL... 26 4.1.1 Ohišje... 26 4.1.2 Vodilo z vodenim vozičkom... 29 4.1.3 Navojno vreteno z matico... 30 4.1.4 Postelja z nosilcem... 32 4.1.5 Posoda... 32 4.1.6 Ogledalo z nosilcem... 33 vi
4.1.7 Nosilec motorja... 34 4.1.8 Vodilo projektorja... 35 4.2 ELEKTRO DEL... 36 4.2.1 Napajanje... 36 4.2.2 Krmilna elektronika... 37 4.2.3 Projektor... 39 4.2.4 Vmesnik povezav... 42 4.2.5 Koračni gonilnik motorja... 43 4.2.6 Motor... 45 4.2.7 Senzor... 47 4.3 PROGRAMSKA OPREMA... 48 4.3.1 Program za izdelavo 3D modelov... 48 4.3.2 Program za predelovanje izdelanega 3D modela v 3D DLP obliko... 50 4.3.3 Uporabniški vmesnik... 50 4.4 PRIMERJAVA MED FDM IN DLP 3D TISKALNIKA... 51 4.5 STROŠKOVNI POGLED IZDELAVE 3D DLP TISKALNIKA... 55 5 SKLEP... 57 6 VIRI... 58 7 VIRI SLIK... 61 vii
KAZALO SLIK Slika 2.1: Charles Hull, izumitelj 3D SLA tiska in soustanovitelj podjetja 3D Systems [1] 2 Slika 2.2: Natisnjena 3D ledvica [2]... 3 Slika 2.3: RepRap verzija 1.0 [3]... 4 Slika 2.4: 3D natisnjeno letalo Aircraft in avtomobil Urbee [4]... 5 Slika 2.5: Pištola, natisnjena s 3D tiskalnikom [5]... 5 Slika 2.6: Stena natisnjena s 3D tiskalnikom [6]... 6 Slika 2.7: Natisnjena hrana [7]... 8 Slika 2.8: Shematski prikaz STL tehnologije [8]... 10 Slika 2.9: Shematski prikaz SLS in SLM tehnologije [9]... 11 Slika 2.10: Shematski prikaz DLP tehnologije [10]... 13 Slika 2.11: Shematski prikaz FDM tehnologije [11]... 14 Slika 2.12: Shematski prikaz LOM tehnologije [12]... 15 Slika 2.13: Shematski prikaz Inkjet tehnologije z brizganjem veziva [9]... 16 Slika 2.14: Shematski prikaz Inkjet tehnologije z brizganjem fotopolimerne tekočine [9] 17 Slika 2.15: Shematski prikaz EBM tehnologije [9]... 18 Slika 2.16: Shematski prikaz LENS tehnologije [13]... 19 Slika 3.1: Zunanji izgled podjetja Doorson d.o.o. [14]... 21 Slika 3.2: Načrt za izdelavo prvega 3D DLP tiskalnika... 23 Slika 3.3: Konstrukcija ohišja prvega 3D DLP tiskalnika... 23 Slika 3.4: Postelja in posoda prvega 3D DLP tiskalnika... 24 Slika 3.5: Končan prvi 3D DLP tiskalnik... 25 Slika 3.6: Natisnjen izdelek s prvim 3D DLP tiskalnikom... 25 Slika 4.1: Aluminijasti profili s kotniki za ogrodje 3D tiskalnika... 27 Slika 4.2: Načrt za izdelavo drugega 3D DLP tiskalnika... 27 Slika 4.3: Stranice za zapiranje ohišja... 28 Slika 4.4: Ohišje 3D tiskalnika... 28 Slika 4.5: Ventilator z mrežo... 29 Slika 4.6: Vodilo z vodenim vozičkom in navojno vreteno z matico... 29 Slika 4.7: Shematski prikaz vodila z vodenim vozičkom [15]... 30 Slika 4.8: Navojno vreteno z matico in nosilcema [16]... 31 viii
Slika 4.9: Shematski prikaz matice na navojnem vretena [17]... 31 Slika 4.10: Spojna sklopka [18]... 31 Slika 4.11: Postelja z nosilcem... 32 Slika 4.12: Posoda za fotopolimerno smolo... 33 Slika 4.13: Usmeritev svetlobnega snopa iz projektorja [19]... 34 Slika 4.14: Ogledalo z nosilcem... 34 Slika 4.15: Motor z nosilcem... 35 Slika 4.16: Vodilo projektorja... 36 Slika 4.17: Napajalnik RS-25-12... 37 Slika 4.18: Raspberry Pi 3 v ohišju 3D DLP tiskalnika... 37 Slika 4.19: Priključek GPIO s razporeditvijo pinov [20]... 38 Slika 4.20: Raspberry Pi 3 z opisi [21]... 39 Slika 4.21: Shematski prikaz DLP projektorja z žarnico [22]... 40 Slika 4.22: Projektor Acer H6510BD... 41 Slika 4.23: Priključki projektorja Acer H6510BD... 41 Slika 4.24: Vmesnik povezav... 43 Slika 4.25: Koračni gonilnik motorja A4988 s hladilnikom [23]... 44 Slika 4.26: Shematski prikaz priključitve koračnega gonilnika motorja A4988 [24]... 45 Slika 4.27: Koračni motor JK42HM48-1504 [25]... 46 Slika 4.28: Mere koračnega motorja tipa NEMA17 [26]... 46 Slika 4.29: Prikaz omejitve v spodnjem položaju s končnim stikalom... 47 Slika 4.30: Končno stikalo z nosilcem iz pleksi stekla... 48 Slika 4.31: Najpopularnejši programi za izdelovanje 3D modelov [27]... 49 Slika 4.32: Izgled uporabniškega vmesnika [28]... 51 Slika 4.33: 3D FDM tiskalnik (levo) in izdelan 3D DLP tiskalnik (desno)... 54 Slika 4.34: Natisnjen izdelek s 3D FDM tiskalnikom (levo) in 3D DLP tiskalnikom (desno)... 55 ix
KAZALO TABEL Tabela 4.1: Nastavitev mikrokorakov z natančnostjo motorja in pomika postelje... 44 Tabela 4.2: Primerjava med obstoječim 3D FDM in izdelanim 3D DLP tiskalnikom... 53 Tabela 4.3: Stroški materiala mehanskega dela... 56 Tabela 4.4: Stroški materiala elektro dela... 56 x
UPORABLJENI SIMBOLI A amper cm centimeter db decibel evro g gram GB giga bajt GHZ giga herz h ura Hz hertz kg kilogram km kilometrov l liter m meter mm milimeter mh mili henry MHz mega herz N Newton nm nanometer W Watt V volt µm mikrometer stopinje C stopinj Celzija Ω ohm xi
UPORABLJENE KRATICE 2D (two dimenzional) dvodimenzionalnost 3D (three dimenzional) tridimenzionalnost ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) Akrilonitril butadien stiren AC (Alternating current) izmenična napetost Ang angleško CAD (Computer Aided Design) računalniško podprto načrtovanje CNC (Computer numerical controlled) računalniško številčen nadzor CRT (cathode ray tube) katodna cev DC (Direct current) enosmerna napetost DLP (digital light procesing) tehnologija digitalnega svetlobnega procesa EBM (Electron Beam Melting) taljenje s pomočjo elektronov FDM (Fused Deposition Modeling) tehnologija ciljnega nalaganja GPIO (general purpose input/output) večnamenski vhodi in izhodi HDMI (High-Definition Multimedia Interface) visoko ločljivostni večpredstavnostni vmesnik Inkjet Tehnologija brizganja IP (Ingress protection) stopnja zaščite LCD (Liquid Cristal Display) zaslon s tekočimi kristali LENS (Laser engineered net shaping) lasersko selektivno varjenje LOM (ang. laminated object manufacturing) Tehnologija nalaganja krojenih plasti MIT (Massachusetts Institute of Technology) inštitut za tehnologijo v Massachusetts-u NEMA (National Electrial Manufacturer) ameriško združenje za standardizacijo električne in zdravstvene opreme PLA (Polylactic acid) polilaktična kislina PTFE (Polytetrafluoroethylene) politetrafluoroetilen PWM (Pulse-width modulation) pulzno-širinska modulacija RAR (Roshal Archive) datotečni arhiv RP (rapid prototyping) hitra izdelava prototipov SD (Secure digital) spominska kartica SLM (ang. Selective laser melting) selektivno lasersko topljenje xii
SLS (Selective laser sintering) selektivno lasersko sintranje STL ali SLA (Stereolithography) stereolitogafija USB (Universal Serial Bus) univerzalno serijsko vodilo UV (Ultraviolet) ultravijolična xiii
1 UVOD Živimo v času, ko so 3D (tridimenzionalni) tiskalniki postali vse bolj iskani, dostopni in uporabni. Njihova cena pada zaradi vplivov industrije, povečanega povpraševanja in hitre izdelave prototipov s čim nižjimi stroški in čim manjšim odpadom. Industrija je že od leta 1980 naprej spodbujala razvoj 3D tiskanja oziroma tako imenovano aditivno proizvodnjo. Ta omogoča pretvorbo digitalnega modela CAD (ang. Computer Aided Design) v fizične izdelke oziroma prototipe, ki jih lahko inženir dodatno preuči, preveri izgled in lastnosti ter poda predloge o morebitnih popravkih pred nadaljnjo proizvodnjo. Aditivna tehnologija je v nenehnem razvoju. Cilj tehnologije je uporaba tako za prototipe kot tudi za množično proizvodnjo. [1, 2] Cilj diplomskega dela je izdelati 3D tiskalnik glede na potrebe oziroma zahteve podjetja Doorson d.o.o. Izdelan tiskalnik mora biti hitrejši, natančnejši in zanesljivejši od že obstoječega tiskalnika tehnologije FDM (tehnologija ciljnega nalaganja), ki ga imajo v podjetju. Prav tako morajo biti stroški izdelave nižji od nakupa novega 3D tiskalnika. Diplomska naloga je razdeljena na teoretični in praktični del. V teoretičnem delu je opisan razvoj, delovanje, uporaba in tehnologije 3D tiskalnikov. V praktičnem delu pa je zajeta izdelava 3D tiskalnika, ki je deljena na mehanski, elektro in programski del ter opis podjetja, v katerem smo 3D tiskalnik izdelali. Prikazana je primerjava že obstoječega 3D tiskalnika, tehnologije FDM z novo izdelanim 3D tiskalnikom tehnologije DLP. Predstavljeni so stroški izdelave lastnega 3D tiskalnika v primerjavi s kupljenim. Opisane so tudi težave, ki so se pojavile pri izdelavi in izbiri komponent, s katerimi smo se soočali pri izvedbi. 1
2 OPIS 3D TISKALNIKOV 2.1 Razvoj Zaradi velikega vpliva industrije po čim hitrejši izdelavi in povečanju potreb po hitro izdelanih prototipih s čim manj odpada in nižjimi stroški se je aditivna tehnologija začela razvijati že v poznih 80. letih prejšnjega stoletja. Sprva je bila poimenovana s kratico RP (rapid prototyping), kar je pomenilo hitro izdelavo prototipov. [3] Aditivna tehnologija je dobila nove razsežnosti, ko je Charles Hull leta 1984 razvil SLA (stereolitografijo) 3D tiskanja in danes velja za tako imenovanega očeta te veje tiskalnikov. Vidimo ga na sliki 2.1. Hull je postavil temelje ne le SLA tiskanju, ampak tudi SLS (selektivno lasersko sintranje) tiskanju in.stl formatu datoteke, ki ga trenutno potrebujemo za 3D-tisk na praktično katerem koli 3D tiskalniku. Leta 1986 je izdal patent za SLA 3D tiskalnik. Nekaj let za tem kot soustanovitelj je ustanovil podjetje 3D Systems, ki je bilo takrat v monopolu na ameriškem trgu. Leta 1992 se je podjetje 3D Systems združilo s podjetjem DTM in tako se je začela prodaja uporabnih SLA 3D tiskalnikov, ki lahko natisnejo zapletene objekte v razmeroma kratkem času. [4] Slika 2.1: Charles Hull, izumitelj 3D SLA tiska in soustanovitelj podjetja 3D Systems [1] 2
Tehnologija se je po letu 1984 začela razvijati v več smeri in navdušila razne znanstvenike iz različnih področij. Tehnologija, ki je bila uporabljena v 90-ih letih, je še dandanes v uporabi ampak precej izboljšana. [4] Leta 1988 Scott Crump izumi FDM tehnologijo, ki še danes velja za eno izmed pogosteje uporabljenih tehnologij. Leta 1991 je podjetje Helisys na trg izdalo tiskalnik s tehnologijo LOM (nalaganje krojenih plasti). Leta 1992 je podjetje Stratasys začelo s prodajo prvega 3D FDM tiskalnika z imenom 3D Modeler. Podjetje Massachusetts Institute of Technology (MIT) je leta 1993 patentiralo 3D tehnologijo podobno kot brizgalni tiskalnik pri 2D tiskanju. Leta 1995 je podjetje Corporation pridobilo licenco od podjetja MIT za uporabo in razvijanje tehnologij na osnovi 3D tiskalnikov. S predstavitvijo 3D tiskalnika Actua 2100 podjetja 3D Systems so prvič uporabili izraz 3D tiskalnik kot stroj za hitro izdelavo prototipov. [5] Pomemben mejnik predstavlja leto 1999, ko so uporabo 3D tiskanja preizkusili v medicini. Takrat so prvič uporabili metodo bio tiskanja za ustvarjanje umetnega mehurja z živimi celicami, ki so ga tudi uspešno implementirali v paciente. Naslednji pomemben mejnik so postavili leta 2002, ko so s pomočjo 3D tiskalnika natisnili delujoče ledvice. Le-teh niso implantirali v pacienta ampak so v laboratoriju delovale 4 mesece (slika 2.2). [4] Slika 2.2: Natisnjena 3D ledvica [2] Zanimiv koncept se je pojavil leta 2005 v Veliki Britaniji z idejo,»če 3D tiskalniki tiskajo prototipe in organe, lahko tiskajo tudi sami sebe.«[4] Tako je nastal 3D tiskalnik, ki je 3
zmožen natisniti sestavne dele za nov 3D tiskalnik. Vidimo ga na sliki 2.3. Iz tega koncepta se je razvil odprtokodni projekt RepRap, ki je kasneje postal močna konkurenca ostalim komercialnim 3D tiskalnikom. 3 leta za tem se je pojavil entuziast, ki je na podlagi načrtov RepRap tiskalnika natisnil dele svojega prvotnega tiskalnika. [4] Slika 2.3: RepRap verzija 1.0 [3] Leto 2006 je prvi 3D tiskalnik SLS (selektivno lasersko sintranje) tehnologije postal dostopen v industriji za proizvodnjo industrijskih delov. Tiska z elastomeri in polimeri, kar je omogoča večjo trdoto in gostoto. Njegovi prednosti sta dobro razvidne podrobnosti in hitro tiskanje. [6] Nato se je leta 2008 pojavilo podjetje Shapeways z možnostjo 3D storitev za izrise in tisk objektov na različnih področjih kot so umetnost, arhitektura in oblikovanje. V tem letu prav tako nastane proteza noge z vsemi deli in gibljivimi sklepi, natisnjena v enem tisku. Leta 2009 je postalo 3D tiskanje dostopno širši javnosti, na kar je močno vplivalo podjetje Makerbot s prodajo kitov po dostopni ceni za sestavo domačih 3D FDM tiskalnikov. [6] Leta 2010 se je aditivna tehnologija razširila v zračno in avtomobilsko industrijo, med oblikovalce nakita ter v kulinariko. Leto kasneje je nastalo robotsko letalo, narejeno v enem tednu z razmeroma nizkimi stroški, ki je bilo v celoti natisnjeno. V Kanadi so izdelali ekonomičen avtomobil z natisnjenim ohišjem. Le-ta lahko doseže hitrosti preko 4
200 km/h. Njegova cena, ki znaša okoli 50 000, je zaradi majhne porabe ekonomično opravičena. Na sliki 2.4. vidimo natisnjeno letalo in avtomobil. [6] Slika 2.4: 3D natisnjeno letalo Aircraft in avtomobil Urbee [4] Z možnostjo tiskanja iz zlata in srebra se olajša tudi delo oblikovalcev in zniža cena nakita. Leta 2012 so zdravniki in inženirji uporabili 3D tiskalnik, narejen v podjetju LayerWise na Nizozemskem za tiskanje prve proteze za spodnji del čeljusti. Protezo so uspešno vstavili v usta 83-letne ženske, ki je obolevala za kronično infekcijo kosti. Do danes so natisnili že marsikatero drugo kost. [6] Leta 2013 je Cody Wilson natisnil prvo pištolo, ki je prikazana na sliki 2.5. [7] Slika 2.5: Pištola, natisnjena s 3D tiskalnikom [5] Leta 2014 je kitajsko podjetje WinSun razvilo 3D tiskalnik velikih dimenzij, ki skozi šobo brizga beton za tiskanje hiš. Stene hiš so natisnjene, medtem ko ostaja streha zaradi tehničnih ovir nenatisnjena. Izgled takšne hiše je viden na sliki 2.6. [8] 5
Slika 2.6: Stena natisnjena s 3D tiskalnikom [6] Leta 2015 NASA pošlje prvi 3D tiskalnik v vesolje za gradnjo baz na luni. Dandanes 3D tiskalniki tiskajo razne objekte. [4] 2.2 Osnovne komponente 3D tiskalnikov Tiskalnik kot osnovo potrebuje ohišje, ki drži komponente skupaj. Lahko je narejen iz plastike ali kovine odvisno od različnih tehnologij tiskanja. Z ohišjem vplivamo na estetiko tiskalnika, kar hkrati lahko poviša stroške in težavnost sestavljanja. Njegova funkcija je ojačitev naprave in preprečevanje zunanjih vplivov. Z močnejšim ohišjem se izboljša tudi natančnost tiska. [9] Naslednji del je glava, ki se lahko premika v vse tri smeri po x, y in z osi. Na njej lahko leži izločevalnik tople plastike, brizgalnik tekočine in laserski ali svetlobni vir. Pri 3D tiskalniku se lahko giblje tudi postelja tiskalnika, ki se nahaja pod ali nad izdelkom. Pomikanje je običajno omogočeno s pomočjo navojnega vretena, ki ga poganja motor neposredno preko osi ali preko jermenice z jermenom. Ob navojnem vretenu je vodilo z vodenim vozičkom. Motorji so prav tako sestavni del printerja, saj pomikajo glavo ali posteljo. Najpogosteje so koračni bipolarni motorji tipa NEMA17 z enosmernim 12V napajanjem zaradi dobre natančnosti, navora, primerne velikosti in cene. 6
Možgani 3D tiskalnika so mikrokrmilniki, ki nadzorujejo proces delovanja z vhodnimi in izhodnimi napravami. Vhodi so senzorji, pomnilniške enote in upravljalne komponente. Senzorji krmilniku javljajo položaj in temperaturo materiala. Lahko so kontaktni ali brezkontaktni; za kontaktne senzorje uporabimo končna stikala, medtem ko so brezkontaktni senzorji lahko kapacitivni, induktivni, svetlobni, zvočni ali temperaturni. Prednost pri uporabi brezkontaktnih senzorjev je preprečitev obrabe materialov. Izhodne naprave mikrokrmilnika so motorji za pomik, grelci ali viri oddajanja svetlobe. Pri DLP tehnologiji oddajamo svetlobo s pomočjo projektorja, pri SLS tehnologiji pa z laserskim žarkom. Mikrokrmilnik potrebuje programski zapis za upravljanje tiskalnika, ki ga napišemo, ali že narejenega predelamo za naš 3D tiskalnik ter ga naložimo na mikrokrmilnik. Upravljanje 3D tiskalnika je lahko izvedeno žično ali brezžično. Žično na tiskalniku, brezžično pa na zunanji elektronski napravi z wireless ali bluetooth povezavo. 2.3 Delovanje 3D tiskalnikov Pri 3D tiskalniku nas predvsem zanima, kako pravzaprav deluje in kako naše ideje pretvori v izdelek. Najprej moramo koncept spremeniti v digitalno obliko CAD (ang. Computer Aided Design). Za tiskanje potrebujemo izrisan 3D model v G-kodo oziroma datoteko s končnico stl (ang. Standard Tesselation Language). Tovrstna datoteka vsebuje množico večkotnikov, razrezanih v tiskalniku razumljive sloje. Datoteko preoblikujemo v 3D tiskalniku razumljivo obliko in jo naložimo z USB (Universal Serial Bus) ključem ali preko interneta na mikrokrmilnik. [10] 3D tisk je pravzaprav izdelava z nanosi dodajanja v plasteh. Medtem ko je nasprotna tehnologija CNC (Computer numerical controlled) obdelava z odstranjevanjem materiala, pri kateri gre za izdelavo manjšega predmeta iz večjega. [10] 2.4 Uporaba Za izdelavo predmeta s 3D tiskalniki se lahko uporabi veliko različnih materialov, kot so guma, plastika, papir, poliuretanski materiali, železo, jeklo, kobalt, titan, aluminij, zlato, 7
srebro, keramika ali beton. Izbira materiala je odvisna od zmogljivosti tiskalnika oziroma tehnologije tiskanja. [10] Uporablja se v različnih panogah, kot so medicina, vojska, letalstvo, avtomobilizem, gradbeništvo in prehrana. S tiskalniki lahko natisnemo miniaturne modele, darila, nakit, protetične ude (proteze), slušne pripomočke, bionično uho, čeljust, orožje, meso, usnje, hrano, hišo, tkanine, bazo na luni ali raketne dele. Slika 2.7 prikazuje natisnjeno hrano. [11] Slika 2.7: Natisnjena hrana [7] 2.5 Vrsta 3D tiskalnikov glede na uporabo Glede na uporabo ločimo tiskalnike za domačo in industrijsko uporabo. Mnoga podjetja se trudijo razviti cenovno dostopen 3D tiskalnik. Na spletu je opisanih tudi nekaj projektov za izdelavo 3D tiskalnika. Z njimi lahko z nekaj znanja, sposobnosti in dokaj nizkim finančnim vložkom izdelamo preprostejši tiskalnik za tiskanje manj natančnih izdelkov. [12] Cene 3D tiskalnikov se sicer nižajo, vendar so še vedno visoke za domačo uporabo, zato se ti še vedno uporabljajo predvsem v podjetjih za industrijsko rabo. [12] Industrijski 3D tiskalniki so že dlje časa na trgu, kljub temu pa še niso tako razširjeni, saj so počasni in niso primerni za količinsko tiskanje. Uporabljajo se večinoma za tiskanje prototipov in izdelkov narejenih po meri, ki jih ni na trgu. Vhodni materiali so dragi in natisnjenim 8
izdelkom ne pokrijejo stroškov izdelave. Zato se 3D tiskanje uporablja predvsem v cenovno višji industriji, kot je vesoljska tehnologija, medicina, avtomobilska industrija in izdelava nakita. Tam potrebujejo specifične oblike izdelkov višje kakovosti. Glede na to, da si vsak ne more privoščiti 3D tiskalnika ali ga ne potrebuje toliko, da bi opravičil ceno nakupa, obstaja na trgu že nekaj ponudnikov storitev 3D tiskanja. Takšna podjetja po navadi ponujajo spletne storitve. Za tiskanje potrebujejo načrt izdelka v digitalni obliki. 2.6 Tehnologije 3D tiskalnikov Poznamo več vrst tehnologij 3D tiskalnikov. V nadaljevanju bomo opisali principe delovanja pogostejše uporabljenih. 2.6.1 Tehnologija stereolitogafije (STL) Tehnika STL (stereolitogafija, angleško stereolithography) je bila ena izmed prvih v zgodovini. Zraven kratice STL se uporablja tudi SLA in SL. Gre za laserski proces s fotopolimerno smolo, ki reagira z žarkom UV svetlobe in tako tvori precizen postopek izdelave. Laserski žarek je usmerjen na x in y os površine postelje 3D tiskalnika. Fotopolimerna smola se strdi, ko laser doseže površino. Ko je en sloj končan, se postelja spusti, kar se nadaljuje dokler ni izdelek končan celoten. [13, 14] Zaradi narave procesa je zahtevana podpora strukture za določene dele natisnjenega izdelka, predvsem viseče ali podrezane. Takšne podpornike je treba kasneje ročno odstraniti. Mnoge 3D tiskane izdelke je potrebno čistiti s pomočjo intenzivne svetlobe v napravi podobni pečici, da izdelek postane trden. Ta vrsta tehnologije je znana po tem, da pridobimo ene izmed bolj gladkih površin izdelkov, saj nalaganje plasti ni toliko opazno. Ena izmed slabosti je tudi visok strošek materiala fotopolimerne smole, saj se giblje v cenovnem razponu približno 50 evrov za kilogram. Slika 2.8 prikazuje tiskanje s STL tehnologijo. [13] 9
Slika 2.8: Shematski prikaz STL tehnologije [8] 2.6.2 Tehnologija selektivno lasersko sintranje (SLS) Pri selektivnem laserskem sintranju (ang. selective laser sintering ali SLS) gre za lasersko tehnologijo, ki se je razvila iz STL tehnologije. Razlika je v tem, da se pri tej namesto fotopolimerne smole uporablja prah. Gre za laserski proces, ki ga imenujemo sintranje oziroma zgoščevanje. Izdelek pridobimo iz prahu s segrevanjem materiala pod temperaturo tališča. Materiali, ki se uporabljajo so plastika, steklo, porcelan in najlon. [13] Ohišje mora biti popolnoma zaprto, saj je zelo pomembno, da tiskalnik vzdržuje natančno določeno temperaturo na stopinjah tališča specifičnega materiala. Najprej tiskalnik nanese nekaj mikronov prahu na površino postelje. Nato optični sistem pomika laser po x in y osi. Ko se laser združi s površino prašnega materiala, se le ta sintra oziroma združi v oblikovane dele. Ob vsakem zaključenem sloju se postelja zniža in valjar zgladi površino postelje za naslednjo plast, ki se mora združiti s prejšnjo plastjo. Ko se tiskanje zaključi, moramo odpadni prah ločiti od natisnjenih delov in ga umakniti iz naprave. Odpadni prah je naknadno možno tudi reciklirati oziroma ponovno uporabiti. Ena izmed prednosti je, da ostanki prahu služijo kot opora visečim ali podrezanim delom izdelka, zato lahko natisnemo kompleksne oblike izdelkov, ki jih ne moremo izdelati z drugo tehnologijo izdelave. Slabost je le daljši čas ohlajanja izdelka, saj so za izdelavo s 10
takšnim procesom potrebne zelo visoke temperature. Nekateri materiali še vedno zahtevajo infiltracijo z drugim materialom za izboljšanje mehanskih lastnosti in odpravo poroznosti. Izdelki pridobljeni s sintranjem so mnogo močnejši kot s tehnologijo STL ali DLP, čeprav generalno gledano končna površina ni toliko dobra. [13] 2.6.3 Tehnologija selektivno lasersko topljenje (SLM) Pri tehnologiji selektivnega laserskega topljenja (ang. selective laser melting ali SLM) je postopek podoben kot pri SLS laserski tehnologiji, vendar tukaj talimo in ne sintramo prahu. Laser poveže prah s taljenjem in s tem ustvari trdno strukturo. Tukaj so potrebni močnejši laserji in višje temperature za taljenje, ki se uporabljajo predvsem za kovinske materiale kot so aluminij, nerjaveče jeklo, titan in kobalt-krom. Medtem ko tehnologijo SLS uporabljamo predvsem za plastične materiale oziroma materiale nižje trdote. Izdelki imajo kasneje enake lastnosti kot sam material, so trdni in obstojni. Tudi ta prah je naknadno možno reciklirati oziroma ponovno uporabiti. Slika 2.9 prikazuje 3D tiskanje s pomočjo SLS in SLM tehnologije. [13] Slika 2.9: Shematski prikaz SLS in SLM tehnologije [9] 11
2.6.4 Tehnologija digitalnega svetlobnega procesa (DLP) DLP ali angleško digital light procesing je podobna STL tehnologiji, saj tudi ta tiska s pomočjo fotopolimerne smole, ki se nahaja v posodi in se ob stiku s svetlobo strdi. Glavna razlika je v svetlobnem viru, saj le-ta uporablja običajen svetlobni vir iz DLP projektorja, ki se lahko odbija od ogledala ali direktno osvetli stekleno dno posode. Svetloba osvetljuje dno posode dokler se fotopolimerna smola ne strdi. [13] Ko se ta strdi se postelja z izdelkom nekoliko dvigne, da priteče fotopolimerna smola za naslednjo plast. Nato se postelja spusti nazaj na višino naslednje plasti in izdelek namoči v posodo. Postopek ponavlja vse do zadnje plasti izdelka. Količina fotopolimerne smole v posodi mora biti tolikšna, da zadošča za celotno plast izdelka. V primeru, da tiskamo večje izdelke in zmanjka fotopolimerne smole za naslednjo plast, jo lahko med postopkom tudi dolijemo. DLP tehnologija osvetli celotne plasti izdelka in je zato hitrejša kot STL tehnologija, ki osvetli le točkovno plast izdelka. Obe vrsti tehnologije tiskata zelo natančno. Natančnost izdelka po x in y osi pa je odvisna od ločljivosti projektorja in velikosti izdelka. Na velikost natisnjenega izdelka vpliva tudi oddaljenost DLP projektorja. [13] Podobno poteka tudi podporna struktura in utrjevanje izdelka. Prednost DLP pred STL tehnologijo je, da je potrebna plitvejša kad fotopolimerne smole za pospešitev postopka, kar nam posledično znižuje obratovalne stroške in zmanjša porabo fotopolimerne smole. Mehanske lastnosti končnega izdelka izboljšamo z UV svetlobo, ki ga utrdi. Na sliki 2.10. vidimo shematski prikaz DLP tehnologije. [13] 12
Slika 2.10: Shematski prikaz DLP tehnologije [10] 2.6.5 Tehnologija ciljnega nalaganja (FDM) Gre za najpogosteje uporabljeno in prepoznavno obliko 3D tiskalnika. Angleški prevod je Fused Deposition Modeling (FDM). Deluje s topljenjem plastike s pomočjo ekstruderja ali brizgalne glave. Z njo naprava nalaga plast za plastjo na površino izdelka, glede na podatke, poslane 3D tiskalniku. Vsaka plast se strdi, ko je položena in se zlije s prejšnjo plastjo. Pri strjevanju materiala si tiskalnik pomaga z vgrajenim ventilatorjem. [14] Plastični material stali brizgalna glava do pol tekočega stanja. Le-ta s pomočjo motorja vleče material iz zvitka, ki ga segreje na točno določeno temperaturo in ga potiska skozi grelno šobo. Glava se pomika po x in y osi. Material v zvitku imenujemo filament, ta se stopljen brizga na posteljo, ki se pomika po višini. Filament se na izdelku takoj strdi in zlije s prejšnjo plastjo. V kolikor je to potrebno, predvsem pri večjih previsih, si tiskalnik natisne tudi podporni kos, ki ga moramo pri končnem izdelku odstraniti. Lahko ga odlomimo, odrežemo ali raztopimo. [15] 13
Razvitih je že kar nekaj kakovostnih materialov za tovrstni postopek. Najpogosteje uporabljena materiala sta ABS (Akrilonitril butadien stiren) in PLA (polilaktična kislina). Na voljo so tudi materiali z magnetnimi in prevodnimi lastnostmi ter lastnostmi podobnimi gumi in karbonu. Prednost te tehnologije je, da lahko dobimo cenovno ugodnejše vhodne materiale kot pri ostalih tehnologijah, cene se namreč gibljejo od 20 evrov na kilogram. S FDM tehnologijo je možno hkratno tiskanje s več različnimi materiali ali barvami. Odpadkov praktično ni, prav tako ni škodljivih snovi in prahu, sam postopek pa je relativno hiter. Končni izdelki so dokaj trdni in ne potrebujejo dodatne obdelave. Za določene geometrijske oblike lahko proces traja dlje časa, problem pa se lahko pojavi pri vodotesnosti končnega produkta, saj plasti niso zlite dovolj tesno skupaj. Težavo lahko rešimo z Acetonom, ki zlepi, stali in zatesni plasti skupaj. Potek tiska s FDM tehnologijo je viden na sliki 2.11. [13] FDM tehnologija se deli na štiri različne oblike: kartezični, delta, SCARA in polarni tiskalnik. [13] Slika 2.11: Shematski prikaz FDM tehnologije [11] 14
2.6.6 Tehnologija nalaganja krojenih plasti (LOM) Tehnologija nalaganja krojenih plasti (ang. laminated object manufacturing ali LOM) deluje tako, da plasti izdelka skroji oziroma odreže iz materiala s pomočjo glave, ki se premika po x in y osi in vsebuje nož ali laser. Pridobljene plasti izdelka nalaga eno na drugo s pomočjo pomika postelje po z osi navzdol, le-te pa skupaj spoji z vezivom ali lepilom. Tiskalnik porabi več lepila za izdelek, manj pa za del, ki služi kot podpora izdelku. Kot materiale lahko uporablja standardni kopirni papir, plastiko, folijo ali kovine. [13] Končni izdelek je običajno prototip, ki je lahko večjih velikosti in ne potrebuje dobrih mehanskih lastnosti. Pri samem procesu tiskanja nastane ogromno odpadnega materiala, saj je ves material, ki se odreže od plasti izdelka, odpad. Pri končnem izdelku moramo odstraniti odpadni neuporabljen material, ki ga tiskalnik razreže v obliki mreže za lažjo odstranitev. Ta vrsta 3D tiskalnika je dokaj nestabilna z večjo možnostjo okvar, saj zaradi več gibljivih delov potrebuje dodatno vzdrževanje. Shematski prikaz 3D tiska z LOM tehnologijo nazorno prikazuje slika 2.12. [16] Slika 2.12: Shematski prikaz LOM tehnologije [12] 15
2.6.7 Tehnologija brizganja (Inkjet) Ta vrsta tehnologije je zelo podobna 2D (dvodimenzionalnim) brizgalnim tiskalnikom. Obstajata dve vrsti tovrstnih tiskalnikov. Prvi za tiskanje uporablja prah, ki ga z valjarjem razporedi po postelji. Zatem brizga še vezivo, ki ga selektivno razprši po postelji. Ko je ena plast narejena, valjar zgladi površino. Za zlitje z naslednjimi plastmi tiskalnik prevleče vezivo z brizgalno glavo, ki se pomika po x in y osi. Za vsako naslednjo plast se postelja pomika navzdol po z osi. Prednost tovrstnega 3D tiskalnika je, da ne potrebuje podpore natisnjenemu izdelku, ker prah na postelji sam po sebi to že zagotavlja. Poleg tega se lahko uporabijo materiali, kot so keramika in hrana, slednja se uporablja predvsem za sladice, kjer prah nadomesti sladkor. Zelo preprosto je tudi dodajanje barvne palete z mešanjem treh različnih barv v brizgalni glavi, ki je hkrati lahko tudi vezivo. V tem primeru mora biti prah bele barve za natančno določitev barv. Njegova slabost pa je, da izdelki niso tako močni kot s procesom sintranja in zahtevajo naknadno obdelavo, da zagotovijo trajnost in obstojnost. Slika 2.13 prikazuje Inkjet tehnologijo z brizganjem veziva. [13] Slika 2.13: Shematski prikaz Inkjet tehnologije z brizganjem veziva [9] Drugi tip Inkjet tehnologije je brizganje fotopolimerne tekočine v tekočem stanju. Razlika pri tem je, da uporablja tudi UV svetlobo, posteljo in komoro pa je potrebno ves čas segrevati na določeno temperaturo za lažje sprijemanje plasti. Tiskalnik lahko iz več brizgalnih glav brizga tekočino z različnimi lastnostmi in barvami, ki jih strdi z UV svetlobo, ko je vsaka posamezna plast že naložena. Je zelo natančna metoda, izdelki pa so precizni z gladko površino. Pri tem tipu so potrebni tudi podporni stebri, ki se z UV 16
svetlobo le delno osvetlijo za lažjo odstranitev. Slika 2.14 prikazuje Inkjet tehnologijo z brizganjem fotopolimerne tekočine. [13] Slika 2.14: Shematski prikaz Inkjet tehnologije z brizganjem fotopolimerne tekočine [9] 2.6.8 Tehnologija taljenja s pomočjo elektronov (EBM) 3D tehnologija se v angleščini imenuje Electron Beam Melting (EBM). Sama tehnologija je bila razvita v Švedskem podjetju Arcam. Tiskalnik je podoben laserskemu sintranju kovin iz kovinskega prahu (metoda SLS). Razlika je vir toplote, saj namesto laserja uporablja elektronski snop, ki zahteva, da se postopek izvaja pod vakuumskimi pogoji zaradi boljšega in natančnejšega nadzora elektronov. Nadzoruje se s pomočjo tuljav, ki omogočajo magnetno polje. Pri tiskanju se lahko temperatura dvigne tudi do 1000 stopinj Celzija zaradi materialov kot so titan in aluminij. [13] Tiskalnik lahko oblikuje zgoščene kovinske izdelke. Zaradi natančnosti in kakovosti končnih izdelkov se uporablja v medicini za implantate. Prav tako v vesoljski in avtomobilski industriji. Tehnologija je zapletena in draga, zato je tudi redko uporabljena. Način EBM 3D tiskanja je prikazan na sliki 2.15. [13] 17
Slika 2.15: Shematski prikaz EBM tehnologije [9] 2.6.9 Tehnologija laserskega selektivnega varjenja (LENS) Angleško poimenovana tehnologija Laser engineered net shaping (LENS) poteka z dodajanjem prahu na posteljo. Tehnologija je podobna SLM tehnologiji, razlikuje se v tem, da se prah ne nanaša na celotno površino postelje, ampak točkovno. Skozi tiskalno glavo plin potiska prah in hkrati hladi točkovni nanos. Prah se stali ob osvetlitvi z laserjem, ki sveti skozi glavo. Glava točkovno nanaša plast s pomikom postelje po x in y osi ter se po končanem nanosu plasti pomakne navzgor po z osi in nadaljuje z nanosom naslednje plasti. [17] Končni izdelki imajo dobre mehanske lastnosti enake samemu materialu. Zaradi kompleksnosti, visokih stroškov, teže in velikosti se naprava redko uporablja, četudi je metalni prah dobro dostopen. Slika 2.16 prikazuje postopek LENS tehnologije. S to tehnologijo lahko tudi popravljamo že izdelane izdelke, narejene iz titana in ostalih kovin. [17] 18
Slika 2.16: Shematski prikaz LENS tehnologije [13] 19
3 IZDELAVA 3D TISKALNIKA V PODJETJU DOORSON D.O.O. V podjetju Doorson d.o.o. delam kot študent že dlje časa, tam sem opravljal tudi dvomesečno praktično izobraževanje. Izrazil sem željo, da pri njih pišem diplomsko nalogo. Nato so mi ponudili možnost, da izdelam 3D tiskalnik in v svoji nalogi pišem o tej tematiki. Ideja mi je bila všeč, zanimiva ter primerna za mojo izobrazbo, zato sem se odločil za izvedbo projekta. Dobil sem mentorja na podjetju in delo se je pričelo. Čeprav je projekt oziroma tehnologija 3D tiskalnika v teoriji dokaj enostavna, se kasneje v praksi izkaže kot zahtevna. Izvedba projekta je lažja na podjetju, kjer so prisotni nasveti in pomoč mentorja ter ostalih zaposlenih. Ob enem pa podjetje tudi financira projekt, ki pripomore k razvoju, kreativnosti in produktivnosti podjetja. Projekt bi lahko bil kar velik finančni zalogaj za študenta, ki za večkratno uporabo ne potrebuje 3D tiskalnika. Izdelali smo dva 3D tiskalnika, ki ju potrebuje podjetje. Prvega smo namenili za nadaljnji razvoj fotopolimerne smole, medtem ko bodo drugega uporabljali za potrebe tiskanja prototipov in manjših delov za izdelavo drsnih vrat. V nadaljevanju je opisano podjetje Doorson ter zasnova in koncept izdelave obeh 3D DLP tiskalnikov, podrobneje pa bomo predstavili sestavne dele drugega tiskalnika. 3.1 Predstavitev podjetja Doorson d.o.o. Podjetje DOORSON d.o.o. je bilo ustanovljeno leta 1990 v 100 % privatni lasti s strani dveh fizičnih oseb. Dejavnost podjetja je proizvodnja izdelkov avtomatskih vrat za prehod ljudi. Družba je razdeljena na nabavo, proizvodnjo, servis, prodajo in razvoj. Proizvaja in prodaja avtomatska, požarna, interierna in rotirajoča vrata. Danes zaposlujejo okoli 40 ljudi. [18] Zunanji izgled podjetja je viden na sliki 3.1. 20
Slika 3.1: Zunanji izgled podjetja Doorson d.o.o. [14] V prvem obdobju svojega obstoja je podjetje sledilo vodilnim proizvajalcem avtomatskih vrat ter ob tem nabiralo bogate izkušnje. V drugem obdobju, ki ga označuje zadnjih 10 let, pa je s svojim delom, rezultati ter visoko stopnjo inovativnosti intenzivneje utiralo lastno razvojno pot. Podjetje je odprlo predstavništvo v Sarajevu za pokrivanje tržišča BiH in kasneje še enoto v Zagrebu, organizirano kot hčerinsko podjetje. [18] Podjetje poizkuša dohiteti tehnološke novitete konkurenčnih proizvodov. Veliko sredstev vlaga v uvajanje novega informacijskega sistema. Cilji podjetja so proizvodnja tehnološko dovršenih izdelkov z visoko dodano vrednostjo, katerih prodaja je usmerjena v izvoz. [18] 3.2 Glavni cilji in zahteve 3D tiskalnika Cilji novega tiskalnika so bili, da mora biti hitrejši, natančnejši in stabilnejši od obstoječega 3D tiskalnika FDM tehnologije, ki ga imajo na podjetju že dlje časa. Podjetje potrebuje 3D tiskalnik za tiskanje plastičnih delov, ki se uporabljajo za nosilce motorja, nosilce navojnega vretena, stranske pokrove maske nad drsnimi vrati, za držala za pomik vrat in za razne prototipe. Zahteve, ki smo jih želeli doseči z novim tiskalnikom, so natančnost 50 mikronov pri izdelku velikosti 8x4 cm (dolžina, širina), dober izgled, cenejša izdelava od že ponujenih 21
končnih 3D tiskalnikov manjših dimenzij ohišja in hkrati možnost čim večje dimenzije tiska 3D izdelkov, ki naj bi znašale 20x10x30 cm (širina, globina, višina). Želeli smo narediti namizni 3D tiskalnik. Material izdelka mora biti primerljiv z mehanskimi lastnostmi ABS plastike ali boljši. 3.3 Izbira tehnologije Po tehtnem premisleku in preučevanju različnih vrst tehnologij smo izbrali izdelavo 3D DLP tiskalnika, ki smo ga opisali v poglavju 2.6.4. Menili smo, da bomo s to vrsto tehnologije dosegli željene cilje in zahteve. Že na začetku smo se dogovorili, da bomo izdelali dva tovrstna tiskalnika. Razlog za to je delno bil vložek v razvoj, delno pa iskanje cenovno ugodnejše fotopolimerne smole ter izboljšanje mehanskih lastnosti izdelka. Ponudba fotopolimerne smole je slaba, cene za kilogram pa se gibljejo od 50 naprej. Tako se je naše podjetje dogovorilo, da prvi tiskalnik, ki ga sestavimo, pošljemo na Visoko šolo za tehnologijo polimerov v Slovenj Gradcu, kjer bodo zadolženi za razvijanje fotopolimerne smole. 3.4 Lastnosti prvega 3D tiskalnika Po izdelavi prvega 3D DLP tiskalnika smo ugotovili, da ima izdelek nekaj pomanjkljivosti. Zaradi večjih zunanjih mer, predvsem višine, ima tiskalnik nestabilno ohišje, kar vpliva na natančnost natisnjenega izdelka. Prednost večjega ohišja je enostavna postavitev projektorja, ki direktno osvetljuje dno posode. Nahaja se v pokončnem položaju spodnjega dela tiskalnika. Slika 3.2 prikazuje načrt za izdelavo prvega 3D DLP tiskalnika. 22
Slika 3.2: Načrt za izdelavo prvega 3D DLP tiskalnika Zaradi večjega ohišja tiskalnika je tudi poraba materiala večja in posledično so stroški konstrukcije višji. Ohišje prvega 3D tiskalnika vidimo na sliki 3.3. Odprto ohišje je dopuščalo zunanji vpliv posredne sončne svetlobe in strjevalo fotopolimerno smolo. Hkrati pa zaradi odprtega ohišja ni bilo težav s pregrevanjem projektorja, mikrokrmilnika in napajalnika. Slika 3.3: Konstrukcija ohišja prvega 3D DLP tiskalnika 23
Pri posodi se je pojavila težava zaradi uporabe premehkega dna. Narejena je bila iz debelejše folije, ki se je ob pritisku postelje zvila in povzročila ukrivljenost dna izdelka. Težava se je pojavila tudi pri postelji, narejeni iz gladke podlage brez luknjic, kar je povzročalo pojav zračnega mehurja, ob tem pa ni bilo dovolj pretoka za naslednji nanos fotopolimerne smole. Slika 3.4 prikazuje omenjeno posteljo in posodo. Slika 3.4: Postelja in posoda prvega 3D DLP tiskalnika Projektor je neenakomerno osvetlil dno posode, kar je vodilo v neenakomerno trdoto izdelka, različno debelino slojev in neenakomerno prijemanje spodnjega dela izdelka na posteljo. Te težave ni bilo možno rešiti z obstoječim programskim vmesnikom za mikrokrmilnik Arduino Uno. Pogrešali smo možnost brezžične povezave, saj smo morali za upravljanje s programskim vmesnikom imeti priključen računalnik. Prednost 3D tiskalnika je bila možnost nastavitve naklona postelje ter močna konstrukcija nosilca postelje. Pozitivna lastnost je tudi enostaven, pregleden in hitro učljiv programski vmesnik, ki je omogočal razne nastavitve, sproten vpogled stanja in časa tiskanja. Kljub kakšni pomanjkljivosti je 3D tiskalnik dober za preizkušanje in razvoj fotopolimerne smole, prav tako dobro natisne manj zahtevne izdelke. Slika 3.5 prikazuje končan prvi 3D DLP tiskalnik, na sliki 3.6 pa je viden natisnjen izdelek. 24
Slika 3.5: Končan prvi 3D DLP tiskalnik Slika 3.6: Natisnjen izdelek s prvim 3D DLP tiskalnikom 25
4 PODROBNEJŠI OPIS IZDELAVE DRUGEGA 3D TISKALNIKA Ob izdelavi in preizkusu prvega 3D tiskalnika smo se mnogo naučili. Vse pomanjkljivosti smo pri drugem tiskalniku skušali popraviti in narediti izboljšano verzijo 3D tiskalnika, ki ostane na podjetju. Tudi pri drugem tiskalniku smo se odločili za izdelavo DLP tehnologije. V nadaljevanju ga bomo podrobneje opisali in razdelili glede na mehanske, elektro in programske lastnosti. 4.1 Mehanski del Mehanski del 3D DLP tiskalnika vsebuje ohišje, vodilo, navojno vreteno, posteljo, posodo in ogledalo z nosilcem. Izbira, izdelava in prav tako tudi natančna sestava teh sestavnih delov vpliva na mehanske lastnosti 3D tiskalnika, ki so pomembne za natančen 3D tisk. Pri izdelavi mehanskega dela 3D tiskalnika nam je bil v veliko pomoč hitro in lahko dostopen material, ki smo ga večinoma že imeli na podjetju Doorson. Uporabljeni materiali so: razni kovinski profili, vijaki, podložki, matice, lesene in plastične plošče. Obdelavo materiala so nam olajšali razni stroji za rezanje, rezkanje, vrtanje, izrezovanje navojev, brušenje ter pomoč sodelavcev na podjetju. Kljub temu smo za izdelavo mehanskega dela 3D tiskalnika potrebovali največ časa. 4.1.1 Ohišje Dimenzije ohišja 3D tiskalnika znašajo 50x50x80 cm (širina, globina, višina), kar je primerno za namizno postavitev. Ogrodje je sestavljeno iz posebnih aluminijastih profilov dimenzije 30x30 mm različnih dolžin ter aluminijastih L profilov za povezavo ogrodnih profilov, ki jih vidimo na sliki 4.1. Pri izdelavi smo si pomagali z načrtom, ki ga vidimo na sliki 4.2. 26
Slika 4.1: Aluminijasti profili s kotniki za ogrodje 3D tiskalnika Slika 4.2: Načrt za izdelavo drugega 3D DLP tiskalnika Ohišje smo na spodnji strani zaprli z leseno vezano ploščo, ostale stranice pa so kombinirane z aluminijem in plastiko, vidne na sliki 4.3. Vse plošče so z vijaki privite na ogrodje. 27
Slika 4.3: Stranice za zapiranje ohišja Sprednjo stran smo pustili odprto zaradi lažjega vpogleda in možnosti morebitnega popravila. Na spodnjo stranico smo namestili 4 po višini nastavljive noge. S temi bomo tudi na neravni površini vodoravno izravnali tiskalnik. Zaprtje ohišja je ojačalo tiskalnik, izboljšalo njegov izgled, hkrati pa služi preprečevanju negativnih zunanjih vplivov, predvsem sončne svetlobe, ki bi lahko strdila fotopolimerno smolo. Slika 4.4 prikazuje končano ohišje 3D tiskalnika. Slika 4.4: Ohišje 3D tiskalnika 28
Po vgradnji projektorja smo zaznali segrevanje zraka v ohišju, ki bi lahko povzročilo pregretje elektronskih naprav. Ta problem smo rešili tako, da smo iz zadnje stranice izrezali luknjo premera 10 cm in dodatno vijačili ventilator z mrežo, ki ga vidimo na sliki 4.5. Slika 4.5: Ventilator z mrežo 4.1.2 Vodilo z vodenim vozičkom Uporabili smo linearno vodilo tipa SSR, ki skrbi za zanesljiv horizontalen pomik nosilca postelje po z osi. Dolgo je 50 cm in primerno za naše premo gibanje. Nahaja se na zadnji stranici 3D tiskalnika. Vidimo ga na sliki 4.6. Slika 4.6: Vodilo z vodenim vozičkom in navojno vreteno z matico 29
Po vodilu se giblje vodeni voziček, ki smo ga mehansko omejili na obeh straneh z namenom preprečitve izpada iz vodila. V notranjosti vodenega vozička so utori, po katerih se gibljejo medsebojno povezane kroglice. Povezavo med kroglicami izboljšamo z mazanjem z mazalnim čepom. Tako zmanjšamo trenje in hrup. Slika 4.7 prikazuje shematski prikaz vodila z vodenim vozičkom. [19] Slika 4.7: Shematski prikaz vodila z vodenim vozičkom [15] 4.1.3 Navojno vreteno z matico Navojno vreteno (model SFU1605) dolžine 60 cm pretvarja rotacijsko v premo gibanje, ki premika vodeni voziček z nameščeno posteljo. Navojno vreteno ob vrtenju za 360 premakne posteljo za 4 mm. Nahaja se vzporedno z vodilom in je pritrjeno z nosilcema na ogrodje ohišja. V obeh nosilcih se nahaja kroglični ležaj zaprtega tipa, ki omogoči vrtenje navojnega vretena z majhnim trenjem. Za pomik po navojnem vretenu je potrebna matica s podobnim principom delovanja kot vodeni voziček. Prav tako opravlja funkcijo mazanja, ki ga omogoča mazalni čep. Navojno vreteno z matico in nosilcema vidimo na sliki 4.8, slika 4.9 pa prikazuje notranjost matice. 30
Slika 4.8: Navojno vreteno z matico in nosilcema [16] Slika 4.9: Shematski prikaz matice na navojnem vretena [17] Za povezavo med navojnim vretenom in motorjem potrebujemo aluminijasto spojno sklopko, ki omogoča majhen zamik in naklon za lažji priklop motorja. Spojna sklopka skrbi, da se tako motor kot navojno vreteno enakomerno vrtita. Slika 4.10 prikazuje spojno sklopko. Slika 4.10: Spojna sklopka [18] 31
4.1.4 Postelja z nosilcem Postelja pomika natisnjen izdelek po z osi. Sestavlja jo večja aluminijasta plošča, ki meri 200x100x5 mm (dolžina, širina, debelina). Ta plošča nam določa največjo možno dolžino in širino izdelka. Za doseganje večje natančnosti in boljšega oprijema natisnjenega izdelka moramo postelji nastaviti naklon po x in y osi, da je vzporedna dnu posode. Posteljo lahko enostavno ročno odstranimo za lažje čiščenje. Po celotni površini ima mrežno razporejene luknje premera 3 mm, ki preprečujejo nabiranje zraka in izboljšujejo pretok fotopolimerne smole po posodi. Nosilec postelje povezuje vodeni voziček, matico navojnega vretena in posteljo. Nosilec je sestavljen iz treh kovinskih delov. Biti mora dovolj trden, da prepreči zvijanje in upogibanje. Na sliki 4.11 je vidna celotna postelja z nosilcem. Slika 4.11: Postelja z nosilcem 4.1.5 Posoda Posoda je namenjena zbiranju fotopolimerne smole. Nahaja se približno na sredini tiskalnika in nam omogoča približevanje in oddaljevanje projektorju. S približevanjem posode k viru svetlobnega snopa manjšamo sliko, tako dobimo manjši izdelek z večjo natančnostjo po x in y osi, in obratno kadar jo oddaljujemo. Moramo pa paziti, da dobimo celoten snop svetlobe v prozorni del dna posode. 32
Posodo nam je po naročilu izdelalo zunanje podjetje, ki se ukvarja z rezkanjem. Od podjetja, ki je izdelovalo posodo smo zahtevali, naj bo ta močna in trdna. Podane so bile tudi notranje mere, ki so morale biti 20x10x3 cm (dolžina, širina, višina) in sestavljene iz več delov zaradi možnosti razstavljanja. Dno posode mora biti vodotesno, ravno in prozorno ter mora omogočati čiščenje. Ravno površino smo pridobili z namestitvijo stekla, preko katerega je prevlečen sloj teflonske (PTFE ang. Polytetrafluoroethylene) folije za lažje čiščenje. Na sliki 4.12 vidimo izdelano posodo. Slika 4.12: Posoda za fotopolimerno smolo 4.1.6 Ogledalo z nosilcem Zaradi nizkega ohišja smo morali projektor postaviti v ležeč položaj. S tem smo izgubili neposredno usmeritev svetlobnega snopa v dno posode. Pravilno usmeritev svetlobe smo dosegli z ogledalom, ki smo ga postavili v naklonu pod kotom 45 stopinj, kot prikazuje slika 4.13. Za preprečitev loma ali popačenja snopa svetlobe iz projektorja, smo izbrali posebno ogledalo z odbojem na prvo površino. Ogledalo mora biti dovolj veliko in locirano na pravi višini, da zajame cel snop svetlobe. Za doseganje natančne usmeritve v posodo ima nosilec ogledala nastavljiv kot naklona in možnost oddaljevanja ter približevanja projektorju. Nosilec ogledala je pritrjen na dno tiskalnika, kar vidimo na sliki 4.14. 33
Slika 4.13: Usmeritev svetlobnega snopa iz projektorja [19] Slika 4.14: Ogledalo z nosilcem 4.1.7 Nosilec motorja Nosilec potrebujemo za čvrsto pritrditev motorja na ogrodje ohišja. Nahaja se v spodnjem delu 3D tiskalnika. Narejen je iz aluminijastega L profila debeline 4 mm, kar zadošča trdni pritrditvi motorja. V nosilec so navrtane luknje za vijačenje motorja na ogrodje ohišja. Nosilec motorja je viden na sliki 4.15. 34
Slika 4.15: Motor z nosilcem 4.1.8 Vodilo projektorja Vodilo projektorja se nahaja v spodnjem delu tiskalnika in omogoča pomik projektorja po y osi, po kateri se približuje in oddaljuje od ogledala. Ta pomik posledično zmanjšuje ali povečuje sliko. Zaradi vodila pa projektor kljub pomikanju vedno oddaja svetlobni snop v ogledalo pod pravilnim kotom. Vodilo je sestavljeno iz levega in desnega dela. Levi del je narejen iz aluminijastega L profila, ki je vijačen v spodnjo stranico 3D tiskalnika. Desni pa je pritrjen na desni ogrodni profil. Nameščena sta vzporedno z razmakom, ki je enak širini projektorja. Ko je projektor v želeni legi ga pripnemo z gumijastim trakom. Pri izvedbi obeh vodil smo morali paziti, da le-ti ne prekrijejo zračnih rež, ki se nahajajo na levi in desni strani projektorja. Slika 4.16 prikazuje vstavljeno vodilo projektorja v 3D tiskalnik. 35
Slika 4.16: Vodilo projektorja 4.2 Elektro del Elektro del tiskalnika smo razdelili na napajanje, krmilno elektroniko, projektor, vmesnik povezav, koračni gonilnik motorja, motor in senzor. 4.2.1 Napajanje Izbrali smo napajalnik RS-25-12, ki ga vidimo na sliki 4.17. Ta pretvori iz izmenične omrežne napetosti 230 V frekvence 50 Hz v enosmerno napetost 12 V. Nahaja se v spodnjem delu tiskalnika. Napaja Raspberry Pi, motor, koračni gonilnik motorja in ventilator. Vgrajene ima prenapetostne varovalne sisteme, izravnavanje napetosti, zaščito pred kratkim stikom ter led indikator vklopa. Dopušča največji izhodni tok 2,1 A z izhodno močjo 25,2 W, kar zadošča našim izbranim komponentam. Ohišje je aluminijasto in meri 78x51x28 mm (dolžina, širina, višina), težek pa je 200 g. Napajalnik je pasivno hlajen in deluje v temperaturnem razponu od -20 C do 70 C. Da ga ne pregrejemo, moramo topel zrak odvajati iz ohišja tiskalnika. Stopnja zaščite znaša IP20, kar pomeni, da je zaščiten pred vstopom trdih delcev do 12 mm in nima zaščite pred vplivom vode. Njegov izkoristek je 81,5 %. [20] 36
Slika 4.17: Napajalnik RS-25-12 4.2.2 Krmilna elektronika Za krmiljenje tiskalnika smo namestili mini računalnik Raspberry Pi 3. Njegovo velikost lahko primerjamo z velikostjo kreditne kartice. Raspberry Pi se nahaja v levem spodnjem delu 3D tiskalnika. Za lažjo pritrditev smo ga privili na pleksi steklo in prilepili na stranico, kot je razvidno s slike 4.18. Slika 4.18: Raspberry Pi 3 v ohišju 3D DLP tiskalnika Krmilno elektroniko Raspberry Pi 3 smo uporabili zaradi zmogljivosti, možnosti brezžičnega upravljanja, vgrajenih večnamenskih vhodov ter izhodov in že narejenega uporabniškega vmesnika za 3D DLP tiskalnik. 37
Na Raspberry Pi smo izkoristili priključke GPIO, USB, HDMI, microsd režo in brezžično povezavo (Wireless). Z GPIO (ang. general purpose input/output) so označeni večnamenski vhodi in izhodi, ki so nazorno prikazani na sliki 4.19. GPIO priključek nam omogoča krmiljenje tiskalnika, saj predstavlja fizični vmesnik med Raspberry Pi-jem in priključenimi elektro elementi, kot so napajalnik, motor, senzor in koračni gonilnik motorja. Tudi napajanje je priklopljeno na pine GPIO priključka. USB priključek smo uporabili za nalaganje 3D modelov v uporabniški vmesnik krmilne elektronike in za krmiljenje projektorja. HDMI priključek pa za oddajanje slik na projektor. Tiskalnik upravljamo preko oddaljenega dostopa s pomočjo brezžične povezave (Wireless). [21] Slika 4.19: Priključek GPIO s razporeditvijo pinov [20] Kot zanimivost bi omenili DSI priključek na Raspberry Pi, ki omogoča nadgradnjo 3D tiskalnika z manjšim zaslonom in CSI priključek za nadgradnjo s kamero. Slika 4.20 prikazuje lastnosti tiskalnika in dodatne priključke. [21] 38
Slika 4.20: Raspberry Pi 3 z opisi [21] Tehnične lastnosti Raspberry Pi 3: delovna napetost: 5 V; delovni tok: do 1 A odvisno od priključenih elementov; SoC: Broadcom BCM2837; procesor: 64-bitni ARM Cortex-A53, 4 1.2GHz; grafični procesor: Dvojedrni ko-procesor VideoCore IV 1 GB; delovni pomnilnik: 1GB LPDDR2 (900 MHz) podprti operacijski sistemi: ARM GNU/Linux in Windows 10 IoT; brezžične povezave: 2.4GHz 802.11n wireless, Bluetooth 4.1, FM radio; priključki: HDMI, 3,5 mm jack, micro USB, 4x USB 2.0, RCA, DSI, CSI, GPIO, 10/100 Ethernet; micro SD reža; mere: 85x56x17 mm (dolžina, širina, višina). [22] 4.2.3 Projektor Projektor predstavlja vir svetlobe, ki osvetljuje vsako posamezno plast natisnjenega izdelka fotopolimerne smole. Iz več plasti pa nastane končni izdelek. 39
Pri izbiri projektorja so pomembni tehnologija procesiranja svetlobe, svetilnost, ločljivost, kontrastno razmerje in cena. Med pogostejše tehnologije procesiranja svetlobe spadajo DLP, LCD (liquid-crystal display) in CRT (cathode ray tube). Kot nam že ime 3D DLP tiskalnika pove, smo izbrali DLP projektor, pri katerem so uporabljena majhna zrcalca, ki usmerjajo svetlobo. Slika 4.21 DLP nazorno prikaže tehnologijo procesiranja svetlobe. V našem primeru je svetloba generirana preko Mercury žarnice, ki ima spekter primeren za strjevanje fotopolimerov. Ta svetlobni spekter znaša od 380 do 450 nm. Zaradi pomembnosti čim krajšega tiskanja potrebujemo projektor s čim večjo svetilnostjo, ki hitreje strdi fotopolimerno smolo. Naslednja pomembna lastnost projektorja je ločljivost, s katero vplivamo na natančnost izdelka po x in y osi. Izbrali smo projektor z ločljivostjo 1920x1080 zaradi bistveno ugodnejše cene od projektorja z ločljivostjo 4096x2160 in zadoščanja zahtev natančnosti izdelka. [23] Slika 4.21: Shematski prikaz DLP projektorja z žarnico [22] Pri 3D DLP tiskanju uporabljamo svetlobo iz projektorja v črni in beli barvi. Bela barva fotopolimerno smolo strjuje, črna pa ne. Za doseganje čim večje razlike med tema barvama in posledično boljše kakovosti natisnjenega izdelka potrebujemo visoko kontrastno razmerje projektorja, ki nam pove razmerje med najtemnejšo (črno) in najsvetlejšo (belo) barvo. Pomembno vlogo pri izbiri projektorja je imela cena, saj le-ta lahko znaša tudi nad 40
1000. Izbrali smo projektor Acer H6510BD zaradi DLP tehnologije procesiranja svetlobe in dobrega razmerja med ceno in tehničnimi lastnostmi (slika 4.22). [24] Slika 4.22: Projektor Acer H6510BD Na projektorju smo uporabili napajalni, HDMI (High-Definition Multimedia Interface) in RS232 priključek. Napajanje projektorja smo priključili na izmenično napetost 230 V. S HDMI priključkom smo povezali projektor z Raspberry Pi-jem. Priključek RS232 pa smo povezali na USB priključek Raspberry Pi-ja. Ta povezava skrbi za krmiljenje projektorja, lahko pa ga krmilimo tudi s tipkami na projektorju ali daljincem. Priključke projektorja vidimo na sliki 4.23. Slika 4.23: Priključki projektorja Acer H6510BD 41
Tehnične lastnosti: tehnologija: DLP; ločljivost: 1920 1080 Full HD; kontrast: 10000:1; žarnica: Osram 210W; svetilnost: 3000 ANSI lumnov (standard), 2400 ANSI lumnov (varčna); življenjska doba žarnice: 4000 ur (standard), 5000 ur (varčna); format slike: 16:9, 4:3; velikost prikazovanja: 117 760 cm; maksimalna projekcijska razdalja: 8 m; objektiv: 1:1,3 (ročno približevanje in fokus); poraba energije: 210 W; priključki: 2 x HDMI, RS232, mini USB, VGA IN, VGA OUT, komponenten video, kompoziten video, S-Video, vhodni in izhodni zvok; nastavitev naklona projektorja: ročni vertikalni +/-40; zvočnik: 2 W mono; glasnost ventilatorja: 26 db (varčna), 32 db (standard); napajanje: 100 240 V AC; velikost 26x22x8 cm: (dolžina, širina, višina); teža: 2,5 kg. [25] 4.2.4 Vmesnik povezav Vmesnik povezav smo naredili za povezave med električnimi komponentami (Rapberry Pi, napajalnik, motor, ventilator, senzorji in koračni gonilnik motorja). V našem primeru postavitve Raspberry Pi-ja morajo biti priključki na zgornji strani za lažjo priključitev. Za stabilnejšo sestavo smo uporabili ploščo za tiskano vezje. Na njej so koračni gonilnik motorja, stabilizator napetosti, mostiči, upori in priključki. Vhodni in izhodni priključki na vmesniku povezav so namenjeni priklopu napajalnika, motorja, obeh senzorjev in ventilatorja. Napajalni priključek enosmerne napetosti neposredno napaja ventilator in motor, posredno pa preko pretvornika napetosti (model 42
R78C5.0-1.0) napaja tudi koračni gonilnik motorja in Raspberry Pi. Na koračnem gonilniku z mostiči nastavljamo število mikrokorakov, kot je opisano v poglavju 4.2.5. Pretvornik napetosti pretvori napetost iz 12 V na 5 V, s tem se izognemo dodatnemu 5 V napajalniku. Na sliki 4.24 vidimo vmesnik povezav, na katerem je ostalo še nekaj prostih pinov, ki nam omogočajo nadgradnjo tiskalnika z dodatnimi funkcijami. Slika 4.24: Vmesnik povezav Za stabilnost delovanja 3D tiskalnika smo uporabili upore z dvižno funkcijo (ang. pull-up). Ti skrbijo za odpravo napetostnih motenj, da krmilnik lahko razlikuje med logično 1 in logično 0. Logično 1 pomeni priklop na pozitivno napajanje (3,3 5 V), logično 0 pa priklop na maso (0 3,3 V). 4.2.5 Koračni gonilnik motorja Za krmiljenje koračnega motorja potrebujemo koračni gonilnik, ki je viden na sliki 4.25. Z njim določamo smer vrtenja in izboljšamo natančnost motorja. Le-to izboljšamo tako, da en korak koračnega motorja razdelimo na več mikrokorakov. S povečavanjem natančnosti motorja pa izgubimo nekaj navora. Koračni gonilnik varuje motor pred kratkim stikom, previsokim tokom motorja in pregrevanjem lastnega čipa. Omogoča pa tudi omejevanje motorskega toka s pomočjo potenciometra. [26] 43
Slika 4.25: Koračni gonilnik motorja A4988 s hladilnikom [23] V našem primeru smo izbrali koračni gonilnik A4988 in koračni motor JK42HM48-1504. Izbran motor naredi z enim korakom zasuk za 0,9, kar pomeni, da za en obrat (360 ) potrebuje 400 korakov. S koračnim gonilnikom A4988 lahko en korak razdelimo na 2, 4, 8 ali 16 mikrokorakov. Razdelitev koraka določimo na koračnem gonilniku z različnimi kombinacijami povezovalnih mostičev iz napajalne napetosti na priključke MS1, MS2 in MS3. Zaradi znanega koraka navojnega vretena, si lahko izračunamo natančnost pomika postelje. [26] V tabeli 3.1 je prikazano nastavljanje števila mikrokoraka in izračuni natančnosti obrata motorja ter pomika postelje. Tabela 4.1: Nastavitev mikrokorakov z natančnostjo motorja in pomika postelje MS1 MS2 MS3 Natančnost mikrokoraka Natančnost zasuka motorja JK42HM48-1504 Natančnost pomika postelje (z os) 0 V 0 V 0 V Polni korak 0,9 10 µm 5 V 0 V 0 V Polovica koraka 0,45 5 µm 0 V 5 V 0 V Četrtina koraka 0,225 2,5 µm 5 V 5 V 0 V Osmina koraka 0,1125 1,25 µm 5 V 5 V 5 V Šestnajstina koraka 0,05625 0,625 µm Na shematskem prikazu na sliki 4.26 je prikazana priključitev krmilne elektronike in motorja na koračni gonilnik A4988. S krmilno elektroniko koračnemu gonilniku 44
definiramo vklop preko priključka ENABLE, smer vrtenja preko priključka DIR in s priključkom STEP pošiljanje števila pulzov, ki določajo kot obrata motorja. [26] Slika 4.26: Shematski prikaz priključitve koračnega gonilnika motorja A4988 [24] Tehnične lastnosti koračnega gonilnika motorja A4988: vmesnik: PWM; vhodna napetost motorja: 8 35 V; največji dovoljeni tok (s hladilnikom): 2 A; vhodna logična napetost: 3 5,5 V; natančnost mikrokoraka: cel, polovičen, četrtinski, osminski in šestnajstinski korak; velikost: 15,24 x 20,32 mm; teža: 2.4 g. [26] 4.2.6 Motor Motor električno energijo pretvarja v mehansko. V našem primeru smo uporabili koračni motor. Za razliko od ostalih enosmernih motorjev, ki se neprenehoma vrtijo, kadar so pod napetostjo, se koračni motor vrti po korakih. Bistvena prednost pred ostalimi je, da ne potrebuje povratne zanke, zato je cena koračnega motorja nižja kot pri ostalih (servomotorjih). [27] 45
Koračni motor JK42HM48-1504, ki vrti navojno vreteno, smo uporabili zaradi cene, natančnosti in primerne velikosti. Viden je na sliki 4.27. Slika 4.27: Koračni motor JK42HM48-1504 [25] Uporabljen motor ima 400 korakov na en obrat, kar pomeni, da ga lahko krmilimo s kotom 0,9. Izbrali smo najpogosteje uporabljeno velikost motorja pri 3D tiskalnikih z oznako NEMA 17(ang. National Electrial Manufacturer), ki je viden na sliki 4.28. [28]. Slika 4.28: Mere koračnega motorja tipa NEMA17 [26] Tehnične lastnosti motorja JK42HM48-1504: korak: 0.9 (400 korakov na en obrat); nazivna napetost: 2,8 V; največji tok: 1,5 A; upornost faze: 2.9 Ω; induktivnost faze: 6,5 mh; največja osna sila: 10 N; 46
zadržni moment: 4,4 kg/cm; največja radialna sila: 28N (20 mm od roba); dovoljena temperatura: do 80 ; delovna temperatura: -20 ~+50 ; teža: 0,35 kg. [29] 4.2.7 Senzor V 3D tiskalniku smo uporabili dva senzorja (Omron SS-5GL2), s katerima nadzorujemo pomik postelje po z osi s pomočjo vodenega vozička. Senzorja sta postavljena na vrhu in dnu pomika. V našem primeru sta v obliki mehanskih stikal, ki skrbita, da se motor ustavi, ko vodeni voziček linearnega vodila doseže senzor, kot je prikazano na sliki 4.29. Tako preprečita mehanske in električne poškodbe. Kot mehanske bi lahko opredelili poškodbe materiala, medtem ko bi električne lahko povzročile preobremenitev motorja. Če senzor pomaknemo na večjo razdaljo, povečamo hod postelje in omogočimo tiskanje višjih izdelkov. Slika 4.30 prikazuje senzor, ki smo ga namestili na nosilec iz pleksi stekla zaradi lažje pritrditve na ogrodje ohišja. Slika 4.29: Prikaz omejitve v spodnjem položaju s končnim stikalom 47
Slika 4.30: Končno stikalo z nosilcem iz pleksi stekla 4.3 Programska oprema Za tiskanje 3D izdelka potrebujemo program za izdelavo in pretvarjanje 3D modela ter program za upravljanje s 3D DLP tiskalnikom. 4.3.1 Program za izdelavo 3D modelov Na izbiro imamo več različnih računalniških programov za izdelovanje 3D modelov. Program mora omogočati izvoz datoteke s končnico stl, saj brez te datoteke ne moremo tiskati oziroma predelati 3D model v 3D tiskalniku razumljivo obliko. Na sliki 4.31 vidimo 25 najpopularnejših programov za izdelovanje 3D modelov. Pozorni moramo biti, da ima program podporo za naš operacijski sistem in da ustreza naši stopnji znanja. Razdelimo jih lahko na plačljive in brezplačne. Plačljivi veljajo za naprednejše in omogočajo več možnosti, toda kot alternativo imamo na voljo veliko brezplačnih programov, s katerimi je prav tako možno izdelovanje 3D modelov. Nekateri plačljivi programi so lahko zelo dragi, nudijo pa nam brezplačno časovno omejeno preizkusno uporabo ali brezplačne študentske verzije z omejenimi možnostmi. 48
Slika 4.31: Najpopularnejši programi za izdelovanje 3D modelov [27] Kot zanimivost lahko omenimo tudi spletne programe za izdelovanje 3D modelov, ki omogočajo enostavno izdelovanje manj zahtevnih 3D modelov kar preko spletnega brskalnika. Najbolj znana spletna programa za izdelovanje 3D modelov sta TinkerCAD in 3DTin. Sam sem predhodno že uporabljal brezplačen program za izdelovanje 3D modelov SketchUP, ki ga ocenjujem kot enostavnega in preglednega, vendar pa za izvoz datoteke s slt končnico potrebujemo PRO verzijo, ki je plačljiva. 49
4.3.2 Program za predelovanje izdelanega 3D modela v 3D DLP obliko Program imenovan tudi razrezovalnik (ang. slicer) se uporablja za predelavo izdelanega 3D modela v 3D DLP tiskalniku razumljivo obliko. Oblika, ki jo 3D DLP tiskalnik razume, je sestavljena iz več slik, ki prikazujejo horizontalne plasti 3D modela. Slike so lahko številčne, zato so strnjene v datotečni arhiv RAR ( ang. Roshal Archive). Število slik pa je odvisno od višine 3D modela in nastavljene debeline plasti. Ta debelina določa natančnost 3D izdelka po z osi. Za natančnost pa je prav tako pomembna nastavitev ločljivosti modela, ki je enaka največji ločljivosti projektorja. Programa za predelovanje izdelanega 3D modela ne potrebujemo nujno za izdelke, ki ne potrebujejo podpornih stebrov, saj to funkcijo opravi že sam uporabniški vmesnik. Zato je ena izmed pomembnih dodatnih možnosti izris podpornih stebrov, ki je potreben za določene 3D modele. To so modeli, pri katerih se večji del plasti ne nanaša neposredno nad prejšnjo plastjo, kar pomeni, da se določen del plasti med tiskanjem nahaja v previsu brez podpore. Nekateri programi so brezplačni drugi plačljivi, razlikujejo pa se glede na zahtevnost uporabe. Pogosteje uporabljeni programi za predelavo izdelanega 3D modela so: Slic3r, Cura, Simplify 3D, Craftware, Open Source Slicer, Creation Workshop in Matt Ketter DLP Sliser. V našem primeru smo uporabili Creation Workshop in Matt Ketter DLP Sliser, oba sta brezplačna, zadnji omenjen pa se uporablja le na spletu in ga ni potrebno nameščati na računalnik. 4.3.3 Uporabniški vmesnik Z uporabniškim vmesnikom upravljamo 3D DLP tiskalnik. Uporabili smo grafični uporabniški vmesnik NanoDLP, ki je prilagojen tehnologiji DLP in narejen za krmilno elektroniko Raspberry Pi 3. Za uporabo uporabniškega vmesnika moramo najprej namestiti operacijski sistem na Raspberry Pi. Tega smo prenesli s spletne strani NanoDLP, ga po navodilih naložili na 50
micro SD kartico in jo vstavili v Raspberry Pi. Brez te uporaba programskega vmesnika NanoDLP ni možna, prav tako je za povezavo med tiskalnikom in napravo za upravljanje tiskalnika potrebna vzpostavljena žična ali brezžična spletna povezava obeh. [30] Na sliki 4.32 vidimo uporabniški vmesnik. Nudi nam več različnih možnosti upravljanja tiskalnika, kot so vklop, vstavitev 3D modela, kalibracija po x, y in z osi, kalibracija projektorja, nastavitve tiskanja in tiskalnika. [30a] Slika 4.32: Izgled uporabniškega vmesnika [28] 4.4 Primerjava med FDM in DLP 3D tiskalnika Pri obstoječem 3D FDM tiskalniku smo zaznali kar nekaj težav, ki smo se jim želeli z izdelavo novega izogniti. FDM tiskalnik ni dovolj stabilen. Počasi in slabo segreva posteljo, kar posledično vodi v odstopanje izdelka med tiskom, zato je potrebno dodatno segrevanje postelje z industrijskim pihalnikom. Ohišje oziroma komora je odprta na sprednji in zgornji strani, kar vodi v prehitro ohlajanje postelje in izdelka, zato smo morali zaprti ohišje tiskalnika. Težava se je pojavila tudi zaradi ležeče postavljenega filamenta, saj se je neenakomerno odvijal. To smo rešili z namestitvijo filamenta v pokončnem položaju. Izdelki te tehnologije nimajo gladke površine. Grelna šoba se večkrat zapolni in tiskalnik 51
tiska v prazno brez filamenta, zato je potreben večkraten nadzor. Tiskalnik je tudi dokaj počasen pri izdelkih večje prostornine. Kljub vsem popravkom tiskalnik ne zadostuje potrebam podjetja, zato smo izdelali natančnejši in stabilnejši tiskalnik od obstoječega. Primerjali smo oba 3D tiskalnika in natisnjene izdelke. Osredotočili smo se na: natančnost, površino in mehanske lastnosti natisnjenega izdelka, ceno vhodnega materiala, delovno prostornino in hitrost tiskanja, stabilnost in ceno tiskalnika. Tabela 4.2 prikazuje razlike med obstoječim FDM tiskalnikom in izdelanim DLP tiskalnikom, izgled obeh pa vidimo na sliki 4.33. DLP ima kar nekaj boljših lastnosti, kot so boljša natančnost tiskanja, bolj gladka površina natisnjenega izdelka, večja delovna prostornina, boljša stabilnost tiskalnika in ugodnejša cena sestavnih delov kot nakup novega FDM tiskalnika. Kljub mnogim prednostim omenjenega DLP tiskalnika ima tudi nekaj pomanjkljivosti. Mednje štejemo sproščanje škodljivih plinov ob tiskanju, potrebo po osvetljevanju končnega izdelka z UV svetlobo in dražji vhodni material. Težko pa primerjamo mehanske lastnosti različnih vhodnih materialov in hitrost tiskanja, ki je pri DLP-ju odvisna od višine oziroma pri FDM-ju od prostornine natisnjenega izdelka. Bistvena prednost FDM tiskalnika pa je cenejši vhodni material in možnost tiskanja z dvema različnima materialoma. 52
Tabela 4.2: Primerjava med obstoječim 3D FDM in izdelanim 3D DLP tiskalnikom 3D tiskalnik FDM (leapfrog creatr HS) DLP (izdelan) (tehnologija) Največja natančnost 100 µm 50 µm izdelka Površina izdelka Vidne plasti Gladka Material tiskanja Filament: ABS Fotopolimerna smola Mehanske lastnosti izdelka Trd Pred osvetlitvi z UV: mehek, lomljiv Po osvetlitvi z UV: srednje trd Cena vhodnega Od 20 /kg Od 50 /kg materiala za 3D tiskanje Delovna prostornina 3D tiska 28x27x18 cm ali 13,6 l Pri natančnosti 50 µm: 9,6x5,4x45 cm ali 23,3 l Pri natančnost 100 µm: 19,2x10,8x40 cm ali 82,9 l Hitrost tiskanja Odvisna od prostornine Odvisna od višine izdelka izdelka Stabilnost tiskalnika Srednja Dobra Cena tiskalnika 2499 Cena materiala 1001 53
Slika 4.33: 3D FDM tiskalnik (levo) in izdelan 3D DLP tiskalnik (desno) Na sliki 4.34 sta vidna nosilca kablov natisnjena s FDM in z DLP tiskalnikom. Kot vidimo so se pri natisnjenim izdelku s FDM tiskalnikom ločile plasti, izdelek pa je zlepljen na ne stičnem delu, kar se pri izdelku iz DLP tiskalnika ni zgodilo. Pomanjkljivost izdelka natisnjenega z DLP tiskalnikom je slabša trdnost v primerjavi z izdelkom natisnjenim s FDM tiskalnikom. 54
Slika 4.34: Natisnjen izdelek s 3D FDM tiskalnikom (levo) in 3D DLP tiskalnikom (desno) 4.5 Stroškovni pogled izdelave 3D DLP tiskalnika Prikazali smo stroške materiala za mehanski in elektro del, medtem ko nam programski del ni predstavljal stroškov. Največji strošek so predstavljali projektor, posoda in vodilo z vodenim vozičkom. Za izdelavo 3D tiskalnika smo skupaj porabili 1001. Tovrstni 3D tiskalniki s podobnimi lastnostmi na trgu znašajo od 3000 navzgor. Torej smo z izdelavo tiskalnika prihranili denar. Stroški elektro dela so nekoliko višji od stroškov mehanskega dela. V tabelah 4.3. in 4.4. smo podrobneje prikazali stroške posameznih delov. 55