Конвейерные 3D-принтеры: технология беспрерывной 3D-печати

Конвейерные 3D-принтеры — достаточно интересный подвид экструзионных аддитивных систем, обещающий возможность почти безостановочной, автоматизированной серийной 3D-печати и аддитивного производства негабаритных изделий. Поделимся самыми известными примерами, а заодно разберемся как это работает.

Содержание:

1. Как устроены конвейерные 3D-принтеры
2. Программное обеспечение
3. Примеры конвейерных 3D-принтеров:

• Blackbelt
• IdeaFormer IR3 V2
• Creality 3DPrintMill (CR-30)
• iFactory One Pro
• White Knight
• EnderLoop

Кто именно придумал конвейерные 3D-принтеры, мы точно не знаем. Многие решения позаимствованы из промышленности и типографии, а основоположниками, скорее всего, стоит считать команду Blackbelt, выпустившую одноименную аддитивную систему в 2017 году. С тех пор появилось несколько вариантов такого оборудования от разных производителей, а также опенсорсные проекты как по созданию конвейерных машин с нуля, так и переделке фабричных 3D-принтеров в конвейерные.

1. Как устроены конвейерные 3D-принтеры

По сути конвейерные FDM 3D-принтеры отличаются от обычных неограниченной областью построения по одной из осей. Эту возможность можно использовать двумя способами: можно налаживать серийную или просто последовательную 3D-печать с минимальным вмешательством со стороны операторов, либо печатать очень длинные изделия без необходимости в последующей сборке.

Ограничения, как ни странно, снимаются по оси Z. Система координат у таких устройств несколько необычная, а связано это с наклоном портальной конструкции и необходимостью адаптации программного обеспечения — слайсеров — под новый, конвейерный режим работы.

В целом, такие 3D-принтеры напоминают привычные «дрыгостолы», только вместо подвижного в горизонтальной плоскости столика устанавливается подвижная закольцованная лента. Головка все так же перемешается по порталу, как правило с кинематикой CoreXY, но сам портал устанавливается под углом, обычно в районе сорока пяти градусов. Это позволяет выращивать изделия поступательно — от переднего края до заднего, без возвратного движения. Эта же схема позволяет выстраивать навесные структуры с минимальным использованием опорных структур и тем самым экономить на материалах и постобработке. Приспособить слайсер под такую схему построения проще всего, если поменять оси Y и Z местами: X все так же остается X, подвижная лента превращается в Z, а обычно вертикальные, но теперь наклонные направляющие превращаются в ось Y. Чтобы было понятнее, представьте 3D-принтер, лежащий на спине.

Если такой аппарат обеспечить хорошим запасом расходного материала и поставить под передним краем ленты подходящий контейнер, можно печатать одну деталь за другой и сбрасывать модели прямо в емкость. Если, конечно, не будет сбоев. При 3D-печати длинных изделий обычно подставляется рольганг — столик с роликами на поверхности. Особенно хорошо для таких задач подходят большие катушки на два с половиной килограмма пластика, как в нашем каталоге.

Материалам стоит уделить особое вниманию, ибо в силу конструкции конвейерные 3D-принтеры имеют определенные ограничения в плане совместимости. Не все из них оснащены даже подогревом ленты, а конвейерные 3D-принтеры с термокамерами особенно редки. Соответственно, для такого оборудования лучше всего подходят полимеры с низкой усадкой и хорошей, но не избыточной адгезией. Предсказуемо, самые распространенные расходные материалы — полилактид (REC PLA) и полиэтилентерефталатгликоль (REC Relax).

Заодно стоит учитывать максимальную температуру хотэндов, опять-таки обычно невысокую, раз термокамеры и так отсутствуют, а значит о наиболее тугоплавких конструкционных термопластах вроде полиэфирэфиркетона можно забыть. Наконец, конвейерные 3D-принтеры обычно довольно громоздки, особенно в комплекте с рольгангом, что необходимо учитывать при обустройстве рабочего места.

2. Программное обеспечение

Немаловажный вопрос — программная составляющая. Слайсеры, то есть программы для переработки 3D-моделей в машинный код, в основном создаются под наиболее распространенное оборудование — 3D-принтеры с прямоугольной системой координат или дельта-кинематикой, но без учета возможности «неограниченного» построения. Как результат, конструкторам конвейерных аддитивных систем приходится разрабатывать не только аппаратное, но и специализированное программное обеспечение. Делают это обычно не с нуля, а адаптируя уже имеющиеся решения.

Самый распространенный вариант — Blackbelt Cura, то есть форк популярного слайсера Cura, созданный одной из команд-разработчиков конвейерных аддитивных систем, компанией Blackbelt. Это опенсорсное программное обеспечение, поэтому его используют и самодельщики, и конкуренты. Есть, правда, одно но: самая современная версия на текущий момент основана на устаревшем релизе Cura 3.6, так что многие нововведения отсутствуют. Самая продвинутая версия базового слайсера — уже 5.9.

Еще один вариант — слайсер ideaMaker, ныне доступный с нативной поддержкой конвейерных 3D-принтеров и регулярно обновляемый разработчиком и производителем аддитивного оборудования Raise3D.

Третий вариант — относительно малоизвестный, но вполне способный слайсер Kiri:Moto. Это довольно необычная программа, использующая браузерный интерфейс. В то же время это не облачная платформа. Другими словами, Kiri:Moto не требует остановки программного обеспечения, но непосредственно во время обработки 3D-моделей использует вычислительные мощности пользовательского компьютера.

Наконец, при должном понимании машинного кода команды можно прописать в G-код вручную, либо используя заготовленные скрипты. Пример можно найти в репозитории Thingiverse по этой ссылке.

3. Примеры конвейерных 3D-принтеров

Blackbelt

Один из первых конвейерных 3D-принтеров, возможно даже самый первый. Так или иначе, после четырех лет опытно-конструкторских работ бельгийский стартап Blackbelt вышел на рынок в 2017 году, собрав необходимые средства в ходе краудфандинговой кампании на площадке Kickstarter. Получившийся одноименный аппарат привлек внимание не только покупателей, но и производителей, породив ряд конкурентных конструкций.

Blackbelt до сих пор считается многими лучшим предложением, хотя и c довольно кусачим ценником — в районе десяти тысяч долларов даже без рольганга, предлагаемого опционально. Для любителей может быть многовато, но студии 3D-печати такая стоимость устраивает, ибо окупается за счет автоматизации и экономии на рабочей силе.

Система может принимать разные печатающие головки с быстрой заменой, использует линейные направляющие, угол наклона портала регулируется в пределах 15-45 градусов, лента выполнена из углеволоконного композита, а размер области построения достигает 340x340x∞ мм.

Лучше всего для работы на этом 3D-принтере подходят полилактид (REC PLA) и полиэтилентерефталатгликоль (REC Relax). Теоретически можно печатать и другими материалами, но осторожно: например, команда уверяет, что протестировала систему с акрилонитрилбутадиенстиролом. Это крепкий и недорогой, а потому очень популярный полимер, но в то же время демонстрирующий высокую усадку. Blackbelt оснащен подогреваемой платформой под лентой, но так как термокамеры на этом устройстве нет, размеры моделей из сильно усаживающихся пластиков необходимо искусственно ограничивать, чтобы их не оторвало от ленты. Адгезию можно несколько повысить с помощью клея, но с обязательной регулярной чисткой ленты изопропиловым спиртом.

IdeaFormer IR3 V2

IdeaFormer — относительно малоизвестный китайский производитель, как раз специализирующийся на «дрыгостолах» и решивший внести свою лепту в развитие конвейерной 3D-печати. Сделал он это вполне успешно, предложив относительно недорогой аппарат, в прошлом году прошедший модернизацию. Спрос на такое оборудование ограничен, поэтому как и многие конкуренты, компания IdeaFormer прибегла к общественной поддержке и провела две краудфандинговые кампании для оригинала и модернизированной версии — как ради финансирования, так и оценки спроса.

Обновленный вариант интересен переходом на прошивку Klipper, все более популярную благодаря алгоритмам активного гашения вибраций (Input Shaping) и динамического контроля подачи расплава (Pressure Advance), позволяющим повышать скорость печати без потери качества. Теоретически этот 3D-принтер способен разгоняться до 400 мм/c с ускорениями до 20 м/с^2. Размер области построения особо не впечатляет, всего 250x250x∞ мм, но для большинства задач этого достаточно.

Есть и другие плюсы — довольно высокотемпературный хотэнд с максимальной температурой 300°C и армированная лента с полиэфиримидным покрытием. Это хороший выбор, так как полиэфиримид широко используется в качестве адгезионного покрытия на обычных столиках и славится долговечностью и эффективностью. Лента к тому же подогревается до 90°C, что вкупе с мощным хотэндом позволяет печатать более тугоплавкими материалами, чем большинство конкурентов.

Что особенно интересно, в комплекте к этому 3D-принтеру предлагается термокамера: ничего особенного, просто мягкий колпак с прозрачными вставками, но он все равно поможет стабилизировать фоновую температуру.

Конечно, про усадку забывать все равно не стоит. Если есть необходимость печатать чем-то более «инженерным», чем PLA или PETG, попробуйте наши угле- и стеклонаполненные композиты линейки X-line. Для большинства из них хватит температуры в 300°C, а волоконные наполнители не только добавляют прочности и износостойкости, но и заметно снижают усадку, что очень кстати. Если нужен более доступный вариант, попробуйте REC rPETG GF — бюджетный стеклонаполненный композит на основе полиэтилентерефталатгликоля (PETG). При работе с любыми армированными композитами не забывайте менять штатные латунные сопла на более износостойкие, например из закаленной стали.

Дополнительно IdeaFormer IR3 V2 оснащается системой автоматической калибровки, удобным сенсорным экраном, датчиком филамента, возможностью дистанционного управления по Wi-Fi и встроенной вебкамерой для удаленного наблюдения, а стоит такое удовольствие в районе одной тысячи долларов.

Creality 3DPrintMill (CR-30)

Система 3DPrintMill стала ответом на Blackbelt со стороны одного из наиболее известных китайских производителей, компании Creality. Все по привычной схеме: сделаем примерно так же, но намного дешевле.

Ранние заказчики на Kickstarter могли приобрести такие системы почти в двадцать раз дешевле Blackbelt, примерно за пятьсот долларов, но и назвать их оборудованием одного класса все же не получится. Возможности примерно те же, но 3DPrintMill изначально ориентировался как раз на любителей, отсюда и хорошая ценовая доступность с опорой на уже имевшиеся, массово выпускаемые комплектующие, плюс стандартную для таких систем и очень популярную в целом кинематику CoreXY.

Размер области построения тоже довольно скромный, всего 200х170х∞, а хотэнд с прогревом до 240°C явно рассчитан в основном на работу с полилактидом (REC PLA). C другой стороны, разработчики все же предусмотрели подогрев ленты до 100°C, так что можно попробовать полиэтилентерефталатгликоль (REC Relax) и другие не особо тугоплавкие полимеры.

iFactory One Pro

Если 3DPrintMill должен был стать бюджетным ответом на Blackbelt, то iFactory One стал ответом на 3DPrintMill. Что самое смешное, немецкий стартап подсуетился и выпустил свой продукт в один день с широко разрекламированным китайским конкурентом, лихо оттяпав значительную долю заказов.

Предложение получилось интересным: по размеру области построения этот 3D-принтер выигрывает у системы от Creality, предлагая 180х290х∞ мм против 200х170х∞ мм, хотя и стоит примерно на триста долларов дороже. Причина не только в габаритах, но и расширенном функционале, вполне современном на 2020 год. Сюда входят тихие драйверы TMC2205 (2208), датчик филамента, функция сохранения печати, бортовая вебкамера, 3,5-дюймовый сенсорный дисплей, возможность удаленного управления через Octoprint и даже интеграция программного обеспечения PrinterGUARD, отслеживающего сбои 3D-печати в режиме реального времени. Последний момент немаловажен для систем, изначально сконструированных с расчетом на максимальную автоматизацию.

Спустя год стартап выпустил модернизированный вариант 3D-принтера под обозначением One Plus, а затем еще одну версию под названием One Pro, последовательно улучшая системы подачи материалов, повышая эффективность хотэндов и систем охлаждения, оптимизируя механизмы натяжения ленты, и так далее.

Правда, One Pro — значительно более дорогая, но и намного более продвинутая система, предлагаемая уже за внушительные $4 800. За дополнительные $500 можно заказать термокамеру, а это в комбинации с высокоэффективным экструдером Hemera от E3D позволит печатать уже серьезными инженерными полимерами и композитами.

White Knight

Заводским оборудованием предложения не ограничиваются, есть и самодельные варианты. Самый известный — White Knight за авторством американского компьютерного техника Карла Брауна под ником NAK 3D. Что интересно, позже он принимал участие в разработке упомянутого выше 3DPrintMill, но если за спиной последнего стоит крупный китайский производитель аддитивной техники, White Knight можно собрать самостоятельно.

Основным мотивом для создания собственного конвейерного 3D-принтера послужило желание расширить область построения, так как рабочей зоны в то время уже доступной системы Blackbelt Карлу не хватало. Стоимость тоже сыграла роль: самоделка примерно в пять раз дешевле Blackbelt, около двух тысяч долларов, хотя за экономию средств придется заплатить временем на сборку, к тому же требующую определенных навыков.

Механика построена на линейных направляющих, в штатной конфигурации система принимает экструдер с мощным подающим механизмом от Bondtech c двумя ведущими шестернями и высокотемпературным хотэндом. Последний добавлен не столько для работы с тугоплавкими пластиками, сколько для повышения производительности: у этого 3D-принтера нет даже подогрева ленты, так что совместимость с расходными материалами ограничена полилактидом и, может быть, ПЭТГ. С другой стороны, рабочий объем достигает 400х430х∞ мм против 340х340х∞ мм у Blackbelt, в чем, наряду со снижением стоимости, и заключалась задача этого проекта.

Это полностью опенсорсная разработка, проектные файлы можно найти в репозитории GitHub.

EnderLoop

Если хочется самодельный и относительно недорогой конвейерный 3D-принтер, но нет желания начинать сборку с нуля, обратите внимание на проект Ender Loop. Это решение основано на линейке 3D-принтеров Ender производства компании Creality. Конкретнее, это переделка крайне популярного Ender-3, до сих пор служащего своеобразным эталоном бюджетного, но при этом способного аддитивного оборудования.

Задумка принадлежит американскому инженеру по имени Майкл Сгрой, решившему создать аналог Creality 3DPrintMill, только еще более доступный. Для переделки требуются кое-какие металлические крепежные элементы, остальные детали можно напечатать самостоятельно и заранее на донорском 3D-принтере.

Всего в этом аппарате около сорока кастомных 3D-печатных компонентов, но в основном простых и мелких. Сложнее всего будет изготовить сам конвейерный механизм: над роликами придется потрудиться, так как они должны сидеть ровно и выдерживать довольно высокие нагрузки под натяжением ленты.

Это тоже опенсорсный проект, доступный на GitHub.

Есть вопросы? Обратитесь к нам, и специалисты REC будут рады предоставить подробную консультацию по выбору расходных материалов под конкретные задачи.