Этот проект посвящен созданию ультрабюджетного 3D-принтера, основой которого служат переработанные электронные компоненты. В результате получается компактный 3D-принтер, сборка которого обойдётся менее чем в 100 долларов.

Сначала разберёмся, как устроена обычная ЧПУ-система — соберём и откалибруем подшипники, направляющие, резьбовые валы — и научим машину понимать G-код. После этого добавим небольшой пластиковый экструдер и рассмотрим процессы калибровки экструзии, настройки тока драйверов и другие операции, которые запускают всё в дело. Следуя этим инструкциям, вы получите компактный 3D-принтер, примерно на 80% собранный из переработанных компонентов, что заметно снижает стоимость и открывает простор для доработок.

С одной стороны, вы получите вводный курс по сборке станков и цифровому производству, а с другой — соберёте небольшой 3D-принтер из бывших в употреблении электронных частей. Это напомнит нам, сколько ненужной электроники мы выбрасываем зря.

Прим. переводчика: обращаю внимание, что статья была написана в 2014 году, поэтому какие-то отдельно взятые технологии и подходы уже могут устареть. Что не отменяет любопытность проекта самого по себе.

Шаг 1: Оси X, Y и Z

Необходимые компоненты:

• 2 стандартных привода CD/DVD от старого ПК.

• 1 дисковод для гибких дисков (флоппи-дисковод).

Эти компоненты можно бесплатно найти на пунктах приёма электронного мусора. Важно убедиться, что моторы, извлечённые из флоппи-дисковода, являются шаговыми, а не коллекторными (DC).

Шаг 2: Подготовка двигателей

Необходимые компоненты:

• 3 шаговых двигателя, извлечённых из CD/DVD-приводов.

• 1 шаговый двигатель NEMA 17, который придётся купить. Мы используем этот тип двигателя для пластикового экструдера, поскольку он обладает достаточной мощностью для подачи пластикового филамента.

• Электроника для ЧПУ: RAMPS или RepRap Gen6/7. Важно, чтобы выбранная электроника поддерживала работу с открытой прошивкой Sprinter или Marlin. В этом проекте используется электроника RepRap Gen6, но вы можете выбрать подходящую по цене и доступности.

• Блок питания от ПК.

• Провода, разъёмы «мама», термоусадочная трубка.

Первое, что нужно сделать после того, как у нас будут все шаговые двигатели, — припаять к ним провода. В данном случае нужно припаять по четыре провода к каждому мотору, соблюдая цветовую раскладку из даташита (описана в технической документации).

• Техническая документация на шаговые двигатели из CD/DVD

• Техническая документация на двигатель NEMA 17

Шаг 3: Подготовка блока питания

Теперь подготовим блок питания. Прежде всего, соединяем между собой два провода (как на изображении) — это позволит включать питание обычной кнопкой на корпусе БП. Затем выбираем один жёлтый провод (12 В) и один чёрный (GND), чтобы подать питание на контроллер.

Шаг 4: Arduino IDE

Теперь проверим, как работают двигатели. Для этого нужно установить среду разработки Arduino IDE.

Нужна версия Arduino 23 — старая, но стабильная для таких проектов.

Далее скачиваем прошивку — берём настроенный Marlin (доступна по ссылке).

После установки Arduino подключаем компьютер к контроллеру ЧПУ (RAMPS/Sanguino/Gen6-7) через USB-кабель, выбираем соответствующий COM-порт в меню Tools → Serial Port и тип платы в Tools → Board (для RAMPS — Arduino Mega 2560, для Sanguinololu/Gen6 — Sanguino с чипом ATmega644P; поддержку Sanguino необходимо предварительно установить в Arduino IDE).

Объяснение основных параметров прошивки (все параметры конфигурации находятся в файле configuration.h):

1. #define MOTHERBOARD 3 — значение зависит от используемого контроллера (Ramps 1.3 или 1.4 = 33, Gen6 = 5 и т.д.).

2. THERMISTOR 7 — термистор с номером 7. Экструдер RepRappro использует термистор Honeywell 100k.

3. PID — параметры PID-регулятора, обеспечивающие стабильную температуру хотэнда.

4. Steps per unit — один из ключевых параметров, влияет на точность перемещений. Его мы будем настраивать в шаге 9.

Шаг 5: ПО для управления принтером

Есть несколько бесплатных программ для управления 3D-принтером, таких как Pronterface или Repetier. Мы используем Repetier Host.

Программа проста в установке и содержит встроенный слайсер. Слайсер — это инструмент, который разрезает 3D-модель на слои и превращает их в G-code — команды, которые понимает принтер. Слайсеры можно настраивать через параметры, такие как высота слоя, скорость печати, плотность заполнения и другие, от которых зависит точность, скорость и аккуратность печати.

Типичные настройки слайсеров можно найти по ссылкам:

• Настройки Skeinforge

• Настройки Slic3r

В нашем случае используется преднастроенный профиль Skeinforge, адаптированный под данный принтер, который можно интегрировать в Repetier Host.

Скачать профиль Skeinforge

Шаг 6: Подключение и регулировка тока

Пора проверить, как ведут себя моторы. Подключите компьютер к контроллеру машины с помощью USB-кабеля (двигатели должны быть подключены к соответствующим драйверам). Запустите Repetier Host и установите соединение между программой и контроллером, выбрав соответствующий COM-порт. Если соединение прошло успешно, вы сможете управлять подключёнными двигателями через ручное управление справа в интерфейсе.

Чтобы избежать перегрева двигателей во время работы, нужно отрегулировать ток, подаваемый на каждый из них. Это важная операция, которая помогает предотвратить перегрев и пропуски шагов.

Для этого подключаем по одному двигателю за раз и повторяем операцию для каждой оси. Понадобится мультиметр, включённый в разрыв цепи между блоком питания и контроллером. Мультиметр должен быть переведён в режим измерения тока (амперметр): см. изображение.

Подключаем контроллер к компьютеру, подаём питание и измеряем ток с помощью мультиметра. При активации моторчика ток немного подскакивает — это и есть потребление конкретного двигателя. Для каждой оси нужен немного разный ток в зависимости от выполняемой нагрузки. Настройка производится регулировкой маленького потенциометра на драйвере шагового двигателя. Рекомендуемые значения тока:

• Плата потребляет примерно 80 мА

• По 200 мА для двигателей осей X и Y

• 400 мА для оси Z (для подъёма каретки требуется больше усилия)

• 400 мА для двигателя экструдера, так как он более мощный

Шаг 7: Сборка каркаса 

По ссылке ниже вы найдёте шаблоны для лазерной резки деталей корпуса, которые не удалось добыть из утиля. Мы использовали акрил толщиной 5 мм, но при желании можно применять и другие материалы — например, дерево, — в зависимости от доступности и цены.

Файл для лазерной резки: скачать DWG

Конструкция рамы спроектирована таким образом, чтобы сборка не требовала клея: все части собираются на винтах и без капли клея — всё держится на защёлках и пазах. Перед тем как отправлять шаблон в резку, убедитесь, что вы адаптировали отверстия под размеры двигателей, извлечённых из CD/DVD-приводов. Измерьте их и при необходимости внесите изменения в CAD-файл.

Шаг 8: Калибровка осей X, Y и Z

Хотя прошивка Marlin, которую мы загрузили, уже содержит базовую калибровку разрешения по осям, для получения точной печати нужно выполнить индивидуальную настройку. Здесь мы укажем прошивке, сколько шагов шагового двигателя требуется для перемещения каретки на 1 мм. Это значение зависит от количества шагов на оборот двигателя и от шага резьбы в приводном винте соответствующей оси. Так мы добьёмся того, чтобы движения соответствовали координатам в G-коде.

Понимание этого процесса позволяет создавать ЧПУ-устройства, независимо от типов и размеров используемых компонентов.

В нашем случае оси X, Y и Z используют одинаковые резьбовые шпильки, поэтому значения будут одинаковыми (но у вас они могут отличаться, если оси собраны из разных компонентов).

Нам необходимо рассчитать, сколько шагов двигателя требуется для перемещения каретки на 1 мм. Это зависит от:

– радиуса шкива
– количества шагов на оборот у шагового двигателя
– параметра микрошагов в электронике (в нашем случае 1/16, что означает, что на один сигнал выполняется только 1/16 шага — это увеличивает точность системы)

Это значение записывается в параметр steps_per_mm в прошивке.

Для оси Z:

С помощью интерфейса контроллера (Repetier) мы задаём перемещение оси Z на определённое расстояние и измеряем фактическое смещение.

Пример: задаём перемещение на 10 мм, а фактически получаем 37.4 мм.

Предположим, что значение steps_per_mm изначально равно N = 2560.

Корректировка:

N = N * 10 / 37.4
→ новое значение: 682.67

Повторяем эту процедуру 3–4 раза, каждый раз пересобирая и заново заливая прошивку, чтобы достичь максимальной точности.

В рамках данного проекта конечные выключатели (end-stops) не используются, чтобы удешевить конструкцию, но при желании их можно легко добавить — прошивка уже поддерживает такую возможность. Наличие конечных выключателей упрощает процесс установки нулевых координат. При их отсутствии вам придётся вручную выставлять головку в начало рабочей зоны.

Первый тест — на бумаге. Прикрепите к каретке ручку и посмотрите, совпадают ли траектории с координатами.

Шаг 9: Собираем экструдер

Подавать филамент будет шаговик NEMA 17 с прижимным роликом типа MK7/MK8. Также потребуется напечатать на 3D-принтере детали экструдера прямого привода (direct-drive), которые можно скачать по следующим ссылкам:

• Нажимной рычаг экструдера (extruder idle)

• Корпус экструдера (extruder body)

• Крепление хотэнда (hot end holder)

После подачи филамента в экструдер он направляется в нагревательную камеру (hot end). Между подающим механизмом и хотэндом филамент проходит через гибкую тефлоновую трубку.

Соберите прямой привод по примеру на изображении (см. рис. X), прикрутите к нему шаговый двигатель и установите всю конструкцию на основной акриловый корпус.

Для калибровки подачи пластика вставьте отрезок филамента и отмерьте, например, 100 мм, пометив его кусочком скотча. Затем в Repetier нажмите на кнопку «extrude 100mm» и измерьте, сколько филамента было реально подано. Повторяем процедуру, пока подача не будет строго 100 м. Это и будет калибровка подачи, описанная в шаге 9.

Шаг 10: Первый запуск печати

Теперь принтер готов к первому тесту. Экструдер настроен под филамент 1.75 мм — он гибче и легче в подаче, чем классический 3 мм. Меньше нагрузка, можно использовать более слабые моторы. 

Мы будем использовать PLA — биопластик, который имеет несколько преимуществ по сравнению с ABS: он плавится при более низкой температуре, лучше прилипает к поверхности стола и имеет минимальную усадку.

В Repetier Host активируйте предустановленные профили для слайсера Skeinforge. Скачать профили можно по следующей ссылке.

Для первого запуска — классика: тестовый кубик 10×10×10 мм. Быстро печатается, помогает отловить проблемы с конфигурацией и шагами.

Чтобы начать печать, откройте STL-модель и выполните нарезку (slicing) с помощью стандартного или загруженного профиля Skeinforge: появится предпросмотр слоёв и сгенерированный G-код. Затем нагрейте экструдер и, когда он достигнет температуры плавления пластика (190–210 °C в зависимости от производителя), нажмите «extrude» — и посмотрите, идёт ли пластик как надо: без рывков и с нормальным прогревом.

Перед стартом выставляем ноль по всем осям (x=0, y=0, z=0). Головка должна почти касаться стола — между ними должен проходить лист бумаги. Это и есть «домашняя точка». С неё и начнётся печать.

Для тех, кто хочет углубить знания и развиваться в IT: в нашем каталоге курсов собраны программы по ключевым направлениям — от разработки и аналитики до DevOps.

Также предлагаем зайти в календарь открытых уроков, где можно заранее ознакомиться с темами и бесплатно записаться на нужный урок. Занятия проводят преподаватели Отус в преддверии старта курсов.

Чтобы оставаться в курсе самых актуальных технологий и трендов, подписывайтесь на Telegram-канал OTUS.