Druk 3D

Czy druk 3D to wynalazek na miarę prasy drukarskiej Gutenberga? Czy można spodziewać się, że za kilka lat w każdym domu będzie stała odpowiednia maszyna, drukująca na poczekaniu brakujące przedmioty? Niestety nie – technologia póki co jest jeszcze na początkowym etapie rozwoju.

Koncepcja druku w trzech wymiarach narodziła się w 1984 roku, kiedy Charles Hull opracował tzw. stereolitografię, umożliwiającą tworzenie przedmiotów na podstawie pliku cyfrowego. Technologia działała w oparciu o proces utwardzania żywicy światłem lasera. W uproszczeniu: światło lasera utwardzało na powierzchni warstwę płynnej żywicy, obiekt zanurzał się w głąb zbiornika z żywicą, laser utwardzał kolejną warstwę itd. Po skończeniu druku wystarczyło wyjąć wydruk z płynnej żywicy.

W 1988 roku Scott Crump opracował technologię FDM, czyli osadzania stopionego materiału. Drukowanie polega na nakładaniu kolejnych warstw z roztopionej plastycznej cienkiej żyłki. Obecnie większość popularnych drukarek stosuje właśnie tę metodę. Najczęściej stosowanym materiałem jest PLA. Kilogramowa rolka nici PLA (filamentu) kosztuje ok. 80 zł i wystarcza na sporo wydruków.

Większość tańszych modeli to rozwiązania wykorzystujące technologię RepRap opartą na licencji GNU. Ideą tego projektu jest „samopowielanie” się drukarek 3D – czyli drukarka jest w stanie sama wydrukować elementy potrzebne do stworzenia kolejnej. Oczywiście jest to pewne uproszczenie, niemniej możliwe jest zbudowanie takiego urządzenia w domu przez zdolnego konstruktora.

Budowa drukarki „od podstaw” z wykorzystaniem łatwo dostępnych części oraz poradników internetowych jest możliwa. Jednak trzeba pamiętać, że wymagana jest pewna wiedza techniczna, jak i duża doza zdolności manualnych oraz dosyć dobrze wyposażony warsztat. Gotowe projekty są często dosyć ogólnie opisane, co utrudnia dobór części.

Dobrym rozwiązaniem wydaje się więc kupno gotowego zestawu do własnoręcznego montażu. Nabywca otrzymuje zestaw pasujących do siebie części i sam składa urządzenie – ta praktyka okazuje się przydatna w przypadku późniejszych awarii czy podczas konfiguracji urządzenia.

Przy ograniczonym budżecie warto zainteresować się ofertą drukarek 3D z Chin. Opisywane w tym tekście urządzenie zostało kupione w serwisie AliExpress. Ceny w kolejnych sklepach były dosyć podobne i oscylowały w okolicach 230–250 $ (900–1000 zł). Gdy podobnych ofert jest kilka, warto wybrać sklep z dużą liczbą pozytywnych opinii.

Wybraliśmy popularny na polskich forach model Star Prusa i3 P802MA. Zależało nam na odpowiednio mocnym zasilaczu, sporej powierzchni wydruku i funkcji autopoziomowania, która miała nieco pomóc podczas pierwszych wydruków. Reszta funkcji była podobna we wszystkich modelach – miały podgrzewany stół, wyświetlacz, konstrukcję z pleksi i wliczone w cenę dodatki takie jak karta SD i dwie rolki filamentu.

Do ceny trzeba doliczyć cło (jeżeli przesyłka zostanie opisana jako „Drukarka 3D – zestaw do samodzielnego montażu” jest szansa, że cło nie zostanie naliczone), polski VAT i koszty obsługi w agencji celnej – 100 zł.

Zortrax to polski producent desktopowych drukarek 3D. Tworzy proste w obsłudze, niezawodne i precyzyjne urządzenia jak np. najpopularniejsza drukarka 3D firmy – Zortrax M200, najlepszą desktopowa drukarka 3D oraz najlepsze urządzenie plug&play według społeczności skupionej wokół 3Dhubs.com. Niestety za tę maszynę trzeba zapłacić ok. 8 000 zł, a to i tak jedna z najkorzystniejszych cenowo, profesjonalnych drukarek 3D.

Prowadzący działalność gospodarczą mogą wykorzystać drukarkę jako element wyposażenia i rozliczyć VAT w kosztach prowadzenia działalności. Do tego celu potrzebne są dokumenty SAD rozliczone na działalność gospodarczą, wymagające posiadania europejskiego numeru EORI. Procedura nadawania EORI jest skomplikowana. Aby uzyskać numer EORI, należy się najpierw zarejestrować na Platformie Usług Elektronicznych Służby Celnej (www.puesc.gov.pl) i tam wystąpić z wnioskiem o Rejestrację Danych Osoby Fizycznej w SISC. Następnie z wydrukiem wypełnionego wniosku trzeba się udać do najbliższego urzędu celnego, by potwierdzić swoje dane. Później teoretycznie jest już łatwo i po kilku dniach powinna nadejść informacja o nadaniu ID SISC. W następnym kroku wystarczy już tylko wypełnić kolejny wniosek i po pewnym czasie otrzymuje się numer EORI. Tak to wygląda w teorii – nam jednak cała procedura zajęła ok. dwa tygodnie i kilka godzin z telefonem w ręku, by wyjaśnić zawiłości systemu. Polecamy zająć się zdobywaniem numeru EORI jeszcze przed nadejściem przesyłki z drukarką.

PLA – poliaktyd, biodegradowalny polimer otrzymywany z surowców naturalnych, (np. mączki kukurydzianej). Nie wymaga podgrzewanego stołu i nie zmienia rozmiarów po zmianie temperatury. Kruchy i dosyć twardy, trudny w późniejszej obróbce.
ABS – tworzywo sztuczne otrzymywane z ropy naftowej. Wymaga podgrzewanego stołu o temperaturze ok. 80 stopni. Bardziej elastyczny niż PLA i łatwiejszy w obróbce. Wymaga dobrej wentylacji.

Drukarka dociera z Chin jako zestaw, który trzeba samemu zmontować. Zwracamy uwagę na szczególnie istotne etapy składania urządzenia.

W wypadku naszej drukarki instrukcja montażu dołączona do zestawu nie była zbyt szczegółowa. Raziło przede wszystkim nieudolne, automatyczne tłumaczenie z chińskiego na angielski. Dodatkowo obrazki były mało dokładne i wiele czynności trzeba było wykonywać na wyczucie. Na końcu okazało się, że wiele niescisłości, które zawierała instrukcja, wynikało stąd, że nie była ona przeznaczona do modelu kupionego, a tylko do podobnego. Ktoś, kto nie miał nigdy do czynienia z elementarną mechaniką i elektroniką, raczej nie poradzi sobie z montażem urządzenia.

Drukarka dotarła do nas w postaci zestawu do własnoręcznego montażu wraz z instrukcją w pliku PDF zapisaną na dołączonej karcie SD. Pierwszym krokiem było jej wydrukowanie – oglądanie jej na ekranie komputera jest uciążliwe.

W zestawie pamiętano o niezbędnych do montażu elementach. Nie zabrakło nawet odpowiednich śrubokrętów i wkrętaków – teoretycznie można złożyć urządzenie bez własnych narzędzi. W praktyce mogą się przydać kombinerki.

Ponieważ wszystkie śrubki i nakrętki wrzucono do jednego worka, warto je przed montażem posortować w zależności od rozmiaru – dzięki temu łatwiej będzie zidentyfikować te, które przydadzą się w danym momencie.

Pierwszym etapem jest zdjęcie papieru zabezpieczającego z plastikowej ramy. Wymaga sporo delikatności, by nie uszkodzić pleksi. Odradzamy korzystanie z noży i śrubokrętów – łatwo nimi porysować powierzchnię.

Początek montażu jest dosyć prosty – do ramy przykręciliśmy pierwszy silnik krokowy (który będzie poruszał stołem) i zamontowaliśmy mikroprzełącznik odpowiadający za ograniczenie ruchu w tej osi (tak zwany endstop).

Po chwili powstała rama drukarki. Widać wmontowane silniki, które odpowiadać będą za ruch w osi Z (góra–dół). Przy montażu musieliśmy pamiętać, żeby nie dokręcać zbyt mocno śrubek, bo pleksi jest dosyć kruche.

Problemy pojawiły się na etapie budowy podgrzewanego stołu. Ważne jest, by sprawdzić, gdzie będzie tył, a gdzie przód urządzenia (ta informacja jest w instrukcji kilka stron dalej). Przewody zasilające muszą wychodzić do tyłu.

Całym urządzeniem steruje się za pomocą pięciu przycisków. Podłączenie tego elementu jest dosyć proste – wystarczy podpięcie prostej taśmy z okablowaniem. Jest ono dobrze oznakowane i raczej nie ma ryzyka pomyłki.

Kolejnym elementem, który sprawił kłopoty, był ogranicznik ruchu osi pionowej (Z) – po prostu nie było go w zestawie. Rolę tego ogranicznika spełnia moduł odpowiedzialny za automatyczne poziomowanie, ale o tym instrukcja milczy.

Moduł do automatycznego poziomowania nie pasował do głowicy drukującej. Trzeba było zrezygnować z jednej śruby mocującej. Utrudnia to kalibrację automatycznego poziomowania – za każdym razem trzeba rozkręcać.

Okablowanie do płyty sterującej ma słabo oznaczone osie X i Y, łatwo się pomylić przy podłączaniu. Jeżeli po zmontowaniu całości drukarka zacznie szaleć, warto sprawdzić, czy nie pomyliłeś osi przy podłączaniu silników krokowych.

Istotne jest odpowiednie naciągnięcie pasków napędowych. Bez tego pasek może przeskoczyć na rolce silnika, a tym samym drukarka zacznie gubić kroki i wydruk zostanie zniszczony. Zbytnie naciągniecie może uszkodzić pleksi.

Niepokojące są niezabezpieczone przyłącza do sieci 220 V. Co prawda całość znajduje się w niezbyt dostępnym miejscu, jednak nadal istnieje ryzyko porażenia. Warto to miejsce zabezpieczyć, chociażby taśmą izolacyjną.

Parametry techniczne filamentu opisane są na szpuli. Na ich podstawie ustawiliśmy program do przygotowywania wydruków. Chodzi zwłaszcza o temperaturę topnienia. W za niskiej filament nie wypłynie, w za wysokiej – spali się.

Pierwszy wydruk to testowa kostka. Warto uzbroić się w cierpliwość, bo drukuje się ponad dwie godziny. Jednak jeżeli urządzenie zostało poprawnie zmontowane i wypoziomowane, wydruk powinien odbyć się bez problemów.

Druk 3D przebiega nieco inaczej niż to, do czego przyzwyczajeni są posiadacze zwykłych drukarek. Urządzenie nie jest podłączone do komputera (choć może być połączone) i do drukowania służy plik w formacie G-code zapisany na karcie microSD. Dlaczego drukarka nie jest podłączona do komputera? Chodzi o to, że druk jest bardzo czasochłonny i jednocześnie wymaga ciągłego strumienia danych. Połączenie z komputerem oznacza ryzyko, że nagle przejdzie on w stan czuwania czy podczas odtwarzania filmu wyśle jakąś małą paczkę danych z opóźnieniem. Takie sytuacje mogą w najlepszym przypadku zmniejszyć dokładność wydruku, a w najgorszym doprowadzić do jego uszkodzenia. Dlatego zapewniającym większą stabilność rozwiązaniem jest wgranie pliku na kartę microSD i włożenie jej do portu w drukarce.

Etapem, który sprawia najwięcej problemów zarówno początkującym, jak i doświadczonym posiadaczom drukarki 3D, jest jej poziomowanie. Niestety w przypadku każdego modelu czynność ta przebiega nieco inaczej. Jest jednak kilka zasad, o których warto pamiętać. Słowo „poziomowanie” jest dosyć mylące – tak naprawdę w operacji chodzi o to, by głowica była w stałej odległości od stołu grzejnego – nie trzeba więc korzystać z poziomicy. Najpierw należy się upewnić, że znajdujące się po obu stronach pręty odpowiadające za wysokość osi Z są równo ustawione. Następnie poziomuje się stół do równo ustawionej głowicy. Aby zachować odpowiednią odległość głowicy od stołu, dobrze jest skorzystać z karki papieru do drukarki – musi on stawiać delikatny opór przy próbie wyciągnięcia spod głowicy. Za pomocą śrub regulacyjnych ustaw stół najpierw w kolejnych rogach, później sprawdź jego pozycję na środku.

Do drukowania najlepiej wykorzystać kilka darmowych aplikacji. Pokazujemy, jak używać tych najbardziej funkcjonalnych.

Aplikacji, które służą do generowania plików G-code, jest kilka. Jedną z nich jest Cura – wydajny, łatwy w obsłudze i darmowy program. Skanerem będzie Kinect.

Po uruchomieniu programu i wczytaniu do niego modelu 3D zobaczysz na ekranie taki obraz (1). Parametry druku zmieniasz za pomocą narzędzi po lewej stronie ekranu. Wyjaśniamy po kolei rolę co ważniejszych parametrów:
Layer height – wysokość warstwy. Od niej zależy dokładność wydruku, jak i jego prędkość. Na początku warto zostać przy wartości 0,1 mm.
Shell thickness – grubość zewnętrznej powłoki. Musisz pamiętać, że ta wartość musi być wielokrotnością rozmiaru stosowanej głowicy. W naszym przypadku głowica w drukarce ma rozmiar 0,4 mm. Dlatego jeżeli chcemy, by powłoka składała się z trzech warstw, wpisujemy 1,2 mm (3x0,4 mm). Możemy z powodzeniem stosować dwie warstwy, czyli 0,8 mm.
Bottom/Top thickness – grubość górnej i dolnej warstwy. Musi być wielokrotnością pierwszego parametru, czyli wysokości warstwy. Dla większości wydruków 0,4 – 0,5 mm będzie w zupełności wystarczające.
Fill density – gęstość wypełnienia. Wnętrze wydruku może być wypełnione odpowiednią strukturą. Ten parametr określa w procentach, jak gęste ma być wypełnienie. 0 to zupełny brak, 100 to całość zadrukowana. Polecamy poeksperymentować z tym parametrem, niekiedy wystarcza brak wypełnienia.
Print speed – prędkość druku. Nie należy przesadzać z tą wartością.
Printing temperature – temperatura druku. Należy kierować się wytycznymi z opakowania używanego filamentu, pamiętając, że jest tam podany pewien zakres temperatur. Niestety sam musisz zdecydować, jaka temperatura jest optymalna – za niska spowoduje, że kolejne warstwy nie skleją się ze sobą, zbyt wysoka poskutkuje efektem ciągnących się z wydruku cienkich nitek, trudnych do usunięcia.
Bed temperature – temperatura stołu grzewczego. Ta wartość też powinna pasować do filamentu. W przypadku PLA stosowana jest temperatura rzędu 50–70 stopni, zaś używając ABS, należy ustawić ok. 100 stopni. Trzeba pamiętać, że utrzymywanie rozgrzanego stołu to największy wydatek energetyczny podczas wydruku.
Support type – rodzaj generowanych podpór. Wybranie opcji Everywhere spowoduje, że w każdym miejscu, gdzie wymagane jest stworzenie podtrzymującej wydruk podpory, taka powstanie.
Platform adhesion type – rodzaj przyczepnej warstwy. Wybranie opcji Brim sprawi, że na obszar pod wydrukiem zostanie nałożona cienka warstwa plastiku, pomagająca w przyklejeniu wydruku do stołu. Bez niej wydruki mają tendencję do odklejania się.
Diameter – średnica filamentu. Należy wpisać wartość ze szpuli.
Nozzle size – rozmiar głowicy. Wpisz wartość podaną przez producenta drukarki.

Znajdujące się w prawym górnym rogu ikony pozwalają zmienić rodzaj widoku. Poza podstawowym warto skorzystać z widoku Layers. Przesuwając suwak, możesz w nim sprawdzić, jak będą wyglądać kolejne warstwy wydruku.

Warto też zwrócić uwagę na wyświetlane w lewym górnym rogu dane – dowiesz się, ile czasu zajmie wydruk w danej konfiguracji i ile materiału pochłonie jego tworzenie.

Po dobraniu wszystkich parametrów musisz wygenerować plik G-code. Kliknij File, a następnie Save GCode….

G-code to plik, który zawiera linijka po linijce polecenia, jakie ma wykonać drukarka. Są to zapisane krok po kroku, warstwa po warstwie, współrzędne ruchu głowicy drukującej oraz informacje o ilości wypychanego filamentu. Do tego dochodzą dane takie jak temperatura głowicy drukującej, temperatura stołu grzejnego, prędkość ruchu głowicy, wskaźnik intensywności chłodzenia i inne. Parametrów jest wiele, ale w gruncie rzeczy jest to wyłączenie prosty kod opisujący, co ma robić drukarka. Plik G-code trzeba skopiować na kartę microSD. Po włożeniu jej do portu w drukarce możesz rozpocząć drukowanie.

Pomocnym, ale kosztownym urządzeniem jest skaner 3D. Można jednak stworzyć jego namiastkę, wykorzystując sensor Xbox Kinect. Model do Xboxa 360 kupisz za ok. 180 zł. Trzeba jeszcze zaopatrzyć się w specjalny zasilacz, dzięki któremu będzie można podpiąć go do komputera (kosztuje ok. 25 zł). Wystarczy podłączyć zestaw do peceta, zainstalować darmową aplikację ReconstructMe i rozpocząć przygodę ze skanowaniem 3D. Ponieważ Kinect zaprojektowany został z myślą o wykrywaniu sylwetek ludzi, najlepiej radzi sobie z nieco większymi obiektami. Będzie miał problem z przedmiotami małymi i prześwitującymi.

Obiekt należy umieścić ok. metra od sensora na mniej więcej tej samej wysokości co obiektyw Kinecta. Ustaw go na łatwym do obracania urządzeniu. Ważne jest też dobre oświetlenie – najlepiej silne, z tyłu za Kinectem. Lepiej, jeśli tło pozostanie ukryte w ciemności – wtedy sensor nie będzie go widział i powstanie trójwymiarowy obiekt bez niepotrzebnych elementów w tle.

Po uruchomieniu aplikacji ReconstructMe w sekcji Volume size, poruszając suwakiem, ustaw obszar skanowania, a w części Volume position określ jego odległość od sensora. Ważne jest, by skanowany obiekt mieścił się dokładnie we wskazanym obszarze i było tam jak najmniej innych przedmiotów.

W sekcji Surface zaznacz Colorize my reconstruction, Selfie 3D Scan oraz Scale Selfie 3D scan to dimensions of printer platform. Ułatwi do wygenerowanie dobrych rezultatów skanowania przy samodzielnym obracaniu modelu.

W części Device zaznacz opcje Maximize quality i Automatically determine a device. Na końcu upewnij się, czy na pewno wybrane zostało urządzenie do skanowania, czyli Kinect.

Kliknij przycisk Start. Do rozpoczęcia skanowania pozostaje kilka sekund. Obiektem musisz kręcić niezbyt szybko, ale jednostajnie – tak, by wykonać pełen obrót w 60 sekund. Dobrze mieć do pomocy kogoś, kto schowa się za obracaną podstawką i będzie nią obracał, nie łapiąc się w kadr.

3D Builder to aplikacja systemowa w Windows 10, za pomocą której można wygodnie wprowadzić proste modyfikacje w plikach 3D. Jej zaletą jest prostota obsługi – wystarczy, by usunąć niepotrzebne elementy ze skanu.

Otwórz skan w programie 3D Bulider. Na ekranie pojawi się np. taki obraz jak poniżej. Trzymając wciśnięty lewy przycisk myszki i ruszając nią, obracasz obiekt. Prawy przycisk myszki i ruch to przesunięcie obiektu. Rolka myszki służy do zbliżenia i oddalania. W prawym górnym rogu znajduje się menu z narzędziami służącymi do obsługi programu.

Aby przygotować obiekt do wydruku, musisz usunąć spod hipopotama podstawę i znajdujący się obok kawałek poręczy. Pierwszym etapem jest rozgrupowanie obiektów niepołączonych ze sobą. Zaznacz kliknięciem obiekt, następnie z menu wybierz kolejno narzędzia (1) i (2). Teraz oba obiekty – hipopotam i kawałek poręczy – są oddzielone od siebie. Zaznacz kliknięciem poręcz (tak, by została zaznaczona na niebiesko) i naciśnij Del.

Trudniejszym wyzwaniem będzie usunięcie podestu. Do tego celu użyj płaszczyzny usuwającej wszystko, co znajduje się po jej drugiej stronie. Z menu wybierz rysik i przecięty płaszczyzną stożek. Na ekranie pojawi się płaszczyzna cięcia. Musisz ją najpierw odwrócić, tak aby ucinany był dół, a nie góra obiektu. Chwyć zieloną strzałkę góra/dół i obróć dookoła płaszczyznę. Następnie manipulując płaszczyzną, ustaw ją tak, by odciąć jak najwięcej niepotrzebnych elementów.

Po obcięciu podstawy obiekt unosi się w powietrzu. Wybierz polecenie <Osadź>. Można też wykorzystać <Uprość>, dzięki czemu program zredukuje liczbę poligonów i tym samym obiekt zostanie uproszczony. Łatwiej będzie go wydrukować, a i plik będzie miał mniejszy rozmiar. Efekt pracy zapisz jako plik STL, co pozwoli na jego otwarcie w aplikacji Cura.

Doskonałym źródłem modeli 3D jest strona thingverse.com. Tworzona przez społeczność baza umożliwia darmowe (do użytku niekomercyjnego) ściąganie modeli przygotowanych przez innych użytkowników. Codziennie na stronie pojawiają się dziesiątki nowych modeli, bez problemów znajdziesz więc coś do wydrukowania.