IZDELAVA TISKALNIKA 3D

Transcript

1 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Lovro Brdnik IZDELAVA TISKALNIKA 3D DIPLOMSKO DELO Maribor, september 2015

2 2

3 UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO IZDELAVA TISKALNIKA 3D DIPLOMSKO DELO Študent: Študijski program: Smer: Mentor: Somentor: Lovro Brdnik, E Univerzitetni študijski program Elektrotehnika Močnostna elektrotehnika izr. prof. dr. Ritonja Jožef, univ. dipl. inž. el. izr. prof. dr. Boštjan Polajžer, univ. dipl. inž. el. Maribor, september 2015 I

4 II

5 Zahvala Zahvaljujem se mentorju, prof. dr. Jožefu Ritonji, za izkazano pomoč, podporo in dobro voljo, prav tako somentorju, prof. dr. Boštjanu Polajžerju in Zlatku Strelcu. Zahvaljujem se tudi prijateljici Sandri za izkazano podporo in pomoč. III

6 IZDELAVA 3D TISKALNIKA Ključne besede: 3D tiskalnik, koračni motor, izdelava 3D tiskalnika, meritev parametrov koračnega motorja UDK: :621.7(043.2). Povzetek Diplomsko delo analizira trenutno stanje 3D tiskalnikov na trgu. Prikazan je razvoj in principi delovanja 3D tiskalnikov. Predstavljeni so tipi 3D tiskalnikov, njihove prednosti in slabosti. Podrobneje je predstavljena zgradba in delovanje koračnih motorjev. Opravljene so meritve koračnih motorjev. Opisana je programska oprema za rokovanje s 3D tiskalniki in komponente, ki jih potrebujemo za izdelavo. Diploma se oklepa vprašanja, ali je izdelava 3D tiskalnika bolj ekonomična kot pa naložba v že končani produkt. IV

7 CONSTRUCTION OF A 3D PRINTER Key words: 3D printer, stepper motor, construction of a 3D printer, measuring the parameters of stepper motor UDK: :621.7(043.2). Abstract This diploma analyzes the current status of 3D printer technology on the market. The history of 3D printer is described along with the methods of 3D printing and how 3D printing evolved through the years. The diploma paper describes what types of printers exist their strengths and weaknesses. Included is the description of stepper motors and testing of stepper motors. Software that is needed for running 3D printers is also described. The diploma paper revolves around the question if it is more economical to construct your own 3D printer or buy an already made solution. V

8 VSEBINA Seznam slik... IX Seznam tabel... XII UPORABLJENE KRATICE... XIII UPORABLJENI SIMBOLI... XIV 1. UVOD PREGLED IN OPIS 3D TISKALNIKOV Zgodovina 3D tiskalnikov Delovanje 3D tiskalnikov Osnovne komponente 3D tiskalnikov Tehnologije tiska FDM ali FFF tehnologija DLP tehnologija STL tehnologija LOM tehnologija SLS tehnologija SLM tehnologija Inkjet tehnologija LENS tehnologija EBM tehnologija Pregled tipov tiskalnikov s FFF tehnologijo tiskanja Kartezični tiskalniki Delta tiskalniki SCARA tiskalniki Polarni tiskalniki KAJ PONUJA TRG Kratek pregled najpopularnejših 3D tiskalnikov Tiskalniki višjega cenovnega razreda in kakovosti ( več kot 1500 ) Tiskalniki nižjega cenovnega razreda (manj kot 700 ) Delta tiskalniki SLA tiskalniki Ostali tipi tiskalnikov PREDSTAVITEV LASTNEGA 3D TISKALNIKA VI

9 4.1. Zahteve Izbira tehnologije tiska Izbira tipa tiskalnika Omejitve Zasnova in konstruiranje tiskalnika PREDSTAVITEV MEHANSKEGA DELA Spodnji in zgornji nosilni element Linearna vodila in pogonski sklop Tiskalna glava Tiskalna šoba in mehanizem za dovajanje filamenta Popularne tiskalne šobe na trgu Direktni sistem dovajanja materiala Sistem dovajanja materiala z Bowden cevjo Postelja tiskalnika PREDSTAVITEV ELEKTRIČNEGA DELA Senzorji Senzor temperature Končna stikala Grelni elementi Grelec postelje Grelec šobe Napajalnik Krmilna elektronika Arduino Mega 2560 mikrokrmilnik Vmesnik povezav Razširitve za vmesnik povezav Bluetooth modul LCD-zaslon Krmilniki motorjev Krmilnik A Krmilnik DRV Motorji PREIZKUS KORAČNIH MOTORJEV Splošno o koračnih motorjih Koračni motorji s spremenljivo reluktanco VII

10 Koračni motorji s trajnimi magneti Hibridni koračni motorji Resonanca in nihanje rotorja koračnih motorjev Priključevanje HKM Navor, koračna frekvenca in vrtljaji Meritve hibridnega koračnega motorja Meritev parametrov HKM PROGRAMSKA OPREMA ZA NADZOR IN DELO S TISKALNIKOM Programiranje mikrokrmilnika Sistemski program mikrokrmilnika (firmware) Programi za izdelavo 3D modelov Plačljiva programska oprema Odprtokodna programska oprema Programi za pripravo strojne kode (slicer programi ali razrezovalnik) Programi za interpretacijo, pošiljanje G-kode ter nadzor tiskalnika PRIMER DELOVANJA TISKALNIKA IN OCENA Izdelava testnega modela Nastavitev parametrov tiskanja Ocena produkta ZAKLJUČNA MISEL LITERATURA PRILOGE VIII

11 SEZNAM SLIK Slika 2.1.1: Charles Hull, izumitelj SLA tiskanja in soustanovitelj podjetja 3D systems VIR: [ ]... 2 Slika 2.1.2: FDM naprava podjetja Stratasys VIR: [ ]... 2 Slika 2.1.3: 3D natisnjena ledvica, matrika ušesa in kosti prsta VIR: [ ]... 3 Slika 2.1.4: MakerBot FORM 1, FFF 3D tiskalnik podjetja Makerbot Industries VIR: [ ]... 3 Slika 2.1.5: Hiša, natisnjena s 3D tehnologijo VIR: [ ]... 4 Slika 2.1.6: Prvi 3D tiskalnik, poslan v vesolje VIR: [ ] 4 Slika 2.2.1: CAD generiran model skodelice (simbolična slika) VIR : [ ]... 5 Slika 2.2.2: Tiskanje plasti CAD modela VIR : [ ]... 5 Slika 2.4.1: FFF tehnologija VIR: [ ]... 7 Slika 2.4.2: DLP tehnologija VIR: [ ]... 8 Slika 2.4.3: STL tehnologija VIR: [ ]... 9 Slika 2.4.4: LOM tehnologija VIR: [ ] Slika 2.4.5: SLS tehnologija VIR: [ ] Slika 2.4.6: SLM tehnologija VIR: [ ] Slika 2.4.7: Inkjet tehnologija VIR: [ ] Slika 2.4.8: LENS tehnologija VIR: [ ] Slika 2.4.9: EBM tehnologija VIR: [ ] Slika 2.5.1: Kartezični tip tiskalnika VIR: [ ] Slika 2.5.2: Delta tip tiskalnika VIR: [ ] Slika 2.5.3: SCARA tip tiskalnika VIR: [ ] Slika 2.5.4: Polarni tip tiskalnika VIR: [ ] Slika 4.5.1: Zasnova tiskalnika Slika 5.1.1: Podrobnosti spodnjih in zgornjih nosilnih elementov Slika 5.2.1: Linearna vodila in pogonski sklop Slika 5.3.1: Drobnogled okrasne plastike (levo), tiskalne glave in vozička (sredina) in povezava vozičkov ter tiskalne glave (desno) Slika 5.4.1: Grelna šoba E3D VIR: [ ] Slika 5.4.2: J-HEAD grelna šoba VIR: [ ] Slika 5.4.3: Direktni sistem doziranja materiala VIR: [ ] 27 Slika 5.4.4: Bowden sistem doziranja materiala VIR: [ ] 28 Slika 5.5.1: Postelja tiskalnika Slika 6.1.1: EPCOM 100k termistor VIR: [ ] Slika 6.1.2: Graf termistorja (upornost v odvisnosti od temperature) VIR: [ ] Slika 6.1.3: Mehansko končno stikalo VIR: [ ] Slika 6.1.4: Optično končno stikalo VIR: [ ] Slika 6.1.5: Hallovo končno stikalo VIR: [ ] Slika 6.2.1: PCB grelna površina za posteljo tiskalnika VIR: [ ] IX

12 Slika 6.2.2: Keramični grelec za posteljo tiskalnika VIR: [ ] Slika 6.2.3: Silikonski grelec za posteljo tiskalnika VIR: [ ] Slika 6.2.4: Keramični grelec za šobo VIR: [ ] 33 Slika 6.3.1: SL-500A ATX računalniški napajalnik VIR: [ ] Slika 6.4.1: Arduino Mega 2560 VIR: [ ] Slika 6.5.1: RAMPS 1,4 vmesnik povezav VIR: [ ] Slika 6.6.1: Bluetooth vmesnik JY-MCU VIR: [ ] Slika 6.6.2: GLCD vmesnik tiskalnika VIR: [ ] Slika 6.7.1: Krmilnik motorja A4988 VIR: [ ] Slika 6.7.2: Priklopna shema A4988 krmilnika motorja z motorjem in mikrokrmilnikom VIR: [ ] 40 Slika 6.7.3: Krmilnik motorja DRV8825 VIR: [ ] Slika 6.7.4: Priklopna shema DRV8825 krmilnika motorja z motorjem in mikrokrmilnikom VIR: [ ] Slika 6.8.1(a): NEMA 17-koračni motor Slika 6.8.1(b): Priključna shema testne platforme Slika 7.1.1: Shematski prikaz zank VIR: [ ] Slika 7.1.2: Graf navora v odvisnosti od vrtljajev (splošno) VIR: [ ] Slika 7.1.3: Prečni prerez koračnega reluktančnega motorja z vertikalno zloženim statorjem A->B->C VIR: [ ] Slika 7.1.4: Prečni prerez koračnega motorja z variabilno reluktanco (3- fazni, 4-je poli rotorja, 6 polov statorja) VIR: [ ] Slika 7.1.5: Koračni motor s trajnimi magneti VIR: [ ] Slika 7.1.6: Prečni prerez koračnega motorja s trajnimi magneti (2- fazni, 1 pol rotorja, 2 pola statorja) VIR: [ ] Slika 7.1.7: Prečni prerez hibridnega koračnega motorja (1,8 korak, 4-fazni, 8 statorskih polov in 200 rotorskih ) VIR: [ ] Slika 7.1.8: Uprizoritev zamika aksialno namagnetenih rotorjev VIR: [ ] Slika 7.1.9: Odziv pozicije rotorja na proženje enega koraka VIR: [ ] Slika : Shema tuljav pri bipolarnem (desno) in unipolarnem (levo) motorju VIR: [ ] Slika : Graf navora v odvisnosti od frekvence koračnih motorjev [12] Slika 7.2.1: Časovni potek statorskega toka pri zavrtem rotorju 2 ms/div, 100 mv/div Slika :Graf momentne karakteristike Slika 7.2.3: Graf obratov v odvisnosti od frekvence pulzov Slika 7.2.4: Zaporedje proženja tuljav za 1 zob Slika 7.2.5: Program LabVIEW - Blokovna shema programa Slika 7.2.6: Časovni potek napetostnih impulzov; 200 ms/razdelek, 5 V/razdelek Slika 7.2.7: Predloga za nadzor natančnosti koraka Slika 7.2.8: Pomik koračnega motorja za 2 zoba X

13 Slika 7.2.9: Časovni potek tokovnih impulzov ms/razdelek, 50 mv/razdelek Slika : Časovni potek tokovnih impulzov na fazah HKM - 2 ms/razdelek, 50 mv/razdelek Slika : Časovni potek HKM v primeru vhodne frekvence krmilnika pulzov na krmilnik motorja 900 Hz 50 ms/razdelek, 500 mv/razdelek (zelen), 2 V/razdelek (moder) Slika : Časovni potek EM pri preveliki referenčni frekvenci pulzov v krmilnik motorja HKM 200 ms/razdelek, 2 V/razdelek (zelen), 200 mv/razdelek (moder) Slika 8.1.1: Arduino IDE z osnovno skico Blink VIR: [ ]. 64 Slika 8.2.1: Programsko okolje SolidWorks Slika 8.2.2: Program 123D Design proizvajalca Autodesk VIR: [ ] Slika 8.3.1: Generator G-kode Slic3r Slika 8.3.2: Generator G-kode Cura Slika 8.4.1: Program Cura Slika 8.4.2: Program Pronterface Slika 8.4.3: Program Repetier-Host Slika 9.1.1: Ustvarjen testni model v programu SolidWorks Slika 9.3.1: Natisnjen testni model XI

14 SEZNAM TABEL Tabela 6.1: Najpogosteje uporabljeni mikrokrmilniki VIR: [ ] Tabela 6.2: Lastnosti mikrokrmilnika VIR: [ ] Tabela 6.3: Tehnične karakteristike RAMPS 1,4 VIR: [ ] Tabela 6.4: Tehnične karakteristike vmesnika JY-MCU Tabela 6.5: Lastnosti vmesnika GLCD VIR: [ ] Tabela 6.6: Tabela za izbiro mikrokorakov pri A4988 VIR: [ ] Tabela 6.7: Tabela za izbiro mikrokorakov pri DRV8825 VIR: [ ] Tabela 6.8: Tehnične karakteristike uporabljenih motorjev VIR: [ ] Tabela 7.1: Program mikrokrmilnika Tabela 7.2: Sekvenca vključevanja tuljav, za polni kot zasuka, koračnega motorja s spremenljivo reluktanco Tabela 7.3: Sekvenca vključevanja tuljav, za polno rotacijo, koračnega motorja s trajnimi magneti Tabela 7.4: Meritev momentne karakteristike Tabela 7.5: Meritve frekvence pulzov in obratov koračnega motorja Tabela 9.1: Tabela parametrov tiskanja XII

15 UPORABLJENE KRATICE CAD MIT UV CNC AM FDM SLS GPL LOM PLA ABS TPU PET PC PVA HIPS PTFE PCB LCD PTC UART EDR SCARA EM RepRap xyz G-koda HKM Computer aided design Massachusetts Institute of Technology Ultravijolično Computer numerical controlled Additive manufacturing Fused deposition modeling Selective laser sintering General public licence Laminated object manufacturing Polylactic Acid Acrylonitrile Butadiene Styrene Thermoplastic Polyurethane Polyethylene Terephthalate Polycarbonate Polyvinyl Acetate High Impact Polystyrene Politetrafluoroetilen Printed circuit board Liquid crystal display Polymeric temperature coefficient Universal asynchronous receiver/transmitter Enhanced data rate Selective Compliant Assembly Robot Arm Enosmerni motor Organizacija strokovnjakov za 3D tiskalnike Tridimenzionalni kartezični koordinatni sistem Strojna koda, ki jo prejme mikrokrmilnik Hibridni koračni motor XIII

16 UPORABLJENI SIMBOLI U(V) Napetost I(A) Tok R(Ω) Upornost L(H) Induktivnost α( ) Korak rotorja NN R Število izraženih polov rotorja NN S Število izraženih polov statorja TT e (s) Električna časovna konstanta J(kgm 2 ) Vztrajnostni moment M(kg) Masa r(m) Polmer EE m (V) Inducirana napetost ΨΨ m (Vs) Magnetni sklep n(min 1 ) Število obratov p Število polov TT C (Nm) Navor suhega trenja KK M ( Nm A ) Navorna konstanta kk vt ( Nm ) Koeficient viskoznega trenja min XIV

17 Izdelava tiskalnika 3D - UVOD 1. UVOD Industrija že dolgo narekuje smer razvoja in potrebe, ki temu razvoju sledijo. Zaradi vse bolj zahtevnih rokov in potrebe po hitro izdelanih prototipih se je v poznih 1980-ih pričel razvoj aditivne tehnologije. Aditivna tehnologija je omogočila hitri obrat CAD modelov v prototipe, ki jih lahko skupina inženirjev prime v roko, preuči in odloči, kje oziroma če so potrebni popravki pred proizvodnjo. Aditivno tehnologijo velikokrat zmotno enačijo s CNC tehnologijo. Razlika je, da CNC proces odstranjuje material od modela, medtem ko aditivna tehnologija dodaja material. Tehnologija se je razvila iz brizgalnih tiskalnikov z razliko, da tiskajo še v višino. Tehnologija se konstanto razvija in teži k temu, da postopek ne bo več uporabljen samo za hitro izdelavo prototipov, ampak tudi za proizvodnjo [1]. Cilj diplomskega dela je prikazati in opisati 3D tehnologijo, njen napredek in tehnologije. Prav tako predstaviti izdelavo lastnega 3D tiskalnika ter vpogled ali se je smiselno lotiti izdelave lastnega tiskalnika ali kupiti končen izdelek. Prvi del diplomskega dela zajema zgodovino in možne tehnologije v 3D sistemih, drugi del pa izdelavo in sestavne elemente ter njihovo obrazložitev. Tretji del predstavlja testiranje koračnih motorjev, predstavo programske opreme in testni natis. 2. PREGLED IN OPIS 3D TISKALNIKOV V nadaljevanju bom opisal zgodovino 3D tiskalnikov, njihovo delovanje, osnovne komponente, tehnologijo ter tipe tiskalnikov Zgodovina 3D tiskalnikov Razvoj 3D tiskalnikov se je pričel s podjetjem 3D Systems. Podjetje je v zgodnjih 1990-ih sodelovalo z MIT. Skupaj so razvili proces, ki omogoča strjevanje raznih tekočin, v večini primerov specifične fotopolimerne smole, s pomočjo precizno usmerjenega žarka UV- svetlobe. Tehnologija, razvita v 90-ih, je v uporabi še danes, vendar je ta dosti napredovala. Skozi leta so se razvili še drugi postopki. Podjetja, kot so Z Corporation, 3D Systems, Objet Corporation in ostali, so omogočila napredovanje vizije hitre izdelave prototipov. Korenine 3D tiskalnikov je mogoče izslediti do Charles Hull-a (Slika 2.1.1), ki je leta 1984 razvil tehnologijo stereolitografije. Leta 1992 je podjetje 3D systems, v sodelovanju s Hull-om, ustanovilo prvo napravo, ki je znala poustvariti CAD model. Naprava je delovala z UV- obsevanjem fotopolimerne smole [2]. 1

18 Slika 2.1.1: Charles Hull, izumitelj SLA tiskanja in soustanovitelj podjetja 3D systems VIR: [ ] V času od 1984 do 1999 se področje 3D tiskalnikov počasneje razvija in je v večini teoretične narave. Leta 1988 Scott Crump razvije popularno FDM tehnologijo tiskanja. Leta 1991 podjetje Helisys proda prvo napravo, ki tiska s tehnologijo LOM. Leta 1992 podjetje Stratasys proda prvo napravo, ki tiska FDM tehnologijo, imenovano 3D Modeler (Slika 2.1.2) [3]. Slika 2.1.2: FDM naprava podjetja Stratasys VIR: [ ] Leta 1993 MIT patentira tehnologijo 3D tiskanja, ki je podobna principu 2D tiskanja. Leta 1996 je prvič povezana beseda 3D tiskalnik in tehnologija proizvajanja prototipov [3]. Leto 1999 prinaša pomemben trenutek v zgodovini 3D sistemov. V sodelovanju z medicinskim osebjem, Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, so uspeli povečati sečni mehur mladostniku s pomočjo 3D tiskalnika. Izdelali so ogrodje, prevlečeno s celicami osebka, kar zmanjša možnost zavrnitve tkiva [4]. V letu 2002 so uspeli natisniti prvo delujočo ledvico (Slika 2.1.3), ki je delovala in čistila kri v živali [4]. 2

19 Slika 2.1.3: 3D natisnjena ledvica, matrika ušesa in kosti prsta VIR: [ ] Čeprav si je težko zamisliti pomembnejši dogodek, kot je reproduciranje živega tkiva, je tudi letnica 2005 zelo pomembna za 3D tiskalnike. Adrian Bowyar je v sodelovanju z univerzo Bath uspel narediti odprtokodno napravo, ki je znala natisniti večino svojih komponent. Napravo je imenoval RepRap. S to napravo je povzročil revolucijo, saj je naprava, ki je bila predhodno nedostopna širši skupnosti, sedaj na voljo večini. Tiskalnik RepRap je uporabljal FDM tehnologijo in vročo šobo, da je stalil valjast plastični material, navit v kolutu. Tiskalnik RepRap predstavlja uvod, ustanovitve skupnosti strokovnjakov za 3D tiskalnike, ki so prevzeli ime po tiskalniku RepRap. Skupnost je od tega leta eksponentno rastla in se razvijala. Tiskalnik RepRap je bil podan pod GNU licenco [4]. V letu 2006 se pojavijo prvi 3D tiskalniki, ki so tiskali v različnih materialih, kot so elastomeri in polimeri. V tem letu se pojavi tiskalnik, ki tiska s SLS tehnologijo. Omogočil je hitro izdelavo prototipov v visokem detajlu. Lahko je združil več lastnosti materiala (trdota, gostota) v en natis. [4]. V letu 2008 se po svetu pojavijo prvi ponudniki 3D storitev. Arhitekti, oblikovalci in inženirji pridobijo možnost vizualizacije njihovih idej na ugodnejši način. V tem letu se pojavijo prve kompleksne proteze, natisnjene na takšnih sistemih v enem kosu, brez sestavljanja [4]. Pomemben dogodek v letu 2009 je ustanovitev podjetja Makerbot Industries, ki prične izdelovati odprtokodne FDM tiskalnike po dostopni ceni (Slika 2.1.4) [4]. Slika 2.1.4: MakerBot FORM 1, FFF 3D tiskalnik podjetja Makerbot Industries VIR: [ ] 3

20 V letu 2011 se pojavijo prva natisnjena avtonomna letala in avtomobili. V tem letu se razvije tehnologija tiskanja s kovino, kot so zlato in srebro, v pomoč oblikovalcem nakita. 3D tehnologija se razširi tudi v kulinariko (Cornell University) [4]. Leta 2012 je bila uspešno vstavljena prva proteza, natisnjena s pomočjo 3D tiskalnikov. Spodnji predel čeljusti so vstavili v starejšo osebo, ki je trpela za obolenjem kosti. Leto 2014 prinaša prvo 3D natisnjeno hišo, kjer je Šanghajsko podjetje WinSun, s pomočjo lastnih patentiranih ojačenih zidov, natisnilo izjemno ekonomično hišo (Slika 2.1.5). Hiša je natisnjena iz recikliranega gradbenega materiala. Gradnja je finančno-ekonomično orientirana in je na voljo za le cca dolarjev [4]. Slika 2.1.5: Hiša, natisnjena s 3D tehnologijo VIR: [ ] Leta 2014 in 2015 je razvoj 3D tiskalnikov zelo zacvetel. Pojavi se veliko novih materialov, s katerimi tiskajo fotovoltaične celice, nove protetike delujočih rok, robote, avtonomna vozila, kulinarični podvigi in prvi 3D tiskalnik, ki je bil poslan v vesolje leta 2015 (Slika 2.1.6) [4]. Slika 2.1.6: Prvi 3D tiskalnik, poslan v vesolje VIR: [ ] 4

21 2.2. Delovanje 3D tiskalnikov 3D tiskalniki so naprave, ki nanašajo oziroma trdijo material plast za plastjo. Princip delovanja 3D tiskalnika je enak, ne glede na tip tiskalnika ali uporabljeno tehnologijo. Spremenijo se vmesni postopki, kot so nanašanje lepila, sintranje, gretje tiskane plasti in podobno. Proces 3D tiskanja si lahko najenostavnejše predstavljamo na primeru izdelave skodelice. Skodelico računalniško generiram s pomočjo CAD programa (Slika 2.2.1). Program generira matematične opise celotne geometrije modela. V večini primerov model izvozimo v datoteko s končnico.stl [2]. Slika 2.2.1: CAD generiran model skodelice (simbolična slika) VIR : [ ] Datoteko.stl vpeljemo v naslednji program (razrezovalnik). Programu ukažemo, da skodelico razreže na plasti. Program prične razrez pri dnu in nadaljuje proti vrhu. Plasti je več tisoč in so med seboj oddaljene po enakih inkrementih. Inkrementi so odvisni od podanih parametrov v programu, katere izberemo glede na željen končni izgled izdelka. Velik inkrement pomeni hrapavo površino, manjši inkrement pomeni gladko površino. Programu ukažemo, da pretvori reznine v strojno kodo. Generirano strojno kodo vpeljemo v tretji program, ki je zadolžen za pošiljanje kode tiskalniku. Program izvrši strojno kodo za prvo reznino skodelice. Tiskalnik izriše prvo plast, se pomakne nekaj mikronov višje in prične novi izris plasti po novi kodi (Slika 2.2.2) [2]. Tiskalnik nadaljuje tiskanje plasti, dokler v celoti ne ustvari modela. Slika 2.2.2: Tiskanje plasti CAD modela VIR : [ ] 5

22 2.3. Osnovne komponente 3D tiskalnikov Vsak tiskalnik potrebuje za delovanje ohišje, v katerega vgradim komponente. Ohišje tiskalnika je zelo pomembno glede na tehnologijo tiskanja. V primeru, da tiskalnik uporablja laser ali UV-žarek, je potrebno ohišje, ki uporabnika zaščiti pred žarki. Ker ohišje zajema vse pomične dele tiskalnika, mora biti togo izdelano. Vodila, po katerih se giblje tiskalna glava, so pomemben element, saj zagotavljajo natančnost pomika tiskalne glave. V večini primerov so izdelana iz kovinskih palic. Površina, na katero se nanaša materil, je sestavni del vseh tiskalnikov. Razlikuje se glede na tehnologijo tiska. Površina je lahko potopljena na odprtem ali pa zaprta v vakuumsko komoro. Vsak tiskalnik potrebuje motorje. V večini se uporabljajo hibridni koračni motorji. Izbrani so glede na natančnost koraka in potreben navor. Poleg motorjev je prisoten tudi senzor za maksimalne in minimalne pozicije tiskalne glave. To so končna stikala, bodisi induktivna, svetlobna ali standardna stikala. Najpomembnejši element 3D tiskalnikov je mikrokrmilnik. Vsebovati mora dovolj vhodov, izhodov in zmogljiv takt jedra za nadzor delovanja celotnega sistema. Zadnji pomemben sestavni del, ki ga vsebuje vsak 3D tiskalnik, je tiskalna glava. Prilagojena je glede na tip tiskalnika. Tiskalna glava lahko nanaša lepilo, plastiko ali usmerjen snop svetlobe Tehnologije tiska Kot je omenjeno v poglavju 2.2, je princip delovanja 3D tiskalnikov pri različnih tipih podoben. Razlikuje se tehnologija tiska pri uporabljenih materialih za tiskanje, trdota končnega modela, hitrost tiskanja, strošek izdelave, natančnost itd. V nadaljevanju so opisane različne tehnologije tiskanja, njihove prednosti in slabosti FDM ali FFF tehnologija FDM (Fused Deposition Modeling) tehnologija je v času pisanja diplomskega dela najpopularneša tehnologija pri izdelavi lastnih tiskalnikov. Velikokrat se FDM in FFF (Fused Filament Fabrication) tehnologija enači, saj uporabljata podoben proces odlaganja materiala. FDM tehnologija je v lasti podjetja Stratasys, ki ga je patentiralo. Slika prikazuje FFF tehnologijo, ki je licencirana pod GPL licenco. Naprava najprej stali plastični filament v grelni šobi. S pomočjo hladnega dela tišči plastični filament skozi šobo. Šoba se skupaj s tiskalno glavo premika in odlaga material na površino. Tako gradi plasti eno za drugo. Plasti se med seboj, ko so v toplem stanju, spojijo. Plasti se hladijo in otrdijo s pomočjo ventilatorja. Celotni proces je nadzorovan s pomočjo senzorjev in mikrokrmilnika. Nadzoruje se hitrost tiščanja materiala skozi šobo, temperatura šobe, pozicija šobe v danem trenutku, temperatura površine, na katero se nanaša material, hitrost ventilatorja, ki hladi izdelek in natančnost oziroma inkrement plasti. Natančnost natisa je zelo odvisna od komponent, iz katerih je sestavljen tiskalnik. Tiskalnik zmore tiskati z inkrementom od 5 do 350 mikronov v odvisnosti od kakovosti komponent. Natančnost se meri v zmožnosti inkrementa glede na višino plasti. Zaradi popularnosti tehnologije FFF je ta konstantno v razvoju. Trenutno ni znakov, da bi v RepRap skupnosti želeli prehod na drugo tehnologijo tiska. Tehnologija se je razvila do te mere, da je mogoče tiskati v petih barvah in hkrati v različnih materialih. Materiali, ki se 6

23 uporabljajo, so ABS, PLA, Nylon, PET in HIPS. Obstajajo materiali, ki imajo lastnosti karbona in gume, so prevodni, imajo magnetne lastnosti itd [5]. Prednosti FFF tehnologije so: - ekonomičnost, - hitrost izdelave prototipov, - vsestranskost. Slabosti: - za nekatere procese tehnologija FFF ni natančna, - ni mogoče natisniti velikih previsov brez podpornega materiala. V času pisanja je najbolj znani 3D tiskalnik, MakerBot, ki je produkt podjetja Makerbot v ZDA. Volumen izdelave modelov je odvisen od izvedbe 3D tiskalnika in je lahko omejen samo s prostorom. Slika 2.4.1: FFF tehnologija VIR: [ ] 7

24 DLP tehnologija Ta tehnologija je vzhajajoča zvezda v skupnosti 3D tiskanja zaradi enostavnejše izdelave. Tiskalniki z DLP (Digital Light Processing) tehnologijo uporabljajo namesto grelne šobe in plastike, svetlobo in fotopolimerno smolo (Slika 2.4.2). Smola na svetlobo reagira in se prične trditi. V posodi je fotopolimerna smola. Posoda in linearno vodilo sta pritrjena na dno ohišja tiskalnika. Linearno vodilo nosi posteljo tiskalnika, na katero se generira izdelek. Posoda ima na svojem dnu steklo, da prepusti svetlobo. Svetloba je generirana z DLP projektorjem, ki jo pošlje preko leče in dna posode na posteljo tiskalnika. Natančnost modela v x in y oseh je odvisna od projektorja, natančnost višine plasti je odvisna od aktuatorja Z osi. DLP tehnologija tiska je počasnejša od FFF tehnologije. Tiskalnik zmore izdelati natančnejše modele in je enostavneje izveden. Slabost tehnologije je cena DLP projektorja in fotopolimerna smola. Modeli, generirani z DLP tehnologijo, potrebujejo veliko podpore. Pri čiščenju končnega izdelka imam zaradi velike mere podpornega materiala, veliko odpada. Volumen izdelave modelov je odvisen od izvedbe 3D tiskalnika in DLP projektorja [2]. Slika 2.4.2: DLP tehnologija VIR: [ ] 8

25 STL tehnologija STL (Stereolithogrphy - stereolitografija) tehnologija je prva, ki je bila uporabljena za tiskanje v tretjo dimenzijo (Slika 2.4.3). Uporablja natančen laser, usmerjen na površino fotopolimerne smole. V globoki posodi je potopljena postelja tiskalnika. Postelja je postavljena tik pod gladino fotopolimerne smole in je postopoma obsevana z laserjem. Plast je obsevana toliko časa, da ta otrdi. Naslednja plast je generirana tako, da se postelja za nekaj mikronov potopi v smolo in laser obseva novo plast. Proces se ponavlja do izvedbe celotnega modela. Ob zaključku se postelja dvigne nad fotopolimerno smolo, da se lahko model odstrani. Pri tej tehnologiji tiskanja je potrebno še končno obdelovanje modelov. Modele je potrebno očistiti in posušiti. Ker so potopljeni v smolo, ta ostane na modelu in ob čiščenju tvori odpadni material. Tehnologija dosega zelo visoke natančnosti in kompleksne strukture kot tudi zaključek na modelih. Model čez čas dotraja in postane krhek. Potrebno je omeniti, da so fotopolimerne smole drage in toksične. Prav tako je slabost te tehnologije, da fotopolimerna smola ni zmožna podpirati sama sebe in je potrebno konstruirati podporni material ter ga kasneje odstraniti. Tehnologija ni licencirana pod GNU licenco. Volumen izdelave modelov je odvisen od izvedbe tiskalnika [6]. Slika 2.4.3: STL tehnologija VIR: [ ] 9

26 LOM tehnologija LOM (Laminated Object Manufacturing) (Slika 2.4.4) tehnologija je primerna za izdelavo večjih prototipnih modelov, kjer mehanske lastnosti nimajo pomembne vloge. Največkrat je tehnologija uporabljena za izdelavo velikih arhitekturnih modelov. Proces pomakne plast papirja na posteljo tiskalnika. Šoba dozira lepilo na specifične točke, nato površino povalja valjasti grelec. Sledi pomikanje rezalne glave, ki je lahko nož ali laser, da izreže prvo plast modela. Tiskalnik po končanem izrezu spusti posteljo za debelino papirja in doda novo plast. Korake ponavlja do izdelave celotnega CAD modela. Med rezanjem določene plasti, tiskalnik mrežasto razreže neuporabljeni material, da se kasneje lažje odstrani. Prednosti tovrstne tehnologije so, da je lahko volumen tiskalne površine velik. Zaradi uporabljenih materialov je tehnologija cenovno ugodna za proizvod modelov. Cena tiskalnikov je različna in se primerja z dražjimi FFF tiskalniki. Slabosti tehnologije so omejitve materialov, saj je mogoče uporabiti le določene materiale (papir, kovina). Ima več gibajočih delov in je več možnosti za okvaro ter vzdrževanje [7]. Slika 2.4.4: LOM tehnologija VIR: [ ] 10

27 SLS tehnologija SLS (Selective Laser Sintering - selektivno lasersko sintranje) (Slika 2.4.5) je tehnologija, ki temelji na tehnologiji STL. Namesto smole, tehnologija SLS uporablja prah. Materiali so lahko porcelan, plastika, najlon, steklo, in tudi kovina. Tiskalnik na posteljo nanese nekaj mikronov prahu. Mehanizem nato povalja in poravna plast, da zadošča tolerancam višine. Naslednji korak je usmeritev laserskega snopa v pravo točko, za kar skrbi optični sistem tiskalnika. Tiskalna glava opiše potrebno pot in strdi celotno plast. Posteljo pomakne nekaj mikronov nižje in ponovi postopek. Tehnologija potrebuje za delovanje greto komoro. Po končanem tiskanju se postelja dvigne in v celoti sname s tiskalnika. Model je potrebno očistiti ostankov prahu. Dobra lastnost te tehnologije je, da je odpadni prah mogoče reciklirati, kar naredi to tehnologijo učinkovito. Prednost tehnologije je, da ne potrebuje podpore med gradnjo kompleksnih plasti oziroma oblik. Oporo predstavlja gradbeni material. Ta lastnost opredeli tehnologijo kot edino, ki lahko poustvari najkompleksnejše oblike. Slabost te tehnologije je, da je izjemno draga, kar deset do sto kratnik FFF tehnologije. Čas za izdelavo modela je daljši, daljši so časi ohlajanja modelov preden jih lahko vzamemo iz tiskalnika. V odvisnosti od materiala so lahko modeli tudi porozni. Tehnologija lahko sintra več vrst materialov, kot so kovina, steklo in plastika. Sintrani modeli imajo enakovredne lastnosti izdelkom, izdelanim s konvencionalnimi metodami (CNC ali ročno) [6]. Slika 2.4.5: SLS tehnologija VIR: [ ] 11

28 SLM tehnologija Večkrat je selektivno lasersko topljenje opredeljeno kot podkategorija SLS tehnologije. Tehnologiji sta si zelo podobni. Razlika je v delovanju laserskega in optičnega sistema. Ta pri SLM (Selective Laser Melting) (Slika 2.4.6) tehnologiji proizvede močnejši snop svetlobe, da stali material. Posledično se plasti med seboj močneje spojijo. Končni modeli so primerni za uporabo v stresnih okoljih, kjer so potrebne trdne in obstojne mehanske lastnosti. SLM tehnologija je uporabljena samo pri kovinah. Za izdelavo modela se uporablja nerjaveče jeklo, titan, aluminij in kobalt-krom. Vsi materiali so predhodno obdelani v prah in pripravljeni za tiskanje. Dobra lastnost te tehnologije je, da je odpadni prah mogoče reciklirati. Prednost je, da ne potrebuje podpore med gradnjo kompleksnih plasti oziroma oblik. Oporo predstavlja gradbeni material. Strošek predstavlja samo dejanska poraba materiala za izdelavo modela. Slabost tehnologije je cena aparata. Tiskalniki, ki tiskajo s kovino, trenutno na trgu predstavljajo ene izmed dražjih sistemov [6]. Slika 2.4.6: SLM tehnologija VIR: [ ] 12

29 Inkjet tehnologija Tehnologija se je razvila iz obstoječih brizgalnih tiskalnikov. Princip je podoben brizganju črnila iz tiskalne glave. Črnilo nadomesti lepilo ali fotopolimerna smola. V nadaljevanju sem opisal tehnologijo brizganja lepila in fotopolimerne smole (Slika 2.4.7) Brizganje lepila Tehnologija je podobna SLS tehnologiji. Postelja se ob zaključku plasti pomakne za nekaj mikronov. Valj deponira na površino plast prahu, jo prevleče z lepilom in strdi z UV- svetlobo ter toploto. Premike vrši tiskalna glava, ki vsebuje šobe in je nadzorovana s programsko opremo računalnika. Prednost tehnologije je, da reproducira modele v 16-bitnih barvah. Mešanje barve se pripravi v tiskalni glavi s štirimi osnovnimi barvami (sinja) cyan, (škrlatna) magenta, (rumena) yellow in črna. Ob uporabi lepila, katerega je mogoče zaužiti, lahko tiskamo tudi sladice z uporabo sladkorja. Zaradi omejenega izbora materialov (keramika, sladkor, plastika, mora biti bel prah, da je barvna reprodukcija natančna) so modeli oz. prototipi mehansko nevzdržljivi [6] Brizganje fotopolimerne tekočine Tiskalna glava delujo podobno, kot pri konvencionalnem tiskalniku. Tekočino brizga na površino in jo strdi z UV-svetlobo. Tiskalnik je sposoben tiskati tudi podporni material, ki ga UV-svetloba delno utrdi, da se kasneje lahko odstrani. Posteljo tiskalnika in komoro je potrebno greti. Slabost tehnologije je kompleksna izvedba tiskalne glave, rezultat, česar je višja cena aparata. Dobra lastnost tehnologije je hkratno tiskanje v več različnih materialih. Tehnologija je hitra in zagotavlja visoko kakovost končnega produkta (zelo gladko površino) [6]. Slika 2.4.7: Inkjet tehnologija VIR: [ ] 13

30 LENS tehnologija Tehnologija spada med LPF (Laser Powder Forming) tehnologijo. LENS (Laser Enginered Net Sharping) (Slika 2.4.8) tehnologija dodaja material na posteljo stroja v obliki prahu. Prah se ne dodaja na celotno površino postelje, ampak samo na željeno točko. Močni laser ga stali na površino. Postopek ponavlja do izdelave modela. Material se dodaja kot mešanica plina in prahu, ki ga naprava pod pritiskom brizga na obdelovalno površino. Hkrati služi za hlajenje nastajajočega modela. Tiskalna glava vsebuje optični mehanizem, ki usmeri laserski žarek v delovno točko. Tehnologija se zaradi stroška in kompleksnosti naprave poredkoma uporablja. S to tehnologijo lahko popravljamo obstoječe objekte, narejene iz titana ali drugih kovin. Prav tako je metalni prah, ki ga ta tehnologija uporablja, splošno na voljo in finančno dostopen. Mehanske lastnosti modelov so vzdržljive in imajo lastnosti odlitka. Prednost tehnologije je, da zmore veliko nosilnost, kar pomeni, da lahko naprava obdeluje zahtevne in težke modele. Naprava zasede veliko prostora, uporabljeni elementi za izgradnjo naprave so težki, zato je napravo ob nakupu težko postaviti kjer koli brez predhodne priprave temeljev [7]. Slika 2.4.8: LENS tehnologija VIR: [ ] 14

31 EBM tehnologija EBM (Electronic Beam Melting) (Slika 2.4.8Slika 2.4.9) tehnologija je še v razvoju. Preizkušena v laboratorijih švedskega podjetja Arcam. Za gradnjo modela uporablja podoben princip kot SLM. Namesto laserskega žarka uporablja močen snop elektronov. Snop je nadzorovan s pomočjo tuljav in magnetnega polja. Tehnologija je zapletena, sestavljena iz veliko delov in uporablja močnejši žarek kot SLM tehnologija. Končani produkt ima lastnosti odlitka, saj so plasti v celoti sprijete. Izdelek je mehansko odporen. Tehnologija za delovanje potrebuje vakuumsko komoro, kjer je nadzor elektronov dosti bolj natančen. Sama temperatura pri nastajanju modela dosega tudi do 1000 C, kar omogoča uporabo materialov, kot so aluminij in titan. Naprava ni namenjena vsakdanji uporabi, ciljna skupina je trg medicine in vesoljske aplikacije. Zaradi teh lastnosti je tehnologija redkeje uporabljena in zelo draga [6]. Slika 2.4.9: EBM tehnologija VIR: [ ] 15

32 2.5. Pregled tipov tiskalnikov s FFF tehnologijo tiskanja Tehnologija FFF je najpopularnejša pri domači izdelavi 3D tiskalnikov. Skupnost RepRap je razvila štiri tipe tiskalnikov. Razlikujejo se v načinu pomikanja tiskalne glave in postelje tiskalnika ter številom uporabljenih komponent. V nadaljevanju so predstavljeni različni tipi tiskalnikov, ki uporabljajo FFF tehnologijo tiska Kartezični tiskalniki Kartezični tiskalniki se pomikajo v oseh kartezičnega koordinatnega sistema (Slika 2.5.1). Večinoma uporabljajo zaprto komoro za nadzor temperature v okolici modela. Glava je vpeta na linearne ležaje, ki so v večini primerov valjaste kovinske palice. Na linearnih vodilih drsi tiskalna glava v x in y oseh. Za pomikanje postelje tiskalnika skrbi drugi set linearnih ležajev. Za pomik osi skrbijo koračni motorji. Motorji so vpeti na ohišje in povezani z osmi preko navojnih palic ali zobatih jermenov. Izdelava kartezičnih tiskalnikov ni zapletena in jih je mogoče izdelati na veliko načinov (ni zahtevano, da je škatlasta oblika oz. zaprt tiskalnik). Kartezični tip tiskalnika se uporablja v industrijskih strojih, ki vsebujejo naprednejše elemente (npr. namesto koračnih motorjev uporabljajo servo motorje z regulacijo kota zasuka) [8]. Slika 2.5.1: Kartezični tip tiskalnika VIR: [ ] 16

33 Delta tiskalniki Delta tiskalniki so drugi najpopularnejši tip tiskalnika, ki uporablja FFF tehnologijo. Delta tiskalniki so bili predhodno uporabljeni kot stroji za izbiranje in nameščanje (pick & place) (Slika 2.5.2). RepRap skupnost je nanj pritrdila tiskalno glavo in povzročila povečanje popularnosti Delta tipa tiskalnika. Prednost je v uporabi treh motorjev namesto štirih oziroma petih kot pri kartezičnem tipu. Tiskalna glava je izjemno lahka, kar omogoča večje pospeševanje in posledično hitrejše tiskanje. Večja je višina tiskanja, in s tem tudi volumen. Tiskalnik je sestavljen iz treh nosilnih stebrov, ki so med seboj vzporedni in zamaknjeni za 120. Stebri lahko hkrati delujejo kot linearno vodilo za vozičke. Potrebujejo manjše število sestavnih elementov kot kartezični tiskalnik. Napake pri izdelavi tiskalnika se odražajo v modelih v večjem merilu kot pri kartezičnen tipu tiskalnika. Slabost tega tipa tiskalnika je ravno mehanizem premikanja tiskalne glave. Mehanizem pretvori gibe iz treh vertikalno vpetih vozičkov v kartezične gibe tiskalne glave. Tiskalnik uporablja za algoritme gibanja trigonometrične funkcije, ki pretvorijo xyz koordinate v vrednosti, ki so tiskalniku uporabne za pomik tiskalne glave. Kot zanimivost lahko omenim, da je tiskalnik med samim izdelovanjem modela zelo zanimivo opazovati [8]. Slika 2.5.2: Delta tip tiskalnika VIR: [ ] 17

34 SCARA tiskalniki SCARA (Selective Compliant Assembly Robot Arm) (Slika 2.5.3) tip tiskalnika kaže obetavne znake, ponuja natančnost in vsestransko namembnost. Nosilna konstrukcija omogoča uporabo več orodij za oblikovanje modelov, kot so rezkanje, tiskanje ali CNC. Uporablja dve roki, ki sta pri tiskalni glavi spojeni. Na roki sta vpeta motorja, ki pomikata tiskalno glavo v xy smeri. Tretji motor pomika posteljo tiskalnika ali roki v z osi. Izdelava je enostavnejša od Delta tipa, uporablja manj elementov za delovanje, ne potrebuje linearnih vodil. V kombinaciji s preciznimi motorji nudi večjo natančnost, saj ni elastičnosti v sistemu. Ker potrebuje matematične algoritme za preračunavanje pozicije, je izdelava programske kode za krmilnik zahtevnejša kot za kartezične tiskalnike. Slika 2.5.3: SCARA tip tiskalnika VIR: [ ] Polarni tiskalniki Ideja, ki se je razvila v RepRap skupnosti, temelji na pretvorbi xyz koordinat v polarne koordinate (Slika 2.5.4). Tiskalnik je mogoče izvesti z dvema motorjema, ki skrbita za vrtenje in pomik tiskalne površine. Standardno je izveden s tremi motorji. Polarni tip tiskalnika je v fazah razvoja in ne producira natančnih rezultatov. Zaradi kompleksnih algoritmov je potrebno veliko kompenzirati pri izračunavanju pozicije. Slika 2.5.4: Polarni tip tiskalnika VIR: [ ] 18

35 3. KAJ PONUJA TRG Ob pisanju diplomskega dela trg ponuja veliko 3D tiskalnikov. Na voljo so tiskalniki za praktično vsako željo in aplikacijo. Če bi iskal končni produkt, bi pozornost polagal na volumen tiskanja, natančnost, ceno, ekonomičnost ter hitrost tiskanja. Omenjene lastnosti ne najdem kot vzporedne in je pri izbiri potrebno narediti kompromise. V večini primerov je ključnega pomena cena in kakovost izdelave. Pozorni moramo biti tudi na material, ki ga tiskalnik uporablja za tiskanje, če je ta prosto dostopen. Iz tega razloga se bom v sklopu pregleda trga tiskalnikov osredotočil na tiste, ki so namenjeni širši skupini kupcev in zanemaril industrijske stroje Kratek pregled najpopularnejših 3D tiskalnikov Trenutno najpopularnejše 3D tiskalnike sem, glede na ceno, razdelil v 3 skupine. Znotraj vsake skupine sem, glede na pogostost pojavljanja v forumih in treh popularnih spletnih straneh, izbral najbolj pogosto uporabljene tiskalnike. Vir so bile spletne strani: Tiskalniki višjega cenovnega razreda in kakovosti ( več kot 1500 ) Najpopularnejši tiskalniki znotraj tega obsega so: - MakerBot Replicator, - Ultimaker, - CubePro Trio, - Magergear in - FlashForge Creator Pro. Lastnosti tiskalnikov se med seboj malo razlikujejo. Vsi so kartezični 3D tiskalniki in imajo inkrement tiskanja od 5 do 200 mikronov. Poleg standardnih materialov, PLA in ABS, uporabljajo še bolj eksotične materiale, kot so imitacija lesa, kovine, prevodni materiali itd. Tehnologija tiska, ki jo uporabljajo omenjeni tiskalniki, je FFF. Nekateri izmed omenjenih tiskalnikov omogočajo hkratno tiskanje več materialov ali barv Tiskalniki nižjega cenovnega razreda (manj kot 700 ) Od nizkocenovnih tiskalnikov izstopajo: - Printrbot Simple, - UP mini, - M3D in - da Vinci. Kartezični tip tiskalnikov, ki uporabljajo FFF tehnologijo tiska. Od dražjih tiskalnikov se razlikujejo po zapletenosti izgradnje, uporabljenih konstrukcijskih materialih, zmožnosti tiskanja materialov (PLA ali ABS) in natančnosti tiskanja. Inkrement znaša od 50 do 500 mikronov, kar je posledica uporabljenih motorjev in krmilnikov motorjev, tiskalne glave, gretja tiskalne površine in hlajenja modela. Osnovni modeli ne uporabljajo precizno izdelanih 19

36 elementov, ampak masovno proizvedene približke originalov. Prihajajo z eno samo tiskalno glavo Delta tiskalniki Naslednja kategorija tiskalnikov so Delta tiskalniki. Na trgu so se pričeli pojavljati kasneje in še vedno je prisotno relativno malo ponudnikov v primerjavi s kartezičnimi tiskalniki. Najbolj priljubljeni so: - SeeMeCNC Orion, - Kossel, - Rostock MAX. Tiskalniki so zelo zanimivi, saj uporabljajo drugačno rešitev za pomik tiskalne glave. Prednosti so: zmožnost izredno hitrega pomikanja tiskalne glave ter posledično hitrejše tiskanje modelov. Natančnost tiskanja je zelo odvisna od preciznosti izdelave tiskalnika in uporabljenih sestavnih elementov. Dosega natančnost med 5 in 200 mikronov po plasti SLA tiskalniki Zadnja kategorija tiskalnikov so SLA tiskalniki. Imajo sloves po visokih cenah in zelo natančnih natisih. Tiskalnik je zmožen dosegati visoko natančnost v xy oseh. Natančnost plasti je do 1 mikrona. Odstopanje xy dimenzij modela od CAD-a je največ za ±0.1 %. Popularnejši SLA tiskalniki: - Form 1+, - B9 Creator Ostali tipi tiskalnikov Tiskalniki, kot so SCARA in polarni tipi, so še vedno v razvoju. Trenutni trg jih ne ponuja kot končane produkte. Za izvedbo je potrebno ločeno iskati elemente, ki sestavljajo tiskalnik, kot so motorji in mikrokrmilniki. Sestavne dele, kot so roke, je potrebno proizvesti v lastni režiji. Matematične funkcije in programska koda za mikrokrmilnik je slabo dokumentirana in jo je potrebno spisati, da mikrokrmilnik zna interpretirati g-kodo. 20

37 4. PREDSTAVITEV LASTNEGA 3D TISKALNIKA Razlog za izdelavo tiskalnika v lastni režiji namesto nakupa je predvsem preizkus pridobljenega znanja na univerzi in privarčevanje denarja. Preizkusiti sem želel znanje iz CAD- a, programiranja v programskem jeziku C++, razumevanje delovanja elektronike, motorjev in vezav. Drugi razlog je ta, da za moje zahteve ni bilo primernega tiskalnika za dostopno ceno. V nadaljevanju sem predstavil zahteve, tehnologijo in tip tiskalnika, ki sem ga izbral za svoj tiskalnik ter predstavil zasnovo tiskalnika Zahteve Pri zasnovi 3D tiskalnika sem želel, da dosega dobre rezultate tiskanja in je estetsko privlačen. Tiskalniki, v času raziskave trga, so ponujali rešitev z željenimi zahtevami, vendar je ta cenovno presegal moje zmožnosti (MakerBot Replicator). Pri izdelavi lastnega tiskalnika sem si zadal naslednje cilje: - doseganje natančnosti med 20 in 100 mikroni, - tiskanje s hitrostjo 100 mm/s, - pomikanje tiskalne glave, ko ta ne tiska s hitrostjo 400 mm/s, - možnost tiskanja več vrst materialov: PLA, ABS, HIPS, Najlon, - premer filamenta, ki ga sprejme tiskalnik, mora biti 1,75 mm, - volumen tiskanja mora presegati 200 mm 200 mm 300 mm, - tiskalnik mora vsebovati veliko mero estetike Izbira tehnologije tiska Pri izbiri tehnologije tiska sem temeljito pregledal, kaj ponuja trg. Izbiral sem lahko med FFF in DLP tehnologijo. Pričel sem pripravljati seznam komponent za posamezno tehnologijo. Primerjal sem cene materialov, cene elementov, možnosti nadgradnje ter vsestranskost. DLP tehnologija je enostavnejša za izdelavo. Pomanjkljivost tehnologije je uporabljeni material za gradnjo modelov. Material je v Sloveniji težje dostopen, tvori škodljive pline in potrebno ga je sušiti pod UV-svetlobo. Za izdelavo DLP tiskalnika potrebujem DLP projektor. Projektor mora biti, za doseganje dostojne natančnosti, sposoben projekcirati v ločljivosti vsaj Ob izbiri DLP tehnologije bi izdelava tiskalnika stala med 2000 in Cena v času raziskovanja trga za fotopolimerno smolo je 100 dolarjev na kg. Iz podanih razlogov sem se odločil za izbor FFF tehnologije tiskanja. Tehnologija omogoča, za moje namene izdelave prototipov, dovolj veliko natančnost, predvsem pa predstavlja možnost pridobitve materiala v Sloveniji po dostopni ceni. Prav tako s to tehnologijo ni dodatnih zaključnih postopkov, kot je čiščenje ali sušenje modelov. Cene izdelave tiskalnikov se gibljejo med 500 in 1500, cena za kg materiala se giblje med 20 in

38 4.3. Izbira tipa tiskalnika Z izbrano tehnologijo tiskanja sem imel na voljo tipe, opisane v 2.5 poglavju. SCARA in Polarni tip sta bila v času pisanja diplome preslabo dokumentirana, zato sem izbiral med Delta in kartezičnim tipom. Kartezični tipi tiskalnikov so bili najpogostejši in najbolje dokumentirani. Tiskali so počasi in imeli premali volumen tiskanja, kar me je odvračalo od tipa tiskalnika. Delta tiskalniki so bili manj popularni in manj dokumentirani, vendar so lastnosti dosegale moje zahteve. Iz podanih razlogov sem se odločil za izdelavo tiskalnika, ki tiska s FFF tehnologijo in je tipa Delta Omejitve Omejitev, ki je narekovala izdelavo tiskalnika, je primarno finančna. Pripravljen sem bil porabiti med 500 in 700, kar je relativno malo za izdelavo tiskalnika, ki je natančen in tiska hitro v velikem volumnu Zasnova in konstruiranje tiskalnika Pri izdelavi Delta 3D tiskalnika je potrebno upoštevati tri osnovna navodila za natančno delovanje tiskalnika: - linearna vodila, po katerih se pomikajo vozički, so vzporedna. Izdelana morajo biti v veliki meri natančnosti, saj kasnejša kompenzacija ni mogoča, - linearna vodila so nameščena v ogljiščih enakostraničnega trikotnika, - palice, ki povezujejo vozičke in tiskalno glavo, morajo biti enako dolge in vzporedne. Tiskalnik moram snovati tako, da je zelo stabilen. Ob nestabilnosti, sunkovito premikanje tiskalne glave, obširno vpliva na kvaliteto tiska. Želel sem minimalistični izgled, odprt prostor tiskanja in nevpadajoče konstrukcijske poteze. Držal sem se napotnic, spisanih v odstavku 4.1 in poskušal obdržati rdečo nit pri estetiki ter minimalizmu. Tiskalnik je snovan tako, da spodnji in zgornji nosilni element povezujejo kovinske palice, ki hkrati služijo kot linearna vodila za voziček. Več o tem sklopu je opisano v poglavju 5.2. Spodnji in zgornji nosilni element je sestavljen iz tiskane plastike, ki med seboj povezujejo navojne palice. Navojne palice so obdane v natisnjeno plastiko za lepšo estetiko. Podrobnosti nosilnih elementov so opisane v poglavju 5.1. Tiskalno glavo in vozičke povezujejo kroglični ležaji, ki so pritrjeni na karbonske cevi. Tiskalna glava je natisnjena in opremljena z vsemi potrebnimi luknjami za kroglične ležaje, tiskalno šobo in ventilacijo. Podrobnosti tiskalne glave so opisane v poglavju 5.3. Slika prikazuje izdelano zasnovo s programom AutoCAD 2015 Student, preizkusna različica izjemno zmogljivega programa. S programom sem se seznanil že v sklopu študija. Pridobljeno znanje sem preizkusil in nadgradil. 22

39 Slika 4.5.1: Zasnova tiskalnika 23

40 5. PREDSTAVITEV MEHANSKEGA DELA Mehanski del tiskalnika je sestavljen iz spodnjih in zgornjih nosilnih elementov, linearnih vodil oziroma pogonskega sklopa, tiskalne glave, tiskalne šobe in mehanizma za dovajanje filamenta. Natančna izvedba mehanskega dela je kritično pomembna za natančen tisk. V nadaljevanju sem opisal naštete mehanske dele Spodnji in zgornji nosilni element Slika prikazuje spodnji in zgornji nosilni element. Vključuje nosilce kovinskih palic in nosilce koračnih motorjev. Izdelani so iz srebrnega in prozornega PLA materiala in načrtovana v programskem paketu AutoCAD. Trije takšni kosi so med seboj povezani z navojnimi palicami. V sredini jih povezuje dimenzijsko enakovreden element, vendar ima v sredini namesto nosilca za motor praznino. Sredinski nosilni element je hkrati namenjen kot nosilec grelne postelje. Razdaljo med nosilci kovinskih palic in sredinskim nosilcem se nastavlja z maticami na navojnih palicah. Zgornja nosila so dimenzijsko enakovredna spodnjim, razlikujejo se le po funkciji. Namenjena so kot napenjalci jermenov oziroma pogonskega sklopa. Slika 5.1.1: Podrobnosti spodnjih in zgornjih nosilnih elementov 5.2. Linearna vodila in pogonski sklop Slika prikazuje linearna vodila. Izvedena so s kovinskimi palicami, z linearnimi ležaji, vozički in zobatim jermenom. Vozički so vpeti na linearne ležaje. Na vozičke je pritrjen zobati jermen in vpet med zobnikoma. En zobnik je vpet na motor, drugi na napenjalec jermena. Kovinske palice so svetlo-vlečeno jeklo, premera 10 mm. Palice so brušene ter polirane, kar zagotavljajo dobro drsno površino za ležaje. Izvedena morajo biti v visoki meri natančnosti. Odstopanja od premera 10 mm so lahko samo ± 0,1 %. Dosegati morajo dovolj veliko mero trdnosti. Kovinske palice so dolžine 1 m in v mojem primeru sem jih potreboval 9. Dosegajo minimalno površinsko trdoto 59 HRC (Metoda po Hugh M. Rockwell-u, kjer z uporabo stožca merimo trdoto materialov (koliko se 120 diamantni stožec zarine v material pri pritisku 150 N)). Linearni ležaji so standardni ležaji z oznako LME10-UU, ki zagotavljajo drsenje vozičkov po kovinskih palicah. Vozički so izdelani iz tiskane plastike in linearnih ležajev. Plastika je natisnjena s 3D tiskalnikom. Vozički premikajo tiskalno glavo. Skupaj elementi tvorijo pogonski sklop. 24

41 Slika 5.2.1: Linearna vodila in pogonski sklop 5.3. Tiskalna glava Slika prikazuje mehanski del tiskalne glave. Sestavljajo ga roke, vpenjalo rok in držalo grelne šobe ter ventilatorjev. Roke povezujejo vozičke in tiskalno glavo. Sestavljene so iz dvojnih krogličnih zglobov, ki jih povezuje karbonska cev. Kroglični zglobi so prvotno namenjeni za radijsko vodene avtomobile, znamke TRAXXAS, ti slovijo po zelo kvalitetni izdelavi in so skorajda brez zračnostni. Karbonske cevi so prvotno namenjene za izdelavo radijsko vodenih letal in imajo ravno prave lastnosti, da jih lahko uporabimo. Te lastnosti so trdnost, elastična deformacija in izjemno lahek material. Konstrukcija, ki sestavlja tiskalno glavo in drži tiskalno šobo, je natisnjena iz PLA plastike. Konstrukcija drži ventilator za hlajenje grelne šobe in tiskanega modela. Za vse našteto so vnaprej dimenzionirane luknje. Slika 5.3.1: Drobnogled okrasne plastike (levo), tiskalne glave in vozička (sredina) in povezava vozičkov ter tiskalne glave (desno) 25

42 5.4. Tiskalna šoba in mehanizem za dovajanje filamenta Tiskalna šoba je eden najbolj pomembnih elementov 3D tiskalnika. Različne šobe delujejo po istem principu. Najti jih je mogoče veliko, zato sem opisal dva najpopularnejša principa izdelave: - Šoba, ki je v celoti izdelana iz kovine (E3D ) in - kombinacija kovine in termo plastike (J-HEAD) Popularne tiskalne šobe na trgu Grelna šoba E3D Najpopularnejši izdelovalec tiskalnih šob in hkrati najdražji je E3D iz Velike Britanije. Izdelujejo precizno izdelane aluminijaste tiskalne šobe z medeninastimi končnimi šobami in vgrajenim nerjavečim jeklom za jedro. Končne šobe je možno menjati in nadomestiti s šobami, ki tiskajo z manjšimi premeri. V času pisanja te diplomske je na voljo E3D šesta generacija tiskalne šobe (Slika 5.4.1). Slika 5.4.1: Grelna šoba E3D VIR: [ ] Grelna šoba J-HEAD Naslednja šoba, ki se pogosto uporablja, je J-HEAD (Slika 5.4.2). Šoba je v okolici grelnega elementa medeninasta, ostali del je odlitek PEEK, ki je organska termo plastika. Kakovost tiska je slabša kot pri E3D grelni šobi in lahko tiska samo v rangu PLA in ABS materiala. Tiskanje drugih materialov s to šobo ni priporočljivo, saj termalno ni dovolj obstojna. V trenutku pisanja te diplome je na voljo sedma generacija te šobe. Slika 5.4.2: J-HEAD grelna šoba VIR: [ ] 26

43 Glede na ugotovljene lastnosti šob sem za svoj tiskalnik izbral J-HEAD šobo. Tiskalna šoba je izdelana, da sprejme material, premera 1,75 mm in tiska v premeru 0,4 mm. Šoba vsebuje keramični grelni element in termistor za meritev temperature. Tiskalna šoba tali material, tega je pa potrebno nekako dovajati do tiskalne šobe. Material dovajamo s pomočjo hladnega dela. Hladni del je prav tako pomemben dejavnik za kvalitetno in natančno izveden tisk. Glede na način dovajanja materiala v topli del, delimo hladni del v dve skupini: - direktni sistem (neposredno dovajanje) in - Bowden sistem (posredno dovajanje). Hladni in topli del tvorita tako imenovani ekstruder. V nadaljevanju sem opisal oba sistema dovajanja materiala, njune prednosti ter slabosti Direktni sistem dovajanja materiala Na trgu je direktni sistem (Slika 5.4.3) najpogosteje uporabljen, za dovajanje materiala. Na plastično konstrukcijo je vpet motor, ki ima reducirane vrtljaje za večji navor. Na gred je pritrjen manjši zobnik, ki potiska material ob nasprotno vpeti ležaj. Ustvarjen oprijem med ležajem in potisnim zobnikom potiska material v topli del, ki je pri tej metodi pritrjen tik za ležaj in zobnik. Sistem je dobro snovan in nadzor nad dovajanjem materiala zelo natančen. Pojavlja se malenkostna deformacija materiala med toplim in hladnim delom, vendar je ta zanemarljiva. Slabost sistema je masa, ki jo predstavlja tiskalna glava. Tiskalna glava je gibljiv del in vsaka dodana vztrajnost sistema zmanjšuje hitrosti tiskanja, saj tiskalna glava potrebuje daljši čas pospeševanja in zaviranja za doseganje dovolj dobre natančnosti tiskanja. Slika 5.4.3: Direktni sistem doziranja materiala VIR: [ ] 27

44 Sistem dovajanja materiala z Bowden cevjo Boeden cev je priljubljen sistem med Delta tiskalniki. Omogoči premik mase hladnega dela stran od tiskalne glave. Tako lahko tiskalnik hitreje tiska zaradi manjše vztrajnosti sistema. Sistem deluje v veliki meri kot direktni sistem. Uporablja isti princip potiskanja materiala med potisnim zobnikom in ležajem. Razlika je v povezavi toplega in hladnega dela. Za potisnim mehanizmom je PTFE cev, ki povezuje topli del s hladnim. Material PTFE se uporablja, ker ima visoko tališče (326,8 C) in predvsem nizek koeficienta trenja. Pri tem sistemu je potrebno biti pozoren, večja je dolžina cevi, večjo elastičnost dovajamo sistemu. Večja kot je elastičnost sistema, slabša je kvaliteta natisa. Hkrati je elastičnost največja slabost sistema. Druga slabost je potreba po večji potisni sili za dovajanje materiala. Z odmikom odvečne teže od tiskalne glave lahko ta doseže večje pospeške, hitrosti premika in posledično večjo natančnost pri tiskanju. Za svoj tiskalnik sem izbral Bowden sistem za doziranje materiala (Slika 5.4.4). Slika 5.4.4: Bowden sistem doziranja materiala VIR: [ ] 28

45 5.5. Postelja tiskalnika Posteljo tiskalnika (Slika 5.5.1) sestavljajo: - natisnjen plastični adapter, - aluminijasto nosilo postelje, - grelni element, - vzmeti in vijaki za uravnavanje grelne postelje in - steklo. Sredinski element spodnjega nosila in aluminijasto nosilo postelje povezuje plastični natisnjen adapter. Na aluminijasto nosilo so pričvrščeni štirje vijaki, ki služijo kot držalo grelnega elementa. Posteljo tiskalnika je z vijaki možno kalibrirati, da je ta čim bolj vodoravna. Na grelni element je položeno steklo, na katerega tiskalnik odlaga material. Grelna postelja je ključnega pomena za tiskanje materialov, ki se pri temperaturnih razlikah raztezajo (ABS). V primeru tiskanja samo s PLA materialom, postelje tiskalnika ni potrebno greti. Greta postelja pripomore h kvalitetnejši izdelavi modelov, saj z uravnavanjem temperature obdelovanca preprečuje torzijo in popačenja, ki so posledica raztezanja in krčenja materiala. Slika 5.5.1: Postelja tiskalnika 29

46 6. PREDSTAVITEV ELEKTRIČNEGA DELA 6.1. Senzorji Senzor temperature Za meritev temperature v šobi in grelnem elementu postelje je uporabljen termistor (Slika 6.1.1). Termistor je pričvrščen z vijakom ali s kepton trakom, da zagotavlja pritisk na greto ploskev in natančno meritev temperature. Slika 6.1.1: EPCOM 100k termistor VIR: [ ] Termistor spreminja upornost s temperaturo. Termistorjem, ki imajo pozitiven temperaturni koeficient, upornost narašča s temperaturo. Termistorjem, ki imajo negativni temperaturni koeficient, upornost pada s temperaturo (Slika 6.1.2). Slabost termistorjev je, da se pri prehodu temperature upornost ne spreminja linearno. Slika 6.1.2: Graf termistorja (upornost v odvisnosti od temperature) VIR: [ ] V odvisnosti od termistorja je potrebno izvesti umeritev vrednosti v programski kodi. Če uporabim termistor vrednosti 100 kω, umeritev ni potrebna. Standardno se za RepRap tiskalnike uporablja termistor proizvajalca EPCOS, vrednosti 100 kω z oznakami B57540G0104F000, ki sem ga tudi sam uporabil. 30

47 Končna stikala Končna stikala se uporabljajo za določevanje končnih pozicij tiskalnika. S končnimi stikali varujemo tiskalnik pred mehanskimi ali električnimi poškodbami. Pri Delta tipu tiskalnika potrebujem tri končna stikala na pogonskem sklopu. S stikali določam najvišje pozicije vozičkov. Ta točka, kjer so vključena vsa tri končna stikala, je izhodiščna točka tiskalnika. Sem se tiskalnik pred vsakim tiskanjem pomakne za orientiacijo. Izvedena so mehansko, optično ali s Hallovim pojavom. Vsak tip končnega stikala ima prednosti in slabosti. V nadaljevanju bom predstavil tipe končnih stikal Mehanska končna stikala Najcenejšo rešitev predstavljajo mehanska končna stikala (Slika 6.1.3). Ob vsakem pomikanju k izvoru je potrebno, da se vozički zaletijo v končno stikalo, kar lahko povzroči poškodbe ali deformacije v pogonskem sklopu. Slika 6.1.3: Mehansko končno stikalo VIR: [ ] Optična končna stikala Optična končna stikala (Slika 6.1.4) predstavljajo boljšo rešitev. Pogonski sklop se fizično več ne dotakne končnega stikala. Da se aktivira sistem, prekine tok svetlobe med lečo in LED. Pri optičnih stikalih je potrebno biti pozoren na leče, saj zaprašenost prepreči pravilno delovanje. Slika 6.1.4: Optično končno stikalo VIR: [ ] Hallova končna stikala Hallova končna stikala (Slika 6.1.5) so izmed naštetih najdražja. Predstavljajo dobre lastnosti optičnega in mehanskega stikala. Vozičkom se ni potrebno dotakniti končnega stikala in prah ter umazanija nimata vpliva na delovanje. Slika 6.1.5: Hallovo končno stikalo VIR: [ ] 31

48 Končna stikala v trenutku sprožitve prekinejo signal ali prepustijo signal. NO (normal open) stikala so v nesproženem stanju neprevodna, ob sprožitvi dajo signal. NC (normal closed) stikala so obratna predhodnim. Vsako stikalo potrebuje dovod napetosti, ki ustreza mikrokrmilniku, v mojem primeru je to 5 V. Za svoj tiskalnik sem izbral mehanska stikala, saj predstavljajo nizek strošek in zanesljivo delovanje Grelni elementi Grelec postelje Za grelni element postelje sem izbral PCB oziroma tiskano ploščo (Slika 6.2.1). Postelja je izdelana iz tiskane plošče, mm, iz katere je jedkan vzorec bakrenih povezav. Bakrene povezave morajo imeti skupno upornost med 1,2 Ω in 2 Ω, saj imamo tokovno omejitev 10 A pri 12 V. Omejitev narekuje napajalnik in MOSFET tranzistorji. Slika 6.2.1: PCB grelna površina za posteljo tiskalnika VIR: [ ] PCB metodo sem izbral, ker je ponujala končno rešitev. Pri drugih rešitvah je potrebna izdelava dodatnega vezja, posebnih nosil in načina pritrjevanja ter kovinsko grelno površino namesto steklene. Ostale pogoste metode, ki so uporabljene za gretje postelje: - kermični grelci (Slika 6.2.2), - uporovni grelci, - silikonski grelci (Slika 6.2.3). Slika 6.2.2: Keramični grelec za posteljo tiskalnika VIR: [ ] 32

49 Slika 6.2.3: Silikonski grelec za posteljo tiskalnika VIR: [ ] Grelec šobe Za gretje šobe se uporablja keramični grelec, moči 40 W pri 12 V (Slika 6.2.4). Grelec je premera 6 mm in dolžine 21 mm. Narejen iz nerjavečega jekla s keramičnim grelnim elementom. Slika 6.2.4: Keramični grelec za šobo VIR: [ ] Trenutno predstavlja edini način, ki se uporablja za segrevanje šobe. Pojavljajo se sicer eksperimentalne metode gretja kovine z indukcijo, vendar še niso ugledale proizvodnje Napajalnik Električni sistem potrebuje napajanje 12 V in zmogljivost toka 25 A. Skupna moč napajalnika mora biti najmanj 300 W. Uporabimo lahko napajalnik za LED-razsvetljavo, industrijski napajalnik ali ATX računalniški napajalnik. Najprimernejši napajalni sistem je ATX napajalnik. Vgrajene ima varovalne sisteme za prenapetosti, izravnavanje napetosti, možnosti vklopa in izklopa preko krmilih signalov, več napetostnih nivojev in veliko tokovno zmogljivost. Za svoj tiskalnik sem izbral 500 W ATX računalniški napajalnik, saj je v času nakupa bil najugodnejši napajalnik za moje potrebe (Slika 6.3.1). Slika 6.3.1: SL-500A ATX računalniški napajalnik VIR: [ ] 33

50 6.4. Krmilna elektronika V času pisanja diplomske naloge je na tgu več kot 20 različnih mikrokrmilnikov. Mikrokrmilniki omogočajo opravljanje in nadzor procesov v 3D tiskalnikih. Tabela 6.1 prikazuje 6 najpogostejših mikrokrmilnikov, uporabljenih v RepRap. Tabela 6.1: Najpogosteje uporabljeni mikrokrmilniki VIR: [ ] Arduino ATmega RAMPS 1,4 8-bit ATmega 2560 Sanguinololu 8-bit ATmega 1284P SmoothieBoard 32-bit ARM Cortex Azteeg 8-bit ATmega 1284P RAMBO 8-bit ATmega 2560 RUMBA 8-bit ATmega 2560 Po funkcijah se relativno malo razlikujejo, saj uporabljajo v večini isto programsko kodo. Pomembnejša razlika med samimi krmilniki so uporabljeni čipi. Standardno uporabljeni in cenovno ugodni krmilniki uporabljajo ATmega2560 ali ATmega1284P čipe. So 8-bitni in imajo takt procesorja med 16 in 20 MHz. Vsebujejo dovolj digitalnih ali analognih vhodov in izhodov, časovnikov, vmesnikov za povezovanje z računalniki ter drugimi napravami. Pomanjkljivost je hitrost procesorja, saj je prepočasen oziroma bolj natančno, ta omejuje hitrost tiskanja za tiskalnike tipa Delta, SCARA ali polarni tip. Tiskanje s počasnejšimi čipi je vseeno mogoče, le hitrost je manjša. Omejitev se pojavi zaradi počasnega takta procesorja in obsežne kode. Ko procesor izvaja kodo, se procesi ne morajo izvajati vzporedno. Če računalnik poda ukaz mikrokrmilniku in je ta že predelal kodo, kjer bere ukaze s strani računalnika, mora predelati celotni cikel kode preden se na ukaz odzove. To je opazno, če mora mikrokrmilnik predelati veliko zank (for, do while ). V primeru hitrejšega takta procesorja in možnosti vzporednih procesov, kot ga ima SmoothieBoard (32-bit, 120 MHz), se problematika izniči. Za izdelavo svojega tiskalnika sem uporabil Arduino Mega 2560, ki vsebuje čip ATmega Razlog za izbiro počasnejšega čipa je cena. Mikrokrmilnik Arduino, vmesnik krmilja in krmilniki motorjev predstavljajo tretjino cene SmoothieBoard mikrokrmilnika [7]. V nadaljevanju bom predstavil mikrokrmilnik, krmilnike motorjev, vmesnike in razširitve. 34

51 Arduino Mega 2560 mikrokrmilnik Arduino Mega 2560 (Slika 6.4.1) je mikrokrmilnik, ki temelji na ATmega 2560 čipu. Vsebuje 54 digitalnih vhodov, ki so hkrati tudi vhodi. 15 od teh je mogoče uporabiti kot pulznoširinsko modulirane izhode. Vsebuje 16 analognih izhodov/vhodov ter 4 UART razširitve (serijska povezava z drugimi mikrokrmilniki ali dodatki). Poganja ga 16 MHz kristal, ima možnost priključitve na računalnik z USB-vmesnikom, iz katerega se tudi napaja [9]. Slika 6.4.1: Arduino Mega 2560 VIR: [ ] Mikrokrmilnik ATmega 2560 programiramo preko USB-vmesnika. Za programiranje uporabimo programsko opremo Arduino IDE (Integrated Development Enviroment). Mikrokrmilnik ima prednaložen zaganjalec, da lahko novo programsko kodo nalagamo preko USB-vmesnika, sicer bi to bilo potrebno preko programatorja čipov. Za komunikacijo med računalnikom in čipom ATmega 2560 skrbi čip ATmega 16U2 [9]. Tabela 6.2 prikazuje lastnosti mikrokrmilnika. Tabela 6.2: Lastnosti mikrokrmilnika VIR: [ ] Delovna napetost 5 V Vhodna napetost (priporočena) 7 12 V Vhodna napetost (omejitve) 6-20 V Tok na vhodno/izhodnih priključkih 40 ma Tok na 3,3 V priključkih 30 ma FLASHROM 256 KB EEPROM 4 KB Dimenzije mm 35

52 6.5. Vmesnik povezav Vmesnik povezav skrbi za povezave med mikrokrmilnikom in napravami, kot so senzorji in druge komunikacijske naprave. Vsebuje tokovno zaščito za mikrokrmilnik in krmilnike motorjev, MOSFET tranzistorje za regulacijo grelnih elementov, hlajenja in nadzor servomotorjev. Za krmilnike motorjev so pripravljena priključna mesta in jih lahko vstavimo neposredno na vmesnik povezav. Tabela 6.3 prikazuje tehnične karakteristike, vmesnika RAMPS 1,4 (Slika 6.5.1) [7]. Slika 6.5.1: RAMPS 1,4 vmesnik povezav VIR: [ ] Tabela 6.3: Tehnične karakteristike RAMPS 1,4 VIR: [ ] Opis Naziv Tranzistorji MOSFET N-CH 60V 55A TO-220 Krmiljenje tranzistorjev PWM Podprti krmilniki motorjev DRV8825, DRV8824, A4988 Število podprtih krmilnikov motorjev 5 Zaščita za elektroniko PTC 30 V, vzdržni tok 5 A, prekinitveni tok 10 A Zaščita grelne postelje PTC zaščita. 30 V, vzdržni tok 11 A Razširitveni protokol I2C, SPI, RS232 Vmesnik je opremljen s stabilizatorjem in z regulatorjem napetosti ter potrebnimi priključnimi mesti za zunanji medij SD, LCD-zaslon in drugo. Vmesnik se imenuje tudi shield in ima komercialno poimenovanje RAMPS 1,4 [7]. 36

53 6.6. Razširitve za vmesnik povezav Vmesnik povezav je mogoče razširiti z razpoložljivimi I2C ali SPI protokoli. Na voljo so digitalni vhodi/izhodi, ki jih lahko koristimo za nadzor servomotorjev, relejev ipd. Svoj tiskalnik želim nadzirati oddaljeno preko bluetooth vmesnika in po potrebi preko LCD-zaslona. Dodal sem bralec zunanjega medija SD, da lahko tiskalnik deluje brez potrebe računalnika, telefona ali tabličnega računalnika. V nadaljevanju bom predstavil razširitvene vmesnike, ki sem jih dodal tiskalniku Bluetooth modul Slika prikazuje bluetooth modul. Modul omogoča brezžično povezovanje in komunikacijo mikrokrmilnika s prenosnikom, tabličnim računalnikom ali telefonom preko UART serijskega protokola. Modul, ki sem ga uporabil, je JY-MCU. Vmesnik podpira Bluetooth EDR tehnologijo, ki omogoča prenose do 3Mb/s [7]. Hitrost je zadovoljiva za prenose g-kode do tiskalnika. Tabela 6.4 prikazuje dodatne karakteristike bluetooth modula. Tabela 6.4: Tehnične karakteristike vmesnika JY-MCU Baud hitrost Dimenzije Napetost Proizvajalec bps mm 3,6 do 6 V Shenzhen Jiayuan Electronic Slika 6.6.1: Bluetooth vmesnik JY-MCU VIR: [ ] 37

54 LCD-zaslon Slika prikazuje vgrajen LCD-zaslon. Zaslon ima vgrajen bralec SD medijev, enkoder, piezo zvočnik in dve tipki za nadzor tiskalnika. Vmesnik omogoča izbiro in tiskanje iz SD kartice, kalibracijo z osi ter pomikanje tiskalne glave. LCD prikazuje stanje senzorjev, temperature, pozicijo tiskalne glave, čas tiskanja, jakost hlajenja, ime tiskanega modela ter opozarja na napake v sistemu [7]. Slika 6.6.2: GLCD vmesnik tiskalnika VIR: [ ] Modul je povezan z mikroprocesorjem preko 8-bitnega paralelnega vmesnika. Vmesnik uporablja 8 digitalnih vhodov/izhodov za podatke in 3 dodatne digitalne vhode/izhode za nadzor zaslona. Komercialno poimenovanje LCD-zaslona je GLCD (Full Graphic Smart Controller) [7]. Tabela 6.5 prikazuje karakteristike zaslona. Tabela 6.5: Lastnosti vmesnika GLCD VIR: [ ] Velikost matrike Število pikslov 8192 Napajanje 5 V Barva Modra Trajanje osvetlitve 1 30 s 38

55 6.7. Krmilniki motorjev Koračni motorji za delovanje potrebujejo krmilni sistem. Sistem dobiva informacijo za smer in korake iz mikrokrmilnika. Glede na število pulzov, krmilnik premakne HKM (Hibridni koračni motor) za isto število korakov. Na trgu so na voljo trije krmilniki motorjev, ki jih podpira vmesnik povezav RAMPS 1,4. Najpopularnejša krmilnika sta A4988 (Slika 6.7.1) in DRV8825 (Slika 6.7.3). Poimenovana sta po uporabljenem čipu, ki je namenjen za regulacijo HKM. Krmilniki imajo pripravljene izvodnice za povezavo s HKM in z mikrokrmilnikom. Vsebujejo potenciometer za nastavitev toka, ki ga čip dovaja motorju. Krmilnik dovaja HKM pulze v obliki konstantnega toka [10]. V nadaljevanju bom predstavil najpopularnejša krmilnika HKM Krmilnik A4988 Krmilnik je namenjen za regulacijo bipolarnih koračnih motorjev (Slika 6.7.1). A4988 podpira mikrokorak, ki polni korak razdeli na manjše korake. Z mikrokoraki koračnemu motorju povečam natančnost za ceno nekaj navora. A4988 podpira polovico, četrtino, osmino in šestnajstino koraka. Če imam motor, ki naredi 200 korakov pri 360, nastavim šestnajstino koraka in povečam število korakov na 3200 mikrokorakov za 360. Krmilnik A4988 vsebuje DMOS tranzistorje, ki omogočijo doseganja toka 2 A v primeru hlajenja čipa in frekvenco preklapljanja tranzistorjev 50 khz [9]. Slika 6.7.1: Krmilnik motorja A4988 VIR: [ ] 39

56 Lastnosti A4988: - varovanje pred previsokim tokom na strani motorja, - varovanje pred previsoko temperaturo čipa, - izbira med različnimi mikrokoraki (Tabela 6.6), - varovanje pred kratkim stikom, - podprte napetosti napajanja čipa 5 ali 3,3 V, - nastavitev toka skozi motor, - dimenzije, 15,24 20,32 mm, - teža, 1,5 g. Krmilnik napajamo na priključni strani motorja z napetostjo od 8 do 35 V. Na priključni strani mikrokrmilnika dovajamo napetost med 3,3 V in 5 V, kar je standard za čipe. Slika prikazuje priključno shemo za krmilnik motorja, HKM in mikrokrmilnik. Slika 6.7.2: Priklopna shema A4988 krmilnika motorja z motorjem in mikrokrmilnikom VIR: [ ] Tabela 6.6: Tabela za izbiro mikrokorakov pri A4988 VIR: [ ] Priključek MS1 Priključek MS2 Priključek MS3 Mikrokorak 0 V 0 V 0 V Polni korak 5 V 0 V 0 V Polovica koraka 0 V 5 V 0 V Četrtina koraka 5 V 5 V 0 V Osmina koraka 5 V 5 V 5 V Šestnajstina koraka 40

57 Krmilnik DRV8825 Krmilniki so opremljeni s čipom proizvajalca Texas Instruments DRV8825 (Slika 6.7.3). Čip je dimenzijsko enak predhodnemu A4988 krmilniku, kar omogoča enostavno nadgradnjo. Narejeni so za regulacijo bipolarnih koračnih motorjev. Uporablja isti sistem nadzora korakov kot A4988. Za razliko od A4988 je DRV8825 naprednejši, saj uporablja zmogljivejše MOSFET tranzistorje. Tokovno so zmogljivejši, ampak imajo daljše preklopne čase. Krmilnik lahko dovaja tok v HKM do 2,5 A, če je čip hlajen oziroma 1,5 A konstantnega toka, če ni hlajen. Pomembna prednost čipa je povečana vrednost mikrokoraka, saj omogoča dvaintridesetino koraka. S čipom lahko dosežemo 6400 mikrokorakov pri HKM z 200 koraki na 360 [9]. Slika 6.7.3: Krmilnik motorja DRV8825 VIR: [ ] Druge lastnosti DRV8825: - varovanje pred previsokim tokom na strani motorja, - varovanje pred previsoko temperaturo čipa, - inteligentni nadzor nad tokom vgrajen v čip, - naprednejša možnost hlajenja čipa, - stanje spanja z nizkim tokom, - izbira med različnimi mikrokoraki (Tabela 6.7), - varovanje pred kratkim stikom, - podprti mikrokrmilniki z napetostmi 5 ali 3,3 V, - nastavitev toka skozi motor s potencimetrom, - preklopna frekvenca MOSFET tranzistorjev je 30 khz, - dimenzije, 15,24 20,32 mm, - teža, 1,5 g. 41

58 Krmilnik je zmožen sprejeti napetost na strani motorja od 8 do 45 V in delovati do toka 2,5 A pri ustreznem hlajenju. Slika prikazuje priključno shemo za krmilnik motorja, HKM in mikrokrmilnik. Slika 6.7.4: Priklopna shema DRV8825 krmilnika motorja z motorjem in mikrokrmilnikom VIR: [ ] Tabela 6.7: Tabela za izbiro mikrokorakov pri DRV8825 VIR: [ ] Priključek MS1 Priključek MS2 Priključek MS3 Mikrokorak 0 V 0 V 0 V Polni korak 5 V 0 V 0 V Polovica koraka 0 V 5 V 0 V Četrtina koraka 5 V 5 V 0 V Osmina koraka 0 V 0 V 5 V Šestnajstina koraka 5 V 0 V 5 V Dvaintridesetina koraka 0 V 5 V 5 V Dvaintridesetina koraka 5 V 5 V 5 V Dvaintridesetina koraka Za svoj tiskalnik sem uporabil A4988 krmilnik zaradi cene. Prav tako je šestnajstina koraka dovolj, da dosežem željeno natančnost tiskanja z uporabljenimi zobniki v pogonskem sklopu. 42

59 6.8. Motorji Najpopularnejši motorji, ki se uporabljajo za izdelavo 3D tiskalnikov, so NEMA 17 HKM. Slika 6.8.1(a) prikazuje Nema 17-hibridni koračni bipolarni motor. Slika 6.8.1(a): NEMA 17-koračni motor Razlog za uporabo koračnih motorjev je predvsem cena. Zmožni so slediti referenci, ki jih prejema krmilnik motorjev brez povratne zanke. Mikrokrmilnik predpostavi, da je motor opravil predvideno število korakov. V primeru izvedbe z drugimi tipi motorjev bi potreboval senzor za meritev pomika, kar podraži izdelavo tiskalnika. NEMA je okrajšava za National Electrical Manufacturers Association. Predstavlja združenje v Ameriki za standardizacijo električne in zdravstvene opreme. Zaradi uporabe izraza NEMA v RepRap skupnosti, je ta postal sinonim za koračne motorje. Koračni motorji se klasificirajo po premeru oziroma velikosti (DD), načinu pritrjevanja (MM), dolžini paketa (LLL), zmogljivosti toka po fazi (CCC), razredu izolacije (I), napetosti na tuljavah (VVV), številu korakov (SSS) in načinu vezave (W) [7]. Označevanje : "NEMA" DD MM LLL CCC I VVV SSS W Čeprav je označevanje standardizirano, se ga proizvajalci poredkoma držijo. Vpeljejo svoje oznake, ki jih je težavno interpretirati [7]. Tabela 6.8 prikazuje karakteristiko uporabljenih motorjev. Pri izbiri koračnega motorja je potrebno upoštevati maso in pospeševanje, ki jo bo motor premagoval. Ker izdelujem Delta tiskalnik, ni potrebe po premagovanju velikih mas. Iz tega razloga ne potrebujem motorja z velikim zdržnim momentom in navorom. 43

60 Tabela 6.8: Tehnične karakteristike uporabljenih motorjev VIR: [ ] Model 17HSR Tip Bipolarni Velikost NEMA17 (42mm 42mm) Korak 1,8 /360 Tok 2,0 A/fazo Upornost 6,2 Ω Induktivnost 7,7 mh Zadržni moment 44 N/cm Dolžina paketa 34 mm Premer gredi 5 mm Teža 0,20 kg Število izvodov 4 Število faz 2 Natančnost koraka ± 5 % Dovoljena temperatura motorja 80 C Temperatura ambienta Od -10 C do 50 C Koračni motorji, ki spadajo v NEMA 17 standard je več in si delijo osnovne lastnosti: - dimenzija gredi, - dimenzija prednje ploskve in oboda, - razmak vijakov, - uporabljeni materiali. Nekatere razlike so: - dolžina paketa, - število korakov, - notranje upornosti tuljav, - induktivnosti, - tok skozi tuljave, - napetost na sponkah, - zadržni moment, - vztrajnostni moment, - število priključnih žic... 44

61 7. PREIZKUS KORAČNIH MOTORJEV V sklopu diplomskega dela sem opravil preizkus uporabljenih HKM in krmilnikov motorjev. Preveril sem odzive, izračunal parametre, opravil preizkus mejnih frekvenc in preizkusil krmiliti HKM brez krmilnika motorja. Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.(b) prikazuje testno platformo, ki je sestavljena iz mikrokrmilnika Arduino PRO Mini, krmilnika motorja A4988, dveh potenciometrov in dveh priključkov za dovod napetosti do motorja in mikroprocesorja ter krmilnika motorja. Mikrokrmilnik ima enakovreden procesor Arduinu Mega 2560 v višini 16 MHz z manj vhodno/izhodnimi enotami. Slika 6.8.1(b): Priključna shema testne platforme Za testiranje sem pripravil program, ki na digitalni izhod 9 mikrokrmilnika pošilja PWM signal. Signal lahko spreminjam od 1 20 khz in prav tako širino pulza. Amplituda ostaja vedno 5 V. Digitalni izhod 8 daje signal krmilniku motorjev podatek o smeri. Potenciometra služita za nastavljanje frekvence in širine pulza. Tabela 7.1: Program mikrokrmilnika #include <PWM.h>; int pin_pulse = 9; int sirina_pulsa = 0; int32_t frekvenca = 0; void setup(); {InitTimersSafe(); } void berinastavi_frekvenco(); { int frekvenca = analogread(a1); 45

62 frekvenca = map (frekvenca, 0, 1023, 0, 2200); SetPinFrequencySafe(pin_pulse, frekvenca); } void loop(); { berinastavi_frekvenco(); int sirina_pulsa = analogread(a0); sirina_pulsa = map (sirina_pulsa, 0, 1023, 0, 300); pwmwrite(pin_pulse, sirina_pulsa/4); delay(30); } Program (Tabela 7.1Napaka! Vira sklicevanja ni bilo mogoče najti.) je spisan v programskem jeziku C in ima vključeno knjižico, ki omogoča PWM izhod na mikrokrmilnik Splošno o koračnih motorjih Koračni motor je elektromehanski sistem, ki pretvarja digitalne električne impulze v precizne pomike gredi. Način podajanja pulzov je direktno povezan s smerjo vrtenja, frekvenca pulzov pa je direktno povezana s hitrostjo vrtenja [10]. Koračni motorji so se pričeli uporabljati v 1920-ih letih, vendar so pravi razcvet doživeli v obdobju računalništva in digitalnih sistemov. Uporabljeni so v industriji, medicini in v vojski [11]. Izvedeni so lahko s trajnimi magneti, z mehko magnetno kotvo oziroma reluktančnimi motorji ali kot kombinacija obeh, torej hibridni motor. Koračne pogonske sisteme uporabljamo za pozicioniranje brez povratnega odziva. Pri tem zagotavljajo visok vrtilni moment pri majhnih kotnih hitrostih. Koračni motorji spadajo pod kategorijo izmeničnih sinhronskih strojev [12]. Ker koračni motorji ne potrebujejo povratne zanke, je cena končnega izdelka drastično nižja, kot bi uporabljali DC servomotorje s senzorji (Slika 7.1.1). Slika 7.1.1: Shematski prikaz zank VIR: [ ] Koračni motorji ne dosegajo vrtilnega momenta kot ga dosegajo enosmerni ali drugi motorji, namenjeni so doseganju nižjih obratov, saj z obrati izgubljajo navor (Slika 7.1.2). Ob premajhnem navoru motor prične preskakovati korake [13]. 46

63 Slika 7.1.2: Graf navora v odvisnosti od vrtljajev (splošno) VIR: [ ] Koračni motorji s spremenljivo reluktanco Konstrukcijsko najenostavnejša izvedba koračnega motorja. Sestavljen je iz mehkomagnetnega jedra, ki ima več izraženih polov na rotorju in statorju. Je edini tip koračnega motorja, ki ne uporablja trajnih magnetov. Motorji morajo biti za vrtenje v obe smeri 3-fazne izdelave. Statorske pakete zlagamo enega nad drugim z zamikom polov, saj tako dosežemo večji navor (Slika 7.1.3) [14]. Slika 7.1.3: Prečni prerez koračnega reluktančnega motorja z vertikalno zloženim statorjem A->B->C VIR: [ ] Rotor in stator sta izdelana iz lameliranega železa, skupaj tvorita en paket. Statorski paketi v primeru zlaganja med seboj magnetno niso povezani [12]. Motor ima vedno manj rotorskih polov kot statorskih. Tako zagotovimo, da se poravna samo en par rotorskih in statorskih polov, ko napajamo tuljavo. Tuljave se vključujejo v parih polov in skupaj sestavljajo eno fazo. Vsak par polov si je nasproten in zamaknjen za 180. Za trifazni motor s štirimi poli na rotorju in šestimi poli na statorju lahko izračunamo s pomočjo enačbe (7.1.1), da ima motor v enem obratu natančnost koraka 30 [12]. 47

64 (N N ) α 360 (NS N R) S R = α - korak v stopinjah N - število izraženih polov rotorja R N - število izraženih polov statorja S (7.1.1) Slika prikazuje prečni prerez reluktančnega koračnega motorja. Vidimo lahko, kako deluje pomik gredi in kakšna mora biti sekvenca vključevanja tuljav, da dosežemo zamik rotorja za 60. A1 B1 C2 A2 B2 C1 Slika 7.1.4: Prečni prerez koračnega motorja z variabilno reluktanco (3- fazni, 4-je poli rotorja, 6 polov statorja) VIR: [ ] Ko vključimo tuljavo A1 in A2, ustvarimo magnetno polje, namagneti mehkomagnetno jedro in ga privlači, dokler se poli rotorja in statorja ne poravnajo. Ob poravnavi se zmanjša magnetna upornost (reluktanca), saj se zmanjša zračna reža. Izključimo tuljavo A1 in A2 ter vključimo tuljavo B1 in B2. Motor opravi 30 zasuka. Ostane še izklop B sklopa in vklop C sklopa tuljav. Skupaj opravimo 60 zasuka rotorja. Sledijo ponovitve, dokler ne priredimo motorju 1 obrat [12]. Tabela 7.2 prikazuje sekvenco vključevanja tuljav reluktančnega motorja glede na kot zasuka. 48

65 Tabela 7.2: Sekvenca vključevanja tuljav, za polni kot zasuka, koračnega motorja s spremenljivo reluktanco Tuljave Cikel A1 in A2 B1 in B2 C1 in C2 Kot zasuka Vključena X X 0 1 X Vključena X 30 X X Vključena 60 Vključena X X 90 2 X Vključena X 120 X X Vključena 150 Vključena X X X Vključena X 210 X X Vključena 240 Vključena X X X Vključena X 300 X X Vključena Vključena X X 360 Koračni motorji s spremenljivo reluktanco se redko uporabljajo zaradi velikih korakov. Težko dosežejo natančnejši korak kot 15 [16]. 49

66 Koračni motorji s trajnimi magneti Konstrukcijsko so podobni koračnim motorjem s spremenljivo reluktanco. Namesto mehkomagnetnega rotorja, je uporabljen rotor s trajnimi magneti. S trajnimi magneti dosegam večji zadržni moment. Plast A Plast A Plast B Plast B Slika 7.1.5: Koračni motor s trajnimi magneti VIR: [ ] Koračni motorji s trajnimi magneti imajo korak med 7,5 in 90. Slika prikazuje tipično konstrukcijo koračnega motorja s trajnimi magneti. Sestavljen je iz plasti, ki so med seboj zamaknjene za 90 [14]. Kot primer vzamem 4 polni, 2-fazni motor in si pogledam, kako deluje. Tabela 7.3 prikazuje, kako je potrebno prožiti tuljave motorja, da se ta zavrti (Slika 7.1.6). Slika 7.1.6: Prečni prerez koračnega motorja s trajnimi magneti (2- fazni, 1 pol rotorja, 2 pola statorja) VIR: [ ] Vključim tuljavo A in ustvarim magnetno polje, ki privlači nasprotno polariziran pol trajnega magneta rotorja. Rotor in stator se poravnata. Izključim tuljavo A ter vključim tuljavo B in motor opravi 90. Nato izklopim B sklop in vključim A sklop z negativno napetostjo. Izklopim negativno napetost A ter vključim negativno napetost na B tuljavi. Skupaj se rotor zavrti za 360 [14]. 50

67 Tabela 7.3: Sekvenca vključevanja tuljav, za polno rotacijo, koračnega motorja s trajnimi magneti Tuljave Cikel A B Kot zasuka Pozitivna napetost Negativna napetost Pozitivna napetost Vključena X 0 X Vključena 90 Vključena X 180 X Vključena 270 Vključena X 360 Koračne motorje s trajnimi magneti velikokrat najdemo v 2D tiskalnikih za podajanje papirja Hibridni koračni motorji HKM združi lastnosti koračnega motorja s trajnimi magneti in koračnega motorja s spremenljivo reluktanco. Rotor je sestavljen iz aksialno namagnetenih trajnih magnetov in mehkomagnetne kovine, ki sestavlja izražene pole na rotorju. Koračni hibridni motorji tipično dosegajo natančnost med 72 in 800 koračnih pomikov (med 5 in 0,45 ) [11]. Slika 7.1.7: Prečni prerez hibridnega koračnega motorja (1,8 korak, 4-fazni, 8 statorskih polov in 200 rotorskih ) VIR: [ ] Slika prikazuje izražene pole HKM. Poli omogočajo dosti boljšo distribucijo magnetnega sklepa in tako zmanjšajo prehajanje fluksa skozi zračno režo. Posledično ima motor boljši zadržni moment in dinamični navor kot ga imata predhodno opisana motorja [10]. Izraženi poli rotorja so med seboj zamaknjeni za 3,6, da sta različno namagnetena aksialna dela zamaknjena (Slika 7.1.8) [11]. 51

68 Slika 7.1.8: Uprizoritev zamika aksialno namagnetenih rotorjev VIR: [ ] Rotor motorja sestavljata dva kosa lameliranega, mehkomagnetnega materiala, ki imata po 50 izraženih polov. Razmak med poli rotorja je 7,2. Rotor povezuje aksialno namagneten trajni magnet (Slika 7.1.8). Stator je navit tako, da sta pola, ki sta zamaknjena med sabo 90, različne polaritete, nasprotna pola (180 ) pa iste polaritete. Če pride do spremembe smeri toka, se spremeni polariteta polov. Ko pritisnemo napetost na tuljavo A, se postavi magnetno polje. Poli, ki so zamaknjeni za 90, so nasprotno polarizirani, poli zamaknjeni za 180 so isto polarizirani. Rotor se pomakne nasprotno polariziranim polom statorja. Če želim spet pomakniti rotor, moram prožiti B tuljavo. Zamika med rotorskimi poli in statorskimi poli je konstrukcijska lastnost motorja. Zamik je ¼ zoba rotorja. Ob proženju B tuljave se rotor pomakne za 1,8 (7,2 /4). Sedaj ponavljamo sekvenco proženja A, B, -A, -B in rotor se za vsako proženje zavrti za 1,8 [16] Resonanca in nihanje rotorja koračnih motorjev Resonanca pri koračnih motorjih se pojavlja zaradi načina vrtenja. Motorji nimajo konstantnega kroženja, ampak se pomikajo korak za korakom. Pri premiku iz enega koraka v drugega se pojavi prehodno stanje, dokler se rotor motorja čisto ne ustavi. Prehodni pojav se zgodi zaradi vztrajnosti sistema. Rotor preseže njegov korak, ampak ne napreduje, ker ga magnetno polje pritegne nazaj. Rotor v okolici magnetnega polja nekoliko zaniha, dokler se ta popolnoma ne ustavi (Slika 7.1.9). V primeru konstantnega koračenja se ta prehodni pojav ne izniha, saj je čas med koraki premajhen [16]. Slika 7.1.9: Odziv pozicije rotorja na proženje enega koraka VIR: [ ] 52

69 Pri HKM je potrebno biti pozoren na njihovo naravno resonanco. Pri naravni resonanci motor prične proizvajati močne vibracije zaradi intenzivnejših prehodnih pojavov [16] Priključevanje HKM Koračne motorje delimo na unipolarne in bipolarne. Pri bipolarnih motorjih imamo dva para žic, vezane na tuljave motorja. Vsak par žic proži svojo tuljavo. Unipolarni motor ima dva para po tri žice. Vsak par žic proži svojo tuljavo s to razliko, da je ena žica nameščena v sredino tuljave (Slika ). Bipolarni motorji so pogostejši, premorejo večji navor in so cenejši. Unipolarni motorji imajo boljše odzive na višje hitrosti [16]. Slika : Shema tuljav pri bipolarnem (desno) in unipolarnem (levo) motorju VIR: [ ] Unipolarni motorji pri istih konstrukcijskih lastnostih dosegajo manjše navore. Uporabljajo manj toka za magnetenje polov. Zaradi krajših tuljav je magnetni pretok in navor manjši. Dobra lastnost je, da jih lahko priključimo kot bipolarne Navor, koračna frekvenca in vrtljaji Najpomembnejša lastnost koračnih motorjev je njegova odvisnost navora od koračne frekvence oziroma obratov (Slika ). Navor je tudi v veliki meri odvisen od krmilnika motorja, saj ta narekuje dovoljeno napetost in tok. Slika : Graf navora v odvisnosti od frekvence koračnih motorjev [12] Iz grafa je možno razbrati vse ključne podatke koračnega motorja. Pomembnejši podatek je zadržni navor, ki motor poskuša držati v stacionarnem stanju. Drugi pomemben podatek je mejna frekvenca, kjer rotor še uspe slediti magnetnemu polju. Mejna zagonska frekvenca nam pove, pri kateri frekvenci je mogoče motor vključiti, brez da bi izgubljal korake. Krivulji 1. in 2. kažeta delovanje motorja pri določenem vztrajnostnem momentu [17]. 53

70 7.2. Meritve hibridnega koračnega motorja Za preizkus delovanja HKM sem uporabil vhodno/izhodni vmesnik MyDAQ proizvajalca National Instruments. Vmesnik omogoča: - meritev analognih veličin v območju od -10 do +10 V, - meritev dveh analognih signalov, - krmiljenje dveh analognih izhodov v območju od -10 do +10 V, - uporabo 8 digitalnih vhodov/izhodov v območju 0 do 5 V, - avdio vhod in izhod, - uporabo digitalnega multimetra Vmesnik priključimo na USB-vhod računalnika. Vmesnik ne potrebuje dodatnega napajanja. Za uporabo vmesnika služi programsko orodje ELVIS, ki omogoča uporabo vmesnika kot: - merilni instrument, - funkcijski generator, - osciloskop Vmesnik lahko uporabljamo v okviru Matlaba, ni pa možna uporaba iz Simulinka. Zato sem za uporabo vmesnika v zanki uporabil LabVIEW, ki to omogoča. Naredil sem naslednje preizkuse HKM: - meritve parametrov HKM, - krmiljenje HKM brez uporabe krmilnika motorja, - meritev frekvenčnega obsega delovanja HKM Meritev parametrov HKM Izmeriti in izračunati sem želel naslednje parametre: - upornost, - induktivnost, - vztrajnostni moment, - koeficient viskoznega trenja, - moment suhega trenja, - magnetnega sklepa trajnega magneta, - hitrost HKM glede na frekvenco pulzov na vhodu motorskega krmilnika Meritev upornosti Izmeril sem upornost ene faze statorskega navitja HKM pri sobni temperaturi 24 C. Za meritev sem uporabil vmesnik MyDAQ. Meritev je pokazala upornost 6,6 Ω Meritev induktivnosti motorja Za izračun induktivnosti motorja potrebujemo podatek o upornosti tuljave, napetost in odziv toka pri zavrtem rotorju. Na statorsko navitje motorja z zavrtim rotorjem smo priključili napetost, ki smo jo stopnično spremenili iz 0 V na 10 V. Izmerili smo časovni potek rotorskega toka. Kot izvor napetosti in merilnik toka sem uporabil vmesnik MyDAQ. Paziti sem moral na tok, da ne pregrejem navitja. Uporabil sem tokovne klešče z ojačanjem 100 mv/a. 54

71 Za izračun induktivnosti potrebujemo še odčitek električne časovne konstante. Slika prikazuje časovni potek statorskega toka. Iz krivulje časovnega poteka sem odčital časovno konstanto odziva člena prvega reda. Konstanto odčitam, ko tok doseže 63 % njegove največje vrednosti. U 100 % 63 % TT e t Slika 7.2.1: Časovni potek statorskega toka pri zavrtem rotorju 2 ms/div, 100 mv/div Časovno konstanto TT e sem odčital s pomočjo programa IrfanView. Pri 63 % toka sem odčital razdaljo in izračunal časovno konstanto. Časovno konstanto TT e = 1,3 ms vstavim v enačbo (7.2.1) in izračunam induktivnost. e 3 1,3 10 6,6 8,7 mh L= TR= = L - induktivnost navitja (H) R - upornost navitja (R) T e - električna časovna konstanta (s) (7.2.1) Meritev vzrajnostnega momenta rotorja Vztrajnostni moment rotorja sem izračunal na osnovi poznane geometrije rotorja (Slika 6.8.1(a)). Rotor sem poenostavljeno obravnaval kot disk, za katerega sem vztrajnostni moment izračunal z enačbo (7.2.2). S pomočjo tehtnice sem izmeril maso rotorja. J 2 mr 0, = = = kgm J 2 - vztrajnostni moment (kgm ) m - masa rotorja (kg) r - polmer rotorja (m) (7.2.2) Meritev magnetnega sklepa trajnega magneta Meritev magnetnega sklepa sem izvedel pri odprtih sponkah koračnega motorja. Izvajam meritev inducirane napetosti statorja v eni fazi. Koračni motor poganjam preko sklopljene gredi 55

72 z EM Transmotec D4387. Z digitalnim tahometrom UNIMER rotaro vzporedno izvajam meritev obratov na gredi. ψ m 30 E p π n 2 π 1483 m = = = 1, 27 Vs ψ maksimalni magnetni sklep (Vs) m p število polov E inducirana napetost (V) s n 1 število obratov (min ) (7.2.3) Meritev koeficienta viskoznega trenja in momenta suhega trenja Koeficient viskoznega trenja HKM sem izmeril posredno preko momentnih karakteristik. Meritev sem izvedel tako, da sem uporabil dodatni pomožni enosmerni motor, ki je bil povezan z gredjo HKM. HKM je imel odprte sponke. Najprej sem izmeril momentno karakteristiko samega pomožnega motorja s sklopko, iz katerega sem odčital moment suhega trenja in izračunal koeficient viskoznega trenja. Nato sem izmeril momentno karakteristiko s sklopljenim HKM in izračunal skupni koeficient viskoznega trenja ter odčital moment suhega trenja. Same podatke za HKM sem dobil kot razliko obeh dobljenih vrednosti. Tabela 7.4 prikazuje rezultate meritev momentne karakteristike. Navorna konstanta KK M za izračun trenja TT e za izbrani EM znaša KK M = 0,03 (Nm/A). Za izračun TT e sem uporabil enačbo TT e = II A KK M (Nm). Tabela 7.4: Meritev momentne karakteristike Enosmerni motor Enosmerni motor in HKM Napetost EM [V] Vrtljaji [min^-1] Vrtljaji [rad/s] Tok EM [A] Te [Nm] Vrtljaji [min^-1] Vrtljaji [rad/s] Tok EM [A] Te [Nm] 0, , , ,111 0, ,143 0, ,0 74 7, ,205 0, ,318 0, , , ,190 0, ,455 0, , , ,195 0, , ,482 0, , , ,203 0, , ,523 0, , , ,201 0, , ,567 0, , , ,216 0, , ,606 0, , , ,222 0, , ,643 0, , , ,228 0, , ,685 0, , , ,235 0, , ,715 0, , , ,240 0, , ,755 0, , , ,245 0, , ,79 0,0237 6, , ,248 0, , ,824 0, , , ,252 0, , ,856 0, , , ,260 0, , ,888 0, , , ,263 0, , ,927 0, , , ,267 0, , ,953 0, , , ,271 0, , ,983 0, , , ,275 0, , ,01 0, , , ,280 0, , ,04 0,0312 Slika prikazuje momentno karakteristiko EM (rdeča) in momentno karakteristiko EM s HKM (modro). 56

73 Slika :Graf momentne karakteristike Obe momentni karakteristiki smo aproksimirali z linearno funkcijo in iz grafa odčitali moment suhega trenja ter izračunali koeficient viskoznega trenja za obe karakteristiki. Samo EM: - TT C - moment suhega trenja = 0,0055 Nm - kk vt - koeficient viskoznega trenja = 0, Nm/min EM in HKM: - TT C - moment suhega trenja = 0,0153 Nm - kk vt - koeficient viskoznega trenja = 0, Nm/min Dobljene rezultate med seboj odštejemo in dobimo podatke HKM: - TT C moment suhega trenja = 0,0098 Nm - kk vt - koeficient viskoznega trenja = 0, Nm/min Meritev obratov v odvisnosti od frekvence Za normalno delovanje potrebuje HKM krmilnik motorja, ki generira potrebne pulze za napetosti za statorsko navitje. Za krmiljenje HKM vodim na digitalni vhod krmilnika signal s pravokotnimi pulzi v območju od 0 5 V. Hitrost HKM nastavljam s frekvenco pulzov, ki jih vodim na digitalni vhod krmilnika motorja. V nadaljevanju sem izmeril povezavo med frekvenco pulzov in vrtljaji HKM. Frekvenco sem spreminjal po intervalih 100 Hz. Tabela 7.5 prikazuje meritve odvisnosti frekvence pulzov in vrtljajev. 57

74 Tabela 7.5: Meritve frekvence pulzov in obratov koračnega motorja Frekvenca [Hz] Obrati [ ] Slika 7.2.3: Graf obratov v odvisnosti od frekvence pulzov Slika prikazuje linearno odvisnost frekvence in vrtljajev. Krmilnik motorja napajam z napetostjo 16,61 V, ki je hkrati napetost motorja. Krmilnik motorja oddaja konstanten tok vrednosti 1,5 A. Meritev sem ponovil pri nižji napetosti 12V, pri čemer sem ugotovil, da je napetost prenizka za doseganje 900 Hz. Pri tej napetosti je dosegal najvišjo frekvenco, 800 Hz. Pri višji frekvenci je motor zaradi prenizkega navora ustavilo. Krmilnik motorja je še vedno vrtel magnetno polje, kar je bilo slišno z visokofrekvenčnim zvokom. 58

75 Krmiljenje HKM brez uporabe motorskega krmilnika Želel sem preizkusiti delovanje HKM brez krmilnika motorja tako, da smo samo generirali pulze. Rotor ima 50 izraženih polov. Če želimo pomakniti rotor za 1 zob, moramo prožiti tuljave v določenem zaporedju (Slika 7.2.4). Vsak impulz na tuljavi predstavlja pomaknitev rotorja za 1,8, štirje impulzi zavrtijo rotor za 7,2. Slika prikazuje premik rotorja HKM za 2 zoba. U(V) Napetost 1. faze 0V Napetost 2. faze 0V Slika 7.2.4: Zaporedje proženja tuljav za 1 zob t(s) Krmilje sem izdelal v programskem paketu LabVIEW. LabVIEW omogoča, da s pomočjo virtualnih instrumentov ustvarim pravilno sekvenco proženja pulzov. Slika prikazuje izdelano blokovno shemo programa za tvorjenje pulzov. Ker program deluje v zanki, je potrebno opredeliti število ponovitev. Vsaka ponovitev pomeni pomaknitev gredi motorja za 7,2. Slika 7.2.5: Program LabVIEW - Blokovna shema programa 59

76 Pulze generiram na analognih izhodih vmesnika MyDAQ. Analogni izhod 0 krmili prvo fazo, analogni izhod 1 krmili drugo fazo. Slika prikazuje časovni potek generiranih pulzov. Čas trajanja pulzov so dolgi med med 11,3 ms in 13 ms. Zeleni pulzi predstavljajo napetost prve faze ali faze A, modri pa napetost druge faze ali faze B. Slika 7.2.6: Časovni potek napetostnih impulzov; 200 ms/razdelek, 5 V/razdelek V programu AutoCAD sem izdelal šablono za sledenje pomika gredi. Krog sem razdelil na 50 razdelkov in pripravil, da se poravna z zunanjimi merami motorja (Slika 7.2.7). V primeru, da so pulzi generirani in delujejo po pravilni sekvenci se kazalec premakne za dva razdelka (Slika 7.2.8). 42 O22 7,2 42 Slika 7.2.7: Predloga za nadzor natančnosti koraka 60

77 Slika 7.2.8: Pomik koračnega motorja za 2 zoba Zanimal me je tudi potek tokov ob koračenju motorja. S tokovnimi kleščami sem izmeril tokovni odziv na obeh fazah HKM ob koračenju. Tokovne klešče z ojačanjem 100 mv/a sem povezal na analogna vhoda vmesnika MyDAQ. Slika 7.2.9: Časovni potek tokovnih impulzov ms/razdelek, 50 mv/razdelek Izmeril sem tokovne konice, ki so merile 1,49 A. Tok hkrati predstavlja največjo zmogljivost uporabljenih ojačevalnikov. Slika prikazuje časovni potek tokov na tuljavah HKM pri koračenju. Tokovni pulzi trajajo med 11,3 in 13 ms, potrebujejo 6,6 ms, da dosežejo polno amplitudo in 4 ms, da dosežejo 0. Slika prikazuje časovni potek toka na fazah HKM. Na drugi fazi HKM (modra) je viden prehodni pojav, ko je prva faza pod napetostjo in izvede korak, hkrati zaniha v drugi fazi, kjer se inducira napetost. 61

78 Slika : Časovni potek tokovnih impulzov na fazah HKM - 2 ms/razdelek, 50 mv/razdelek Preizkus stopnice z mejno zagonsko frekvenco Zanimalo me je frekvenčno območje, v katerem vrtljaji motorja sledijo referenčni vhodni frekvenci pulzov. Pričakovano je, da obstaja zgornja frekvenčna meja, dokler bo še HKM lahko sledil referenci. V ta namen smo spreminjali frekvenco funkcijskega generatorja tako dolgo, dokler nismo ugotovili, da HKM ne more več slediti referenci. Za meritev hitrosti HKM sem uporabil (EM) taho generator. Po sistematičnem preizkušanju sem ugotovil, da HKM sledi vhodni referenci do 270 vrtljajev pri napetosti HKM 16,61 V. Frekvenca digitalnih krmilnih pulzov na vhodu krmilnika motorja znaša 900 Hz. Slika prikazuje časovni odziv napetosti taho generatorja v primeru referenčnega signala krmilnika na pospešitev HKM na mejno frekvenco. Ob trenutku priklopa napetosti se motor odzove in pospeši do 270 obratov na minuto ali 900 Hz. Slika : Časovni potek HKM v primeru vhodne frekvence krmilnika pulzov na krmilnik motorja 900 Hz 50 ms/razdelek, 500 mv/razdelek (zelen), 2 V/razdelek (moder) 62

79 Slika nam prikazuje časovni potek, kjer je viden prehodni pojav vrtljajev EM motorja. Rotor koračnega motorja pospeši iz 0 do 900 Hz ali 270 obratov, jih preseže in niha v okolici do končnega prehodnega pojava. Čas, v katerem se sistem izniha, je ms. Vidno je tudi veliko prisotnega šuma zaradi koračenja koračnega motorja. Izmeriti želim časovni potek taho generatorja, kjer je viden odziv, ko HKM ne more več slediti referenčni vrednosti pulzov v krmilnik motorja. Slika prikazuje časovni potek odziva (EM) taho generatorja, kjer HKM ne more več slediti referenčni frekvenci pulzov v krmilnik motorja. Časovni potek prikazuje, da se HKM poskuša zavrteti, vendar nima navora; prisotno veliko šuma zaradi vibracij, ker krmilnik motorja poskuša zavrteti HKM. Slika : Časovni potek EM pri preveliki referenčni frekvenci pulzov v krmilnik motorja HKM 200 ms/razdelek, 2 V/razdelek (zelen), 200 mv/razdelek (moder) 63

80 8. PROGRAMSKA OPREMA ZA NADZOR IN DELO S TISKALNIKOM Za delo s tiskalnikom potrebujem štiri orodja. Najprej potrebujem program, s katerim programiramo mikrokrmilnik. Sledi program za izdelavo 3D modela in program, ki bo 3D model razrezal ter predelal v strojno kodo. Zadnji program, ki ga potrebujem je za nadzor tiskalnika. Po kalibraciji tiskalnika prvega programa ne potrebujem več, saj mikrokrmilnika ne bom več programiral Programiranje mikrokrmilnika Mikrokrokrmilnik ima ob nakupu že prednaložen zaganjalnik, kar omogoča programiranje preko USB-vmesnika. Za programiranje uporabljamo programsko opremo z imenom Arduino IDK, ki je odprtokodna programska oprema. Omogoča spreminjanje programske kode preko vgrajenega tekstovnega vmesnika. Vsebuje razhroščevalnik in funkcijo izgradnje programske kode. Skupek funkcij se imenuje IDE (Integrated development enviroment) (Slika 8.1.1) [7]. Slika 8.1.1: Arduino IDE z osnovno skico Blink VIR: [ ] Program, spisan v okolju Arduino, se imenuje skica. Za nalaganje skice je potrebno izbrati pravi mikrokrmilnik v nastavitvah Arduino vmesnika in pravilna komunikacijska vrata. Ko izberem vse našteto, lahko skico naložim na mikrokrmilnik [7]. 64

81 Arduino programsko okolje je spisano v Javi, C in C++. Licencirano pod GPL licenco, kar nam omogoča prosto uporabo programskega okolja [7]. Ko program spišem in ukažem, naj se program naloži v mikrokrmilnik, okolje IDE skico dodela. Doda main() funkcijo in uporabi v programskem okolju vdelane programe, kot so AVRDUDE, da skico naloži v mikrokrmilnik. Arduino temelji na Atmelovih mikrokrmilnikih [7] Sistemski program mikrokrmilnika (firmware) Trenutno obstajajo trije sistemski programi, ki podpirajo Delta tip tiskalnika. To so Repetier, Marlin in Smoothieware. Smoothieware ne deluje na Arduinu. Sistemski program ali firmware skrbi za delovanje sistemov, nadzoruje pomike tiskalnika, se odzive na strojno kodo. Narejeni so v sodelovanju mnogih programerjev skupnosti RepRap. Na voljo pod GPL licenco. Za pravilno delovanje tiskalnika je potrebno sistemski program prilagoditi tiskalniku. Spremeniti je potrebno parametre, s katerimi tiskalnik računa koordinate za pomik tiskalne glave. Prav tako je potrebno prilagoditi sistemski program na pravilne parametre pogonskega sklopa, prilagoditi glede na uporabljene termistorje, grelne elemente, geometrijo tiskalnika in ekstruderja Programi za izdelavo 3D modelov Pri izbiri programa za izris in delo s 3D modeli imamo na voljo dve možnosti. Ena možnost je, da izberemo napredno programsko orodje, ki je drago. Kot alternativa je brezplačna odprtokodna programska oprema, ki je sicer manj zmogljiva, ampak ima očitno finančno prednost. Programi, ki jih bom v nadaljevanju naštel, so bili v času nastajanja diplomske pogosteje v uporabi s strani RepRap skupnosti Plačljiva programska oprema Najbolj priljubljeni programi za delo s 3D modeli so 3DS MAX, proizvajalca Autodesk ali AutoCAD, ki si ga lasti isto podjetje. Naslednji popularni program je SolidWorks, ki se uporablja za delo v mehaniki, elektroniki in analizi sistemov ter ponuja napredno orodje za izdelavo modelov. Google SketchUp PRO je program, ki je namenjen za hitro izdelavo prototipov in je eden izmed cenejših. Vsak od naštetih proizvajalcev nudi programsko opremo za preizkusno obdobje. V nekaterih primerih (AutoCAD) lahko pridobim prilagojeno programsko opremo za študente. Sam sem preizkusil vse naštete programe in ugotovil, da sem za resno delo uporabljal program SolidWork (Slika 8.2.1). Našteta programska oprema je medseboj primerljiva. 65

82 Slika 8.2.1: Programsko okolje SolidWorks Odprtokodna programska oprema Popularnejša programska oprema: - OpenSCAD - Blender - FreeCAD Našteta orodja imajo možnost, da jih poganjamo direktno iz računalnika. Imamo pa na voljo tudi programsko opremo, ki je na voljo samo kot internetna aplikacija. Za uporabo potrebujemo povezavo z internetom. Takšna programska oprema je : - 3DTin - TinkerCAD Našteta programska oprema je sicer odprtokodna, vendar je manj napredna kakor komercialne rešitve. Iz tega razloga je podjetje Autodesk pripravilo program 123D Design, ki je postal eden najbolj priljubljenih programov za enostavno izdelavo 3D modelov (Slika 8.2.2). Slika 8.2.2: Program 123D Design proizvajalca Autodesk VIR: [ ] 66

83 8.3. Programi za pripravo strojne kode (slicer programi ali razrezovalnik) Slicer programi so orodja, ki pretvorijo 3D model v strojno kodo (G-kodo). Strojno kodo mikrokrmilnik tolmači kot ukaze za pomik tiskalne glave. Programi 3D model razkosajo na mnogo reznin. Vsak program se na svoj način loti generiranja strojne kode in upošteva lastne algoritme generiranja poti za tiskalno glavo. Kar povzroča vprašanje, kateri program je primeren za določen tip tiskalnika in način tiskanja. Slika 8.3.1: Generator G-kode Slic3r Pri pregledu programov za generiranje strojne kode sta najbolj izstopala Slic3r (Slika 8.3.1) in Cura (Slika 8.3.2). Oba imata izjemno veliko možnosti nastavljanja parametrov razreza 3D modela, kako bosta generirala polnitev, kolikšna bo natančnost tiskanja, temperature pri tiskanju in uporabljen material. Slika 8.3.2: Generator G-kode Cura 67

84 8.4. Programi za interpretacijo, pošiljanje G-kode ter nadzor tiskalnika Gostiteljski programi so izdelani za pošiljanje ukazov mikrokrmilniku. Tipični programi so Cura, Pronterface in Repetier-Host. Našteti programi so si enakovredni po uporabnosti in se razlikujejo le po vmesniku ter nekaj dodatnih funkcionalnosti. Cura (Slika 8.4.1) je gostiteljski program, ki je celovita rešitev za 3D tiskalnik. Ponuja vgrajen razrezovalnik modelov, pripravo modelov, shranjevanje G-kode in tiskanje. Programu primanjkuje le nadzor nad pomikom tiskalne glave, kar je za komercialne rešitve tiskalnikov zadovoljivo, za tiskalnike lastne izdelave pa potrebujemo večji nadzor nad raznimi elementi tiskalnika. Slika 8.4.1: Program Cura Pronterface (Slika 8.4.2) je gostiteljski program, izdelan s sodelovanjem skupnosti RepRap. Program je bolj odprt tiskalnikom lastne izdelave. Omogoča integracijo razrezovalnikov, nadzor elementov tiskalnika, kot je pomikanje tiskalne glave, nadzor gretja šobe in tiskalne postelje. Posledično lahko s tem programom izvedemo kalibracijo tiskalnika. Slika 8.4.2: Program Pronterface 68

85 Zadnji gostiteljski program, ki je namenjen za nadzor tiskalnika, je Repetier-Host (Slika 8.4.3). Programska oprema je prosto dostopna kot predhodno opisani Pronterface. V povezavi z Repetier firmware je programska oprema izmed naprednejših rešitev, ki so trenutno na voljo. Program ima vgrajen razrezovalnik, možnost manipulacije 3D modela, nadzor pomika in temperatur, naprednejši način konfiguracije in kalibracije tiskalnika preko EEPROM vmesnika. Slika 8.4.3: Program Repetier-Host Za nadzor lastnega tiskalnika sem uporabil program Repetier-Host, saj je pri Delta tiskalnikih potrebno opraviti zahteven postopek konfiguracije. Repetier-Host z uporabo Repetier firmwara zmanjša težavnost in čas kalibracije. 69

86 9. PRIMER DELOVANJA TISKALNIKA IN OCENA 9.1. Izdelava testnega modela Za testiranje delovanja tiskalnika sem izdelal model sfere v SolidWorks programu. Modelu sem izdelal podstavek in tekst, ki bo obdajal sfero. Podstavek sfere bo dimenzije mm, na katerem bo podstavek in sfera, premera 30 mm. Skupna višina modela bo 43,6 mm (Slika 9.1.1). Slika 9.1.1: Ustvarjen testni model v programu SolidWorks Pri izdelavi modelov je potrebno biti pozoren na določena pravila, izdelave 3D modela: - širina luknjice končne šobe, skozi katero tiskalnik odlaga plastiko, je premera 0,4 mm, kar pomeni, da ne moremo tiskati objekte z manjšimi dimenzijami, - potrebno je biti pozoren na previse. Če je previs prevelik, je tiskanje onemogočeno, saj se plastika ne more trditi dovolj hitro, - elementi se ne smejo dotikati, saj če se bodo dotikali, jih bo tiskalnik interpretiral kot enotni kos, - tolerance so pri tiskanju s FFF tehnologijo večje, zato je potrebno gibljive elemente dimenzionirati z vsaj 0,2 mm tolerancami. Ko izdelamo model, ga shranimo in izvozimo v.stl datoteko. To datoteko podpirajo vsi razrezovalniki Nastavitev parametrov tiskanja Parametre tiskanja nastavljamo v razrezovalniku. Za preizkus sem uporabil Slic3r razrezovalnik, ki omogoča naprednejše nastavitve za tiskanje. V razrezovalniku vnesemo prostorsko orientacijo modela. Izberemo nastavitve in vnesemo parametre. Tabela 9.1 prikazuje izbrane parametre tiskanja, ki jih izberem v nastavitvah programa Slic3r. 70

87 Tabela 9.1: Tabela parametrov tiskanja Višina ene plasti Hitrost tiskanja Hitrost tiskanja notranjih predelov Hitrost polnjenja 0,1 mm 100 mm/s 80 mm/s 100 mm/s Temperatura končne šobe 210 C Temperaturne grelne postelje 60 C Debelina spodnje plasti 0,2 mm Število polnih polnitev spodnje plasti 3 Število polnitev zgornjih plasti 3 Debelina zunanjih sten Oblika polnitve 1 mm Pravokotna Kot polnitve 45 Polnitev 30 % Premer filamenta Premer končne šobe Gradnja podpornega materiala 1,75 mm 0,4 mm Onemogočena Razrezovalnik element razreže po nastavljenih parametrih in jih zapolni z nastavljenim procentom polnitve. Polnitev je odvisna od tega, koliko hočem, da je element strukturno tog, saj je lahko votel ali zapolnjen s plastiko. Ta lastnost je dobrodošla, ko želim prihraniti na strošku materiala. Razrezan model shranim v G-kodo oziroma strojno kodo. Uvozim v gostiteljski program. Gostiteljski program povežem s tiskalnikom preko USB- ali bluetooth vmesnika. Pritisnem tipko natisni in tiskalnik prične tiskati. 71

88 9.3. Ocena produkta Za tiskanje sem izbral parametre, ki sem si jih zadal v snovanju tiskalnika (poglavje 4.1). Pri ocenjevanju natisnjenega izdelka sem bil pozoren na natančnost in nepravilnosti, ki jih printer vnaša v model. Pri testnem modelu (Slika 9.3.1) je vidno odstopanje v X osi za 2 % in v Y osi za 3 %, glede na dimenzije modela. Odstopanje je posledica nepravilne kalibracije tiskalnika ali vnesenih parametrov v firmware mikrokrmilnika. Višina plasti je višja za 0,1 mm. Zaradi hitrosti tiskanja je premikanje mase tiskalne glave ustvarilo nihanje konstrukcije tiskalnika. Posledično je natis bil manj natančen in popačilo je končni izgled modela. Slika 9.3.1: Natisnjen testni model 72