Εισαγωγή

To 3d printing ή adaptive manufacturing είναι η διαδικασία κατασκευής τρισδιάστατων αντικειμένων τοποθετώντας διαδοχικά στρώσεις υλικού τη μία πάνω στην άλλη. Μερικά από τα βασικά είδη μηχανημάτων τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι τα εξής:

FDM ή FFF: Τα μηχανήματα αυτά λιώνουν νήμα πλαστικού και το τοποθετούν σε στρώσεις για να δημιουργήσουν αντικείμενα. Λόγω του χαμηλού κόστους και της ευκολίας χρήσης  είναι το πιο διαδεδομένο είδος (κρίνοντας από τον αριθμό μηχανημάτων).

Βασικά λειτουργικά μέρη εκτυπωτή FDM: Το πλαστικό νήμα (filament) οδηγείται στη θερμαινόμενη μύτη (heated nozzle) όπου λιώνει και τοποθετείται σε στρώσεις για να δημιουργήσει αντικείμενα.

Εικ.: Παράδειγμα απλού εκτυπωτή FDM

SLS: Τα αντικείμενα δημιουργούνται λιώνοντας υλικό σε μορφή σκόνης με laser. Η σκόνη στερεοποιείται και κάθε φορά τοποθετείται καινούργια στρώση για να συνεχιστεί η διαδικασία. Αυτή η μέθοδος είναι χρήσιμη για την κατασκευή πλαστικών αλλά και μεταλλικών αντικειμένων. Χρησιμοποιείται κυρίως για την κατασκευή πρωτοτύπων σε βιομηχανίες καθώς τα μηχανήματα είναι πολύ ακριβά για προσωπική χρήση.

Εικ.: Καθαρισμός κομματιών από εκτυπωτή SLS

• Ø Σύντομο βίντεο με την ολοκληρωμένη διαδικασία: https://www.youtube.com/watch?v=u6c6XdFGxi4

Resin printers (SLA, LCD, DLP): Είναι η μέθοδος κατασκευής αντικειμένων με τη χρήση φωτοευαίσθητων υγρών (resin) τα οποία με την έκθεσή τους σε ορισμένα είδη ακτινοβολίας στερεοποιούνται σε στρώσεις δημιουργώντας αντικείμενα. Αυτά τα είδη εκτυπωτών είναι φημισμένα για την ταχύτητα και την ακρίβεια των κομματιών που παράγουν, είναι ιδανικά για περίπλοκα μηχανικά μέρη και μινιατούρες.

Βασικά λειτουργικά μέρη εκτυπωτή SLA: Το laser με τη βοήθεια ενός καθρέφτη (deflection mirror), στερεοποιεί το φωτοευαίσθητο υγρό (resin) σε στρώσεις. Κάθε φορά που τελειώνει μια στρώση, η πλάκα (build platform) μετακινείται προς τα πάνω κάνοντας χώρο για την επόμενη. Πολλές φορές, όπως και στους εκτυπωτές FDM, χρησιμοποιούνται υποστηρίγματα (supports) για να διευκολύνουν την εκτύπωση, τα οποία αφαιρούνται αργότερα όταν το αντικείμενο ολοκληρωθεί.

• Ανάλυση ειδών εκτυπωτών resin: https://pick3dprinter.com/3d-printed-resin/

Εικ.: Εκτυπωτής SLA γραφείου

• Αναλυτικός οδηγός χρήσης για εκτυπωτές SLA: https://formlabs.com/blog/ultimate-guide-to-stereolithography-sla-3d-printing/

Η ολοκληρωμένη διαδικασία είναι κοινή για όλα τα παραπάνω είδη και διαχωρίζεται σε διάφορα στάδια:

1. Ιδέα και σχέδιο σε χαρτί
2. Ψηφιακό σχέδιο στον υπολογιστή
3. Μετατροπή σχεδίου σε εντολές για τον εκτυπωτή
4. Εκτύπωση και καθαρισμός του τελικού κομματιού

Το κάθε στάδιο είναι ένα ολόκληρο θέμα από μόνο του, οπότε σήμερα θα ασχοληθούμε μόνο με το τελευταίο δηλαδή το ίδιο το μηχάνημα.

Γιατί να αγοράσετε έναν τρισδιάστατο εκτυπωτή;

Ο τρισδιάστατος εκτυπωτής σας επιτρέπει να φτιάξετε οτιδήποτε με σχετικά μικρή προσπάθεια, είναι ένα εξαιρετικό εργαλείο εκμάθησης σχεδίου και μπορεί να χρησιμοποιηθεί ακόμα και για την παραγωγή και πώληση προϊόντων. Είτε το θέλετε για να φτιάχνετε μικροπράγματα στο σπίτι, είτε για την υλοποίηση πρωτότυπων ιδεών, ο τρισδιάστατος εκτυπωτής  είναι ένα επαναστατικό μηχάνημα  με απίστευτες δυνατότητες.

Κυρίως Μέρος

Προσωπικά, έχω εμπειρία με τρισδιάστατους εκτυπωτές τύπου FFF ή FDM (ουσιαστικά είναι το ίδιο πράγμα) και πιο συγκεκριμένα με τον Ender 3 της Creality. Για αυτό, όσες αναλύσεις κάνω από εδώ και πέρα, αφορούν ΜΟΝΟ τους εκτυπωτές FFF και FDM.

Εικ.: Σύγκριση τελικών κομματιών από διάφορα είδη εκτυπωτών. Το συγκεκριμένο κομμάτι είναι ένα περίτεχνος πύργος με πολλές μικρές λεπτομέρειες, ιδανικό για εκτυπωτές SLA, παρ’ όλ’ αυτά  ένα κομμάτι μέτριας ποιότητας από εκτυπωτή FDM είναι συγκρίσιμο και σε αυτή την περίπτωση.

Εκτυπωτές FFF ή FDM

Για να κατανοήσετε καλύτερα πως λειτουργούν οι εκτυπωτές FDM, θα αναλύσω μερικά από τα βασικά τους μέρη. Ως  το τέλος αυτού του άρθρου όχι μόνο θα γνωρίζετε τη λειτουργία τους, αλλά θα είστε σε θέση να αξιολογήσετε το μηχάνημα σε περίπτωση που αποφασίσετε αργότερα να αποκτήσετε έναν δικό σας. Ακολουθεί μια εικόνα με τα μέρη που θα αναλυθούν, ως σημείο αναφοράς για τη θέση των κομματιών σε ένα φθηνό μηχάνημα όπως ο Ender 3.

Εικ.: Βασικά μέρη απλού εκτυπωτή FDM

Σασί (Frame)

Το σασί είναι ουσιαστικά τα υλικά κατασκευής του εκτυπωτή τα οποία στηρίζουν όλα τα ηλεκτρονικά και κινούμενα μέρη. Υπάρχουν δύο βασικά είδη, οι εκτυπωτές που αποτελούνται αποκλειστικά από μπάρες v-slot και αυτοί που χρησιμοποιούν linear rods ή linear rails για τα κινούμενα μέρη. Και τα δύο είδη είναι εξίσου αποτελεσματικά, απλώς στην πρώτη περίπτωση ο χρήστης πρέπει να φροντίσει οι ροδέλες (v-wheels) που εφάπτονται στις μπάρες v-slot να είναι αρκετά σφιχτές, ενώ στην περίπτωση των linear rods να λαδώνει συχνά τα ρουλεμάν (linear bearings).

Εικ.: Παράδειγμα εκτυπωτή με μπάρες v-slot

Εικ.: Παράδειγμα εκτυπωτή που διαθέτει linear rods/arrows για όλους τους άξονες κίνησης

Προωθητής πλαστικού (extuder)

Ρυθμίζει τη ροή του πλαστικού νήματος (filament) και είναι ένα από τα σημαντικότερα μέρη του εκτυπωτή. Το πιο απλό είδος είναι ο προωθητής με ένα γρανάζι και ένα ρουλεμάν (single gear extruder). Σε αυτή την περίπτωση, το ρουλεμάν (pulley) πιέζει το πλαστικό πάνω στα δόντια του γραναζιού και με την κίνηση του γραναζιού προωθείται το πλαστικό. Άλλο είδος είναι ο προωθητής με δύο γρανάζια (dual gear extruder). Σε σύγκριση με το προηγούμενο είδος αυτό είναι  πιο αξιόπιστο, αφού δύο επιφάνειες πιέζουν ταυτόχρονα το πλαστικό εξασφαλίζοντας τη σταθερή ροή του.

Εικ.: Τοποθεσία κομματιών single gear και dual gear extruder

Direct extruder ή Bowden tube setup;

Γενικά, ο προωθητής πλαστικού (extruder) προτιμάται να τοποθετείται ακριβώς πάνω από την θερμαινόμενη μύτη (direct extruder) καθώς επιτρέπει την εκτύπωση ελαστικών υλικών (flexibles). Μηχανήματα, όπως ο Ender 3, τοποθετούν τον προωθητή πλαστικού σε ένα σταθερό σημείο του εκτυπωτή μακριά από τη μύτη και τον συνδέουν με σωλήνα ptfe (bowden tube setup) αλλά λόγω της απόστασης τα ελαστικά πλαστικά μπορεί να συμπιεστούν και να τεντωθούν μέσα στον σωλήνα δημιουργώντας προβλήματα κατά την εκτύπωση.  Η ιδανική περίπτωση είναι η συγχώνευση των δύο σε ένα (extruder και hotend) όπως το hotend-extruder «Hemera» της E3D.

Εικ.: Παραστατικές εικόνες τύπων extruder. Στην πρώτη απεικονίζεται  ένα μηχάνημα με bowden tube setup και στη δεύτερη με direct extruder

Εικ.: Απεικόνιση των κομματιών του σύστηματος Hemera, ένα από τα καλύτερα hotend-extruder συστήματα για εκτυπωτές FDM.

Εικ.: Ολοκληρωμένη εγκατάσταση συστήματος E3D Hemera πάνω σε εκτυπωτή με μπάρες v-slot.

Μηχανισμός θερμαινόμενης μύτης (Hotend)

Ο προωθητής (extruder) ωθεί το πλαστικό σε ένα ακόμα σημαντικό μέρος του εκτυπωτή, τον μηχανισμό θερμαινόμενης μύτης. Αυτός ο μηχανισμός αποτελείται από διάφορα μέρη, αλλά ουσιαστικά λιώνει το πλαστικό και το εκκρίνει από την κορυφή της μύτης δημιουργώντας τις στρώσεις.

Μέρη hotend

Εικ.: Το εσωτερικό ενός hotend

• Pneumatic coupler: Εξασφαλίζει ότι ο σωλήνας PTFE ή Τeflon δεν μετακινείται.
• Σύστημα ψύξης (heatsink και heat break): Εξασφαλίζει ότι η ανώτερη περιοχή παραμένει αρκετά κρύα, ώστε να μην λιώσει το πλαστικό και βουλώσει η μύτη (clogging). Αυτό το μέρος λειτουργεί σε συνεργασία με τον ανεμιστήρα hotend.
• Heat block: Εκεί τοποθετείται το θερμόμετρο (thermistor) μαζί με τον μηχανισμό θέρμανσης (heater cartridge). Η θερμότητα μεταφέρεται από το heater μέσω του heat block στη μύτη (nozzle) και ρυθμίζεται από τον θερμοστάτη. Ως συνήθως, για να μειωθούν οι απώλειες θερμότητας του heat block, χρησιμοποιείται κάλυμμα από πυρίτιο (silicon sock).
• Μύτη (nozzle): Οι μύτες έχουν διάφορες διαμέτρους, ανάλογα με τη χρήση. Οι πολύ λεπτές είναι για μικρά κομμάτια με λεπτομέρεια, ενώ οι παχύτερες για δραστική επιτάχυνση της εκτύπωσης. Η πιο συχνή διάμετρος είναι 0.4mm.

Εικ.: Απεικόνιση hotend σε πολλούς από τους φθηνότερους εκτυπωτές της creality

Εικ.: Σε αυτήν την εικόνα είναι εμφανές και το σύστημα ψύξης.

Ανεμιστήρες (Hotend fan και Part cooling fan)

Οι εκτυπωτές FFF φέρουν δύο είδη ανεμιστήρων, ο ανεμιστήρας του hotend (hotend fan) φυσάει πάνω στο heatsink συμβάλλοντας στη μείωση της θερμοκρασίας της ανώτερης περιοχής του hotend. Ο άλλος ανεμιστήρας φυσάει την κορυφή της θερμαινόμενης μύτης για να στερεοποιήσει γρήγορα το λιωμένο πλαστικό βελτιώνοντας την επιφάνεια του κομματιού και τη ποιότητα των γεφυρωμάτων (bridging).

Εικ.: Οι δύο τύποι ανεμιστήρων

Θερμαινόμενη πλάκα (Heat bed)

Οι εκτυπωτές διαθέτουν θερμαινόμενες πλάκες (heat beds) κάτω από την επιφάνεια εκτύπωσης (3d printing surface) για να κρατάν τα κομμάτια σταθερά κατά τη διάρκεια της εκτύπωσης. Όπως και το heatblock η θερμαινόμενη πλάκα διαθέτει θερμόμετρο και μηχανισμό θέρμανσης (heating element). Ανεβάζοντας τη θερμοκρασία στο σημείο όπου το πλαστικό μαλακώνει (heat-deflection temperature), η πρώτη στρώση παραμένει επίπεδη και κολλάει γερά πάνω στην επιφάνεια εκτύπωσης.

Επιφάνεια εκτύπωσης (3d printing surface)

Σε συνδυασμό με τη θερμαινόμενη πλάκα εξασφαλίζουν τη σταθερότητα των κομματιών. Υπάρχουν διάφορα είδη επιφανειών ανάλογα με το υλικό της εκτύπωσης. Μερικές επιφάνειες καλύπτονται από στρώσεις άλλων υλικών για μεγαλύτερη αποτελεσματικότητα, όπως ειδικά σπρέι και κόλλες. Αυτές οι επικαλύψεις ανανεώνονται όταν χρειαστεί.

• Ø Αναλυτικό άρθρο για τις επιφάνειες εκτύπωσης: https://www.matterhackers.com/news/choosing-the-right-3d-print-bed-surface

Βηματικοί κινητήρες (Stepper motors)

Χρησιμοποιούνται σε μηχανήματα αυτού του είδους για τη μετακίνηση των αξόνων λόγω της ακρίβειας τους και των σχετικά χαμηλών τιμών. Όπως προδίδουν και το όνομά τους, κινητήρες τέτοιου τύπου μετακινούνται σε στάδια (steps). Οι τρισδιάστατοι εκτυπωτές έχουν τέσσερις κινητήρες stepper, τρεις για την κίνηση της μύτης στους τρεις άξονες και έναν για τον προωθητή του πλαστικού.

Εικ.: Κινητήρας stepper NEMA 17, ένα από τα συνηθέστερα είδη σε εκτυπωτές FDM. Ο συγκεκριμένος είναι υπεύθυνος για τη κίνηση του extruder, ελέγχοντας τη ροή του πλαστικού.

• Ø Σύντομο βίντεο σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των κινητήρων stepper: https://www.youtube.com/watch?v=eyqwLiowZiU

Κεντρική πλακέτα (Mainboard)

Η πλακέτα αυτή είναι ο εγκέφαλος του εκτυπωτή και το σημείο που συνδέονται όλα τα ηλεκτρονικά μέρη. Είναι υπεύθυνη για την εκτέλεση του προγράμματος gcode και ανάλογα με το είδος (8 Bit, 16 Bit, 32 Bit) διαφέρουν σε υπολογιστική δύναμη υποδεικνύοντας την ικανότητά τους να χειριστούν περίπλοκες εκτυπώσεις. Σημαντικό κομμάτι της είναι επίσης οι stepper drivers, οι οποίοι ελέγχουν την κίνηση των κινητήρων stepper. Καλής ποιότητας drivers έχουν τη δυνατότητα να κάνουν τον εκτυπωτή σχεδόν και αθόρυβο.

Εικ.: Παράδειγμα κεντρικής πλακέτας τρισδιάστατου εκτυπωτή. Ο Ender3 -όπως και πολλοί άλλοι εκτυπωτές- έχουν και αναβαθμισμένες πλακέτες που μπορούν να εγκατασταθούν βελτιώνοντας την εμπειρία χρήσης.

Οθόνη (Display screen)

Υπάρχουν δύο είδη, οι απλές οθόνες με ροδέλα και οι οθόνες αφής. Επιτρέπουν στον χρήστη να επιλέξει το πρόγραμμα και να αλλάξει ορισμένες ρυθμίσεις ανάλογα με την κεντρική πλακέτα και το λογισμικό που φέρει το μηχάνημα. Το πιο διαδεδομένο είναι οθόνη με ροδέλα καθώς είναι φθηνό και αποτελεσματικό.

Εικ.: Απλό σύστημα οθόνης με ροδέλα.

Τροφοδοτικό (Power supply)

Παρέχει ρεύμα στον εκτυπωτή με διακόπτη που ρυθμίζει την τάση ανάλογα με την περιοχή. Εδώ θα ήταν ένα καλό σημείο να αναφέρουμε ότι οι εκτυπωτές δεν καταναλώνουν πολύ ρεύμα και το μεγαλύτερο μέρος αυτού είναι για την θέρμανση της πλάκας, η οποία σε ορισμένες περιπτώσεις δεν είναι απαραίτητη για να κωλύσει το κομμάτι στην επιφάνεια της εκτύπωσης.

•  Βίντεο για την κατανάλωση ρεύματος εκτυπωτών FDM: https://www.youtube.com/watch?v=HYzbFli5RUs