Из чего состоит и как работает 3D-принтер?

Большинство современных 3D-принтеров с блоком ЧПУ используют одинаковый подход к процессу 3D-печати. Комплектующие и отдельные детали таких устройств могут различаться, но в целом принципы строения и конструкция принтеров практически не отличаются друг от друга.

Из чего состоит 3D-принтер: основные комплектующие

Принципы работы 3D-принтеров схожи с теми, которые ранее использовались картезианскими роботами.

3D-принтер представляет собой устройство, части которого могут двигаться линейно сразу в трех измерениях, используя оси X, Y и Z, называемые картезианскими координатами. Движение обеспечивается шаговыми двигателями небольших размеров, которые отличаются высокой точностью и аккуратностью. Их погрешность составляет не более 1,8 градуса на один шаг.

Как и все прочие станки с числовым программным управлением, 3D-принтеры управляются с помощью встроенного контроллера. Его наличие позволяет обеспечить движение печатающей головки устройства, которая выводит расплавленный пластик, нанесение которого на рабочую поверхность и обеспечивает послойную печать изделия.

Также многие 3D-принтеры оснащены ремнями ГРМ и специальными роликами, расположенными на осях X и Y. Это техническое дополнение позволяет обеспечить высокую скорость перемещения экструдера с сохранением точности его позиционирования.

Основными деталями всех 3D-принтеров являются:

экструдер (печатающая головка);
рабочий стол;
совокупность механизмов перемещения;
система охлаждения (вентиляторы);
рама;
управляющая электроника.

Рабочий стол

Рабочий стол принтера представляет собой поверхность, на которую при печати послойно наносится расплавленный материал из экструдера, формируя готовое изделие. В зависимости от модели печатающего устройства размер стола может варьироваться в диапазоне от 100 до 200 квадратных миллиметров.

Поверхность рабочего стола изготавливается из стекла или алюминия. Эти материалы позволяют эффективно распределять тепло по рабочей поверхности, что обеспечивает дополнительное выравнивание изделия.

ВАЖНО! Стекло обеспечивает большую гладкость поверхность, а столы из алюминия обладают большей теплопроводностью.

Для того чтобы печатаемая модель надежно фиксировалась на столе, поверхность платформы часто покрывают слоем клея или специальной пленкой.

Рама

Все комплектующие 3D-принтера фиксируются на специальной раме, которая обладает высокими показателями прочности и жесткости.

Она защищает компоненты устройства от негативного воздействия внешних факторов и отвечает за геометрическую сохранность устройства, а также отсутствие люфтов и вибраций, возникающих в процессе печати.

Рамы 3D-приентров могут быть как открытыми, состоящими только из алюминиевых направляющих, так и закрытыми, в которых конструкция дополняется органическим стеклом или фанерой.

фото 3д-принтера

Печатная головка

Важнейшей деталью любого 3D-принетра, работающего на технологии FDM, является печатающая головка, состоящая из двух частей – экструдера и нагревательного элемента.

Экструдер (cold-end) представляет собой механизм, ответственный за подачу материала в нагреватель.

Нагреватель (hot-end) – составная часть печатающей головки, которая отвечает за плавку и выдавливание пластиковой нити через отверстие сопла, диаметр которого может варьироваться от 0,14 до 0,60 мм.

фото экструдера

ВАЖНО! Экструдер определенной модели предназначен для работы с нитями одного диаметра. Этот параметр следует учитывать при покупке материалов для печати.

Для того чтобы обеспечить бесперебойную поставку материала в экструдер, печатающая головка дополняется двигателем шагового типа, оснащенного системой валов и шестеренок. За скорость подачи полимера и его извлечение при смене материала отвечает контроллер, управляющий двигателем.

При активной эксплуатации принтера отверстие сопла покрывается нагаром, что уменьшает проходимость и снижает качество печати. Решить проблему можно, почистив деталь или заменив ее на новую.

Большинство современных 3D-принтеров оснащены одной печатающей головкой, но в некоторых моделях их несколько. Такие принтеры предназначены для печати сразу двумя видами пластика.

фото печатающей головки

Составляющие механизма перемещения

За передвижение платформы и печатающей головки по координатным осям в ходе печати отвечают механизмы перемещения, состоящие из двигателей и нескольких направляющих, объединенных в систему.

Чаще всего для эффективной работы 3D-принтера достаточно трех двигателей, обеспечивающих передвижение головки по осям X и Y и платформы, двигающейся по вертикали (оси Z).

Для преобразования вращательных движений роторов двигателей система дополняется шкивами и зубчатыми ремнями или валами с резьбой, которые отвечают за преобразование вращения в поступательные движения.

В бюджетных моделях 3D-принтеров направляющие имеют цилиндрическую форму, в более дорогих вариантах производители предпочитают использовать линейные направляющие, которые изготавливаются из стали. Качество и чистота обработки направляющих напрямую влияют на точность печати.

Крайние позиции рабочего стола и печатающей головки контролируются датчиками, которые устанавливаются в разных местах. Наиболее точными являются светодиодные датчики, фотодиоды и датчики, принцип работы которых основывается на магнитном излучении.

фото механизма

Электроника

Работа всех комплектующих 3D-принтера управляется контроллером, который распознает G-код, написанный специальной программой и скорректированный пользователем.

Программа для контроллера создается в специальном редакторе в формате STL-файла, который описывает 3D-модель. В тексте кода с помощью специальных обозначений шифруются последовательность и тип перемещений печатающей головки и рабочего стола, а также необходимость включения и выключения нагревательных элементов или системы охлаждения.

Большинство контроллеров работают на платформе Arduino, отличающейся открытой архитектурой. В аппаратной части чаще всего используются микроконтроллеры Atmel или ATmega2560.

Для того чтобы обеспечить эффективное соединение модулей и платы микроконтроллера, используются платы промежуточного типа (RAMPS), имеющие штыревые разъемы для присоединения к плате микроконтроллера, а с обратной стороны – разъемы, в которые можно подключить необходимые модули и внешнее оборудование.

Все перечисленные комплектующие составляют единый компактный блок, который обеспечивает распознавание модели и готов работать в составе FDM-3D-принтера.

Некоторые модели 3D-принтеров могут управляться с помощью персональных компьютеров или сеть Wi-Fi, другие – оснащены собственной панелью управления. Некоторые модели принтеров также дополнительно оснащены слотами для чтения карт памяти или портами для USB-накопителей. Их наличие позволяет загружать в память устройства модели, не прибегая к подключению принтера к персональному компьютеру.

фото платы

Важность правильной сборки составных частей 3D-принтера

От того, насколько точно и качественно собраны комплектующие 3D-принтера, напрямую зависит итоговое качество печати. Некачественная сборка приводит к возникновению люфта, пропуску шагов двигателей, недостаточному или избыточному нагреву и охлаждению элементов.

3D-печать – сложный и длительный процесс, качество которого напрямую зависит от качества сборки устройства. При покупке 3D-принетра следует тщательно проверить состояние основных комплектующих и их адаптированность под решение конкретных задач.