Как собрать 3d-принтер на Arduino?

Огромная часть 3D-мейкеров знакомится с печатной техникой через сборку самодельных устройств. Это могут быть как кит-наборы, так и принтеры, которые они собрали с нуля по разным схемам. Если вы решили выбрать эту дорогу, то советуем ознакомиться с данной инструкцией. Она поможет собрать принтер в верной последовательности и не допустить большого количества ошибок.

Подготовка к сборке принтера по схеме с нуля

Начнем с выбора проекта. И тут сразу же встает вопрос: какой бюджет мы закладываем в создание принтера? Сегодня на рынке есть множество готовых решений, которые стоят не таких больших денег. Так есть ли смысл вкладываться в сборку кустарного варианта? Однозначно – это того стоит. И тут есть несколько плюсов:

Вы можете сделать большую область печати, чем в стандартном 3D-принтере из магазина.
Самодельный принтер легко усовершенствовать и починить. Вы сможете запросто сделать большую часть запчастей на самом устройстве печати.
Собирая принтер своими руками, вы поймете всю механику работы устройства, научитесь решать простые ошибки, устранять дефекты печати.

Цена на полный комплект для сборки будет все равно ниже, чем стоимость готового девайса с аналогичными характеристиками из магазина. К точному выбору проекта мы еще вернемся.

Для сборки вам пригодятся инструменты, а именно: отвертка крестовая, мультиметр, наждачная бумага, клей, пассатижи, паяльный инструмент, силиконовое масло, изолента, нож канцелярский, пластиковые хомуты и парочка ровных рук.

Интересно! Множество современных брендов начинали свой путь в 3D-печати с создания моделей в кустарных условиях.

Как выбрать дешевый проект для 3D-принтера?

Глобально есть две схемы сборки принтера с ноля в домашних условиях:

Кит-комплект. Или принтер по запчастям. По факту это готовая модель, но разобранная до болтика. Подобные варианты стоят чуть дешевле моделей под ключ. Но на деле это кем-то придуманное устройство, в которое сложно внести какие-либо изменения.
Сборка с нуля по схеме с использованием управляющей платы на Arduino. Этот вариант больше подходит. Управляющая плата «Ардуино» позволяет вносить изменения в работу механики без особых знаний электроники. Для нее создано множество дополнительных контроллеров, хабов и плат.

Сборка на Arduino обойдется дешевле любого кит-комплекта. Полная стоимость принтера может встать до 20 000 рублей с учетом металлической рамы. Часть дополнительных деталей можно напечатать на самом принтере, когда он будет готов к первому старту. Аналогичные готовые или кит-решения обойдутся в 30 000–40 000 рублей.

Информация! В интернете есть масса вариантов по сборке принтера на основе старых или «убитых» устройств печати. Настоятельно не рекомендуем покупать такие девайсы под восстановление. Проще сделать устройство с нуля, чем воскрешать полуживой принтер.

За основу сборки можно взять бесплатную схему с сети. Например, одна из самых популярных сборок основана на механике модели Prusa i3 или Prusa i2 (RepRap Mendel). Основание принтера можно сделать из МДФ-плиты или оргстекла. Со временем лучше заменить ее на металлическую основу. Это немного удорожит конструкцию, но сделает ее более прочной и надежной.

чертеж рамы Prusa i3

Чертеж рамы Prusa i3

Заказ деталей на «АлиЭкспресс»

Следующий важный момент – заказ комплектующих. В рамках нашего проекта мы рассмотрим покупку деталей для сборки принтера по схеме Prusa i3. Это надежный вариант, проверенный тысячами пользователей по всему миру.

Что нужно купить:

направляющие валы в комплекте из 6 штук;
шпильки типа M5 – две штуки (можно купить и в обычном строительном магазине);
комплект электроники: Аrduino Mega 2560 R3 – 1 штука, RAMPS 1.4 - 2 штуки (второй про запас), шаговые двигатели – 6 штук;
понижающий регулятор напряжения;
комплект шаговых моторов, нужно 4 штуки, но продают по 5 в комплекте;
комплект муфт, ремней и подшипников;
блок на 12 В – 1 штука;
механический ограничитель – 3 штуки;
дисплей со встроенным SD-картридером – 1 штука;
подогреваемый стол – 1 штука;
кнопка и клемма – 1 штука;
вентилятор (кулер) на обдув заготовки – 1 штука;
экструдер – 1 штука;
вентилятор для охлаждения драйверов – 1 штука;
запасные сопла в комплекте;
сверло для чистки сопла;
комплект для регулировки рабочего стола – лучше взять пару штук;
пружины в комплекте для стола – 5 штук, из них 4 потребуется;
прямоугольный кусок ровного стекла, которое ляжет на стол, – 1 штука;
один комплект проводов для подключения шаговых двигателей.

Все эти запчасти есть в продаже на китайском маркетплейсе AliExpress. Конечная стоимость может различаться от магазина к магазину. Берите запчасти только у проверенных поставщиков с высоким пользовательским рейтингом.

Лайфхак! Разбивайте закупку запчастей на 2–3 посылки, чтобы не попасть под таможенную пошлину. С 2021 года порог бесплатного ввоза товаров из Китая составляет $100. Это около 7400 рублей по курсу весны 2021 года.

Как собрать простой 3D-принтер на Arduino самостоятельно: пошаговая инструкция от А до Я

Теперь рассмотрим весь путь сборки принтера – с момента установки рамы до первого пробного запуска. В этой части мы разберем механику и кинематику устройства, пошаговые этапы сборки и мелкие нюансы.

Важно! Готовую металлическую раму под Prusa i3 можно купить в интернете. Мы рекомендуем именно этот вариант.

Компоненты для сборки

Компоненты для сборки

Создание оси Y

В нашем случае сборка принтера начинается с установки рамы. Она является опорной частью для оси Y. Весь процесс сборки можно разбить на несколько этапов:

Установка П-образной рамы. К ней прикручиваем заднюю стенку с крепежом под мотор и выставляем две боковые косынки. После чего ставим передние ребра жесткости.
Собираем переднюю стенку с натяжителем ремня. Последний состоит из подшипника и нескольких пластин. Прикручиваем переднюю стенку к основной раме.
Ставим крепеж для двигателей оси Z. Их монтируют на боковые стойки рамы.
Собираем торцевые опоры для верхней части рамы. В официальной инструкции указано, что в них должны быть вставлены подшипники типа 625z. Их ставить не нужно. Потом выставите ходовые винты как есть. Это поможет избавить принтер от эффекта вобблинга.
Собираем каретку по оси Y. Чтобы у винтов каретки соблюдалась соосность, нужно сначала выставить сами валы и только потом протягивать винты.
Установка валов и каретки. Действуем по алгоритму: сначала вставляем валы в заднюю стенку, после чего устанавливаем на них каретку и уже потом продеваем валы в переднюю стенку. Фиксируем валы прижимными пластинами.

Основа под ось Y готова. Рама собрана на 90 %.

готовая рама

Готовая рама

Ось X и ось Y

Теперь нужно собрать ось Х, которая будет работать совместно с передвигающийся нижней платформой (осью Y). Здесь также будет несколько этапов сборки:

Собираем правую и левую каретку оси X. Подшипники фиксируем при помощи пластиковых стяжек.
Собираем каретку экструдера. Важная деталь: в экструдере подшипники смотрят внутрь.
Устанавливаем валы для оси X. Сначала в одну каретку (левую или правую), потом продеваем каретку экструдера и закрепляем валы в обратной каретке.
Устанавливаем валы для оси Z и на них надеваем собранную ось X. Проверяем ее ход, если все хорошо, протягиваем прижимные винты.

Кинематика устройства построена. Теперь можно переходить к установке и подключению основных электромеханических частей.

Внимание! Работайте без спешки! Если пропустить какой-то момент, то потом придется разбирать принтер практически до болтиков.

Собранная каретка оси X на раме

Собранная каретка оси X на раме

Подключение основных элементов

Главные части принтера – это механика и электрика. Разберем установку данных элементов в правильном порядке:

Крепим двигатель оси X. Предварительно устанавливаем на него зубчатый шкив.
Выставляем двигатели оси Z в левом и правом держателе.
Ставим муфты на валы движков. Фиксируем их при помощи прижимных винтов с нижней части.
Ставим ходовые винты через подшипник торцевой опоры. Они фиксируют правую и левую каретку.
Ставим двигатели оси X. Протягиваем их винтами.
Устанавливаем ремни на двигатели. Не забываем ослабить натяжители.
Устанавливаем концевики осей X, Y и Z. Здесь важно не ошибиться, иначе можно получить отзеркаленную модель при печати.
Установка «мозгов» системы. Монтируем плату Arduino на раме принтера.
Устанавливаем блок питания. Разъем питания крепят к специальной пластине. К нему заводят провода от блока питания. Их припаивают к разъему. На клеммы накидывают провода, которые пойдут на питание основного чипа контроллера, и другие элементы системы.
Монтируем LCD-дисплей и экструдер. Способы их коммутации ниже в статье.

Распайка блока питания

Распайка блока питания

Основные элементы собраны и подключены. Осталось установить нагревательный стол.

Стол для печати

Рабочую поверхность крепят к каретке оси Y при помощи винтов. При ее установке используют специальные пружинки, чтобы у поверхности была правильная геометрия. Кабели питания и провода термистора упаковывают в оплетку. Их аккуратно проводят под нижней частью стола и подключают согласно инструкции.

Монтаж проводов под столом

Монтаж проводов под столом

Отладка

Первичная отладка включает в себя:

Проверку жесткости конструкции, протяжку болтов, если это потребуется.
Проверка натяжения ремней. Они не должны провисать, при этом платформа и экструдер должны передвигаться без особых усилий.
Калибровка нагревательного стола при помощи подпружиненных затяжных болтов.
Проверка наличия всех проводов для коммутации.

Далее можно приступать к самому главному и сложному – подключении электронной и электрической части принтера.

внешний вид принтера

Принтер в сборе

Как подключить электронику на «Ардуино»?

При работе с Arduino нужно соблюдать правильный алгоритм коммутации. Иначе можно просто спалить какую-нибудь деталь.

Подключение:

Ставим перемычки под каждый драйвер шагового двигателя на плате RAMPS. Потребуется по 3 джампера под каждый драйвер.
Устанавливаем драйвера шаговых двигателей на разъемы X, Y, Z, E1. Наклеиваем на них радиаторы.
Монтируем плату RAMPS поверх Arduino.

Теперь нужно подключить электрику согласно указанной ниже схеме:

схема подключения

Важно! Если вы хотите сделать более надежную и долговечную систему, стоит немного усовершенствовать плату Arduino. А именно – отвязать ее от питания, которое приходит с RAMPS. Для этого откусите диод на плате RAMPS и припаяйте регулятор напряжения ко входу питания. Его нужно заблаговременно выставить на 5 В, попутно выпаяв стандартное гнездо питания. Сам регулятор можно поместить на заднюю стенку Arduino.

Регулятор за платой Arduino

Регулятор за платой Arduino

Особое внимание коммутации проводов для двигателей по оси Z. Их можно подключать:

параллельно, но каждый штекер идет в свое гнездо (стандартная схема коммутации RAMPS);
последовательно, используя один штекер (схема ниже).

схема

Коммутация элементов электрики к RAMPS:

к разъему Т0 подключаем термистор хотэнда;
к разъему D10 – нагрев хотэнда;
к разъему D8 – нагрев рабочего стола;
к разъему D9 – обдув рабочей зоны.

Ставим вентилятор на обдув драйверов и рабочую зону заготовки. Принтер готов, осталось только накатить прошивку и сделать первичную настройку.

Установка программного обеспечения

Программное обеспечение включает в себя два важных момента – установку прошивки на сам принтер, а также инсталляцию слайсера на ПК. Рассмотрим оба пункта последовательно:

Скачиваем прошивку с официальных источников Arduino. Например, можно взять драйверы здесь. Устанавливаем прошивку через интерфейс утилиты IDE Arduino 1.0.6. На дисплее принтера выбираем Auto Home, чтобы проверить калибровку концевиков и полярность шаговиков. Если оси работают в обратную сторону, нужно повернуть клемму у мотора на 180 градусов.
Ставим слайсер на ПК. Это программа для обработки и подготовки к печати трехмерной модели. Здесь же можно задать некоторые параметры печати для самого принтера, немного подкрутить характеристики. Рекомендуем использовать бесплатный софт. Например, слайсер Cura. Его можно скачать с официального сайта разработчика.

Это основные шаги по установке ПО. Точечные настройки будет выставлять сам пользователь по мере обучения.

Подготовка к эксплуатации: настройка и калибровка

На финишной прямой стоит еще раз все проверить, а также сделать первичную калибровку и настройку:

Проверьте ход всех кареток. Смажьте валы силиконовым маслом.
Посмотрите проводку, чтобы ничего не коротило и не замыкало.
Откалибруйте печатную платформу при помощи чистого листа формата A4. Отпустите регулировочные винты, подложите лист бумаги между соплом экструдера и самой поверхностью. Выставите правильную геометрию стола и высоту сопла, затяните винты.
Попробуйте выгнать тестовый кубик, чтобы вылезли все неточности и дефекты печати.
Скачайте или создайте модель, которую нужно напечатать. Выгрузите ее в слайсер. Установите нужные параметры и скиньте проект на SD-карту.
Загрузите филамент в экструдер. Катушка с пластиком должна свободно прокручиваться над конструкцией принтера.
Вставьте флешку в принтер, попробуйте выгнать печать.

Однако это не все, что нужно учитывать при монтаже принтера. Часто пользователи допускают ряд банальных ошибок, которых можно избежать еще до момента сборки.

Ошибки и способы их избежать

Самые частые ошибки и методы их решения:

Вырезать раму подручными средствами. Например, выпиливать куски оргстекла обычной ножовкой или лобзиком. Скорее всего, вы нарушите геометрию деталей. Будет страдать как прочность всей конструкции, так и точность печати. Не дешевите на данном моменте. Поручите работу по вырезке деталей лазерной мастерской.
Рама из тонкого материала. Если вы все-таки решили удешевить проект, используя оргстекло, МДФ-плиту или фанеру вместо металла, стоит брать материал не менее 6 мм толщиной. Иначе рама может просто лопнуть или развалиться.
Покупка дешевых компонентов. Лучше немного переплатить и купить запчасти у проверенного продавца, чем заказать некачественную продукцию, но за чуть меньшую стоимость. Ищите компромисс между недорого и качественно.
Отказ от системы охлаждения. Это может привести к потере качества из-за невозможности установки нужного температурного режима. Вторая, более серьёзная проблема – это выход из строя «мозгов» устройства. А именно – драйверов движков или платы RAMPS. Не стоит экономить на безопасности.
Ставить высокие показатели скорости, теряя на качестве. Если принтер может печатать на скорости 150 мм/с, это совсем не означает, что он справится на 5+. Увеличение скорости влечет за собой падения качества. Могут появиться дефекты печати. Ищите золотую середину или не берите «горящие» проекты.

Это самые частые ошибки, которые допускают пользователи при сборке и работе на только что собранном 3D-принтере.

Интересно! Для снижения шума и вибраций используйте резиновые ножки-демпферы от стиральной машинки. Их можно купить в любом хозяйственном магазине. Это не сильно удорожит сборку, но повлияет на качество печати.

Собрать 3D-принтер по схеме несложно. Главное – никуда не торопиться и делать все по шагам. Также стоит заранее просчитать все траты на бумаге и держать в уме основные ошибки, которые могут возникнуть в процессе сборки.