Dlaczego drukarki 3D są takie drogie? No i jak właściwie działają?

Hmmmmm, zacznijmy od tego, z czego się składa taka drukarka.

W przypadku drukarki FDM, czyli Fused Deposition Modeling, fabrykacja następuje poprzez układanie warstwa po warstwie roztopionego materiału, który wypływa z dyszy w postaci cienkiej nitki.

Mamy sobie 3 osie, które są jakoś poruszane, do tego czwartą osią jest ekstruder, żeby filament się ładnie topił potrzebna jest głowica. No i jakaś elektronika która tym steruje, a do tego wypadałoby, żeby był zasilacz. A, no i jeśli nie umiemy wytwarzać pola siłowego, to przyda się jakaś rama, kawałek platformy roboczej, trochę pasków, zębatek i śrubek.

No to zacznijmy od początku – aktuatory.
Żeby poruszać czterema osiami, potrzebne są silniki. Zwykle. Najtańsze byłyby prawdopodobnie silniki DC, ale żeby kontrolować przesunięcie musielibyśmy dołożyć enkodery, do tego odpowiednia elektronika która to uciągnie i trzeba sklepać kod który nad tym zapanuje. Ale utarło się, że używamy w drukarkach silników krokowych – zwykle są to silniki Nema17 (mówię o małych, prostych drukarkach).

Dlaczego? Pierwotnie dlatego, że można je zdemontować zewsząd – były używane w starych drukarkach, w mniejszych maszynach cnc i wielu innych miejscach, więc łatwo z ich dostępnością, a idea całej tej machinerii zwanej RepRap jest właśnie taka, żeby części były możliwie najbardziej dostępne dla każdego.

A dlaczego krokowe? Bo jak dokupimy do tego sterowniki silników krokowych (zwane potocznie stepstickami), to nie musimy o nich myśleć – mamy wyprowadzone tylko 3 piny – enable, direction i step. Odpowiednio pin enable załącza prąd w cewkach silnika (od tej chwili pojawia się moment trzymający, dzięki czemu wał nie kręci się jak wujek Władek po kilku głębszych na parkiecie), pin direction decyduje w którą stronę wykonamy krok (mimo wszystko czasem fajnie jest zawrócić), a pin step to, ku wielkiemu zaskoczeniu, wykonanie kroku. Czym jest ten krok? Jest to obrócenie wału silnika o elementarny (no, nie do końca, zaraz wyjaśnię) kąt – zwykle jest to np. 1,8 stopnia – oznacza to, że wykonując 200 kroków, uzyskamy jeden pełen obrót wału silnika.

Dlaczego to takie ważne? Bo jak na tym wale jest założona zębatka (i dobrze przykręcona, żeby się nie przesuwała!), a na zębatkę jest naciągnięty pasek zębaty i mamy wszystko skalibrowane, to gdy chcemy przesunąć wózek osi X o 10mm w lewo, wiemy, że musimy obrócić silnik zgodnie z kierunkiem wskazówek zegara o 800 kroków (wartość całkowicie zmyślona na potrzeby przykładu, nie próbujcie tego w domu). Stąd też w konfiguracji firmware, a także w pamięci EEPROM sterownika istnieją zmienne odpowiednio nazwane X_steps_per_mm, Y_steps_per_mm, Z_steps_per_mm, E0_steps_per_mm itp. itd. (mogą też się nazywać Halinka, Zbysiu i Andrzej, to akurat zależy od fantazji programisty klepiącego dany firmware).

A silniki, jak się domyślacie, bywają różne.

Najtańsze jakie kupiłem, udało mi się dostać na znanym polskim portalu aukcyjnym – kosztowały 5zł za sztukę, pochodziły z demontażu i nie posiadały dokumentacji. No i każdy był inny, a na jednym były ślady krwi. Ogólnie działały (poza jednym, który dla odmiany nie działał), ale miały mały moment (stare, słabe silniki), łatwo się grzały no i nie wiem ile mi jeszcze pożyją. Jeśli ktoś lubi ryzyko i dłubaninę jak ja (adrenalina to moje drugie imię, nigdy nie usuwam bezpiecznie urządzeń USB), to może kupić kilka takich silników, podpiąć kabelki (zwykle przychodzą ucięte, trzeba empirycznie dobrać kolejność we wtyczce, ale spokojnie, 4 przewody to jakieś 24 możliwe kombinacje), a potem narysować pastą do zębów runy na podłodze i błagać demony, żeby to zadziałało.

A można też kupić za 50-60zł za sztukę silniki, które przychodzą nowiutkie od producenta, zapakowane w kartonik, wiemy, że każdy po podpięciu będzie działał idealnie, wiemy jaki prąd im ustawić i jaki moment uzyskamy – gdy nie potrzebuję budować całkowicie po taniości, wybieram to rozwiązanie dla pewności i wygody. Producenci drukarek też zwykle tak postępują, bo jak budują drukarki seryjnie, dla klienta, to zależy im na bezawaryjności (zwykle) i powtarzalności. Zakładając, że budujemy drukarkę podobną konstrukcyjnie do Prusy i3, potrzebujemy po 1 silniku na osie X i Y oraz ekstruder, a na oś Z 2 silniki – łącznie 5 sztuk, 250-300zł.

Dobra, skoro już omówiliśmy silniki, rzuciłem gdzieś po drodze hasła takie jak ‚stepstick’, czy ‚firmware’, warto wyjaśnić jaka elektronika siedzi w przeciętnej drukarce i dlaczego akurat ona.

Zakładając, że mamy te 5 silników, do każdego step/dir/enable (oprócz tych dwóch od osi Z, one są sterowane wspólnie bo zawsze wykonują taki sam ruch), do tego na wszystkich 3 osiach endstopy, jedną głowicę, stół grzejny, wentylator… – potrzebujemy procesora który obsłuży tak z 8 wyjść cyfrowych, 7 wyjść PWM, 2 wejścia adc, 3 wejścia cyfrowe, najlepiej na przerwaniach (bo jak nam program za późno zareaguje na endstop, to głowica będzie już dawno w trakcie misji na Marsa). Ktoś kiedyś wymyślił, że do tego sprawdzi się Arduino MEGA 2560 – płytka z rodziny arduino z procesorem ATMega2560 na pokładzie. Możliwości, które ma pozwalają spokojnie na 5 sterowników silników, 3 kanały mosfet, 3 wejścia adc, 6 wejść na endstopy, do tego złącze do panelu LCD z enkoderem i czytnikiem kart pamięci. Jak do tego dorzucę jeszcze parę złącz aux do podpięcia jeszcze innych losowych bajerów, które sobie wymyślimy, to okazuje się, że właśnie opisałem płytkę, która nazywa się ‚ramps’, a dokładniej RAMPS1.4 – obecnie najpopularniejszy kontroler drukarek RepRap, zaprojektowany jako shield do Arduino Mega 2560. Największa zaleta tego rozwiązania – dostajemy praktycznie gotowy firmware (Marlin/Repetier/inne), w którym wystarczy skonfigurować parę rzeczy, aby był gotowy do pracy. Czasem jestem pytany co sądzę o zaprojektowaniu własnej płytki – moje zdanie jest takie, że jeśli nie istnieją konkretne powody, jak np integracja całego sterownika, albo dołożenie funkcji, których ta płytka nie oferuje, to się po prostu nie opłaca. Produkcja w kraju małych żółtych rączek rozwinęła się tak bardzo, że jak kiedyś spalił mi się procek (tak, no oczywiście, że sam się wziął spalił, co złego to nie ja przecież), to szukając nowego do przelutowania odkryłem, że taniej będzie kupić całą płytkę. Arduino, Ramps oraz 4 stepsticki i wcześniej wymieniony ekran z enkoderem, to na chińskim portalu aukcyjnym koszt na poziomie… 25 dolarów.

Oczywiście zdarza się, że stosowane są płytki droższe, przy drukarkach z górnej półki stosuje się mikrokontrolery ARM – procesory 32-bitowe, co pozwala na szybsze wykonywanie skomplikowanych obliczeń, a co za tym idzie zwiększoną funkcjonalność przy płynniejszych ruchach. Słowa kluczowe: Smoothieware, Sunbeam. Wtedy z automatu wykorzystujemy możliwości  jakie dostajemy i od razu wrzucamy do drukarki dotykowy, kolorowy ekran i inne fajerwerki. Możemy też zamiast standardowych stepsticków (A4988, DRV8825) użyć takich, które obsługują tryb ‚Stealth’ (np TMC2100).

Taka wersja sterownika kosztuje wtedy ponad 600zł, czyli połowę tego, co cała drukarka z najniższej półki.

Właśnie – zapomniałem wyjaśnić, czym jest stepstick. Stepstick, jest to malutka kosteczka pcb, która jest wpinana w płytę główną. Znajduje się na niej układ sterujący silnikiem krokowym, zestaw potrzebnych elementów RCL (rezystory, kondensatory, cewki), oraz wyprowadzenia goldpin zgodne ze standardem – dzięki takiej formie możemy stosować różne modele sterowników o różnych właściwościach, nie zmieniając fizycznie płyty głównej kontrolera.

Lecimy dalej. Skoro mamy już silniki i sterownik, to prawie mamy działającą maszynę. Tylko co ona robi? Żeby była drukarką, potrzebna jest głowica drukująca.

Najpopularniejszy model w obecnych czasach to E3D V6. Jest to dość zgrabnie zaprojektowana głowica, składa się z dyszy, bloku grzejnego (strefa ciepła), radiatora (strefa zimna), łącznika (granica strefy ciepłej i zimnej), oraz czasem złączki do bowdena. No i oczywiście grzałki oraz termistora, żeby podnieść temperaturę i przy okazji wiedzieć o ile. Dodatkowo, powinien być zamontowany wentylator, który zapewnia, że zimna strefa jest zimna.

Oryginalna kosztuje 250-300zł, jest też wersja lite, która kosztuje 150zł, oraz polska wersja – lama3d, która kosztuje ok 200zł. Najbardziej ekstremalna zabawa, to zakup chińskiej podróbki – najtańsze, to 3 dolary. Ale oczywiście wiadomo, że cena i jakość idą tu w parze – na pozór podobne głowice mogą być wykonane z różnych materiałów i wytoczone z różną dokładnością, a z doświadczenia wiem, że to bardzo wpływa na ilość problemów podczas druku (zapychająca się głowica, nierównomiernie podawany filament…).

Wszystko fajnie, ale materiał nie może być podawany grawitacyjnie – potrzebny jest element zwany extruderem (polska wersja to chyba ‚wytłaczarka’, ale jakoś niezbyt się przyjęła). Składa się on z silnika, na który jest założona zębatka popychająca filament, a także z łożyska, które jest z drugiej strony filamentu, aby docisnąć go odpowiednio do zębatki. Zębatka ta często nazywana jest „radełkiem”. Najtańsze są drukowane extrudery, gdzie jedyny koszt to łożysko (złotówka), radełko (50 centów), oraz sam silnik (o którym mówiłem wcześniej).  Można też kupić droższe, gotowe komponenty, gdzie mamy skomplikowany mechanizm docisku regulowany sprężyną, lepszej jakości radełko i niekiedy całość jest wykonana z metalu, a czasem posiada też prostą przekładnię do zwiększenia momentu obrotowego radełka (co pozwala mocniej pchać materiał). Najpopularniejsze w Polsce to E3D Titan oraz ponownie polski produkt – extruder DODO. W stanach furrorę robi także Toronado. Każdy z nich kosztuje ok 150zł.

Tutaj mogę wyjaśnić jeszcze czym jest bowden. Bowden, to rurka wykonana z PTFE (teflonu), o średnicy wewnętrznej bliskiej średnicy filamentu – filament jest wpychany do jednego końca przez extruder, a z drugiego wchodzi prosto do głowicy. Dzięki temu, extruder może być zamocowany na nieruchomej części ramy, a na wózku jest jedynie lekka głowica, co zmniejsza pęd jadącego wózka, ułatwia hamowanie, rozpędzanie itp.

A gdyby tak zintegrować extruder i głowicę w jeden element?

Takie rozwiązania też istnieją. Najpopularniejsze z nich to MK8 (wzięte żywcem z Makerbota) – w Polsce podróbki względnie sensownej jakości można kupić za ok 200zł.

A to wszystko przy wariancie z jedną głowicą – a rosnącą popularnością cieszą się konstrukcje zawierające 2-4 głowice, co pozwala drukować w różnych kolorach (a co ważniejsze, w różnych materiałach) jednocześnie.

Skoro już tak otaczamy się elektroniką, to jeszcze fajnie byłoby dostarczyć zasilanie. Niestety, podpięcie wszystkiego kablem prosto do 230V wywoła w nas przeczucie, że zamiast drukarki 3D zbudowaliśmy wytwornicę dymu – maszyna będzie nam wdzięczna jeśli dostanie 12 lub 24V. Skąd wziąć 12V? Są 3 drogi. Albo wymontujemy stary zasilacz ATX z komputera stacjonarnego (lub kupimy na giełdzie elektroniki za dychę), albo zabierzemy bratu zasilacz od xboxa (na allegro za 50zł), ew najbardziej profesjonalne rozwiązanie – wyłożymy 200-300zł na zasilacz przemysłowy, co da nam gwarancję, że zasilacz spełnia wszystkie normy i nie spali nam domu jak będziemy spali.

Pozostaje w sumie już tylko złożyć wszystko do kupy.

Kawałek ramy, garść śrub, parę łożysk, parę prowadnic liniowych. Najtańsze rozwiązanie to rama z plexy, wałki liniowe 8mm, śrubki m3, łożyska lm8uu i 608zz. Wtedy możemy zrobić konstrukcję za 150zł. Ale możemy zamienić plexę na sklejkę żeby wyeliminować hałas, albo na aluminium, żeby zwiększyć sztywność. Możemy też w ogóle przejść na stal i całą konstrukcję dać spawaczowi do ulepienia, żeby już nic nie drgnęło nawet o setną milimetra. Jeśli chcemy konstrukcję rozwojową, to możemy użyć profili wpustowych. Jeśli chcemy precyzyjne prowadnice to wałki liniowe wymieniamy na szyny Hiwin. Jeśli chcemy ciche łożyska, to stosujemy igusa… I cena rośnie, rośnie, może osiągnąć nawet 2 tysiące przy kompaktowej drukarce z polem 20x20x20cm.

Wydaje mi się, że wymieniłem kluczowe elementy drukarki, ale składowych jest dużo więcej. Przewody, wtyki, gniazda, trytytki, oploty, klej, radiatory, wentylatory, filament, stojak na szpulę, karta SD, komora termiczna, wyciąg powietrza, filtr kurzu… Może się tego dużo nazbierać.

Pamiętajmy też, że lepiąc drukarkę ze śmieci w garażu nie ponosimy wielu kosztów, z którymi muszą się liczyć producenci – nie płacimy cła, podatków, nie mamy kosztów prowadzenia działalności, pracowników na utrzymaniu, strony internetowej, serwisu gwarancyjnego i pogwarancyjnego…

Podsumowując – tak, da się zbudować drukarkę za 1000zł.

Ale zupełnie zasadne jest też sprzedawanie przez czołowych producentów w branży drukarki za 8-12 tysięcy, która będzie się wykazywała dużo lepszą jakością wykonania, jakością wydruków, bezawaryjnością, wsparciem technicznym, większymi możliwościami konfiguracji, płynnością ruchów i nawet takimi pierdołami jak bezpieczeństwo użytkowania, czy redukcja hałasu.

Jednocześnie uważam, że nawet najtańsza drukarka może dobrze drukować, tylko trzeba odpowiednio długo namęczyć się z kalibracją, czasem nawet do każdego wydruku osobno.

Wybaczcie chaos.

Sen nie jest mi pisany. Właśnie odebrałem z paczkomatu ramę do kolejnej drukarki… #p3steel #3dprinter #maciejdrukujepl

Zdjęcie zamieszczone przez użytkownika Maciej Mosak (@mosi2323)

Orzeł wylądował. #zortrax #m200 #unboxing #3dprinting #maciejdrukujepl

Zdjęcie zamieszczone przez użytkownika Maciej Mosak (@mosi2323)