Endeligt lidt nyt igen – nu med RepRap

Det er ved at være noget tid siden sidste indlæg, men tænkte at jeg ville dele med omverdenen hvad jeg render og arbejder på i øjeblikket.

Denne gang er det 3D printere jeg har kastet mig over – mere præcist open source communitiet RepRap. For dem der ikke allerede kender til RepRap, så er ideen, at man selv kan bygge sig en 3D printer som kan printe en vis andel af sine egne dele selv – altså en printer der printer sig selv. Det er endnu ikke muligt at fremstille alle delene til en 3D printer på de printere der findes, men nogle af dem opnår ret høje procentdele efterhånden!

I løbet af min uddannelse som Mekatronik Ingeniør har vi brugt 3D print mange gange, da det er en måde man hurtigt kan få fremstillet prototyper fysisk. I stedet for at bruge flere dage i et værksted på at fremstille en bestemt del der skal bruges, kan man i stedet få printet sin 3D model fra computeren i plastic på en 3D printer. Det er ikke blot hurtigt men også en relativ billig måde. Materialet koster selvfølgeligt også, men man sparer mange mandetimer hvor printeren kan stå og passe sig selv.

Det er naturligvis ikke kun “seriøse” ting man kan printe på en 3D printer – der er et hav af muligheder for fremstilling af lidt sjovere ting. Man kan f.eks. gå på jagt på Thingiverse og finde alt fra dekorative elementer til brugbare gadgets som man blot kan downloade og printe i plastik.

Jeg er sammen med 2 kammerater gået igang med at bygge mig en RepRap Prusa i3, så jeg vil i dette indlæg komme lidt nærmere ind på hvordan en 3D printer egentligt fungerer og hvilket materiale den bruger. I et senere indlæg vil jeg så gå lidt mere i dybden med hvordan vi får bygget vores printer med referencer til køb af dele, priser og en liste over materialer.

Hvordan virker det?

En 3D printer virker måske umiddelbart ret kompleks, men når man begynder at kigge nærmere på de enkelte elementer, er den egentligt ret simpel at forstå. Lad os starte med selve rammen. Rammen er altafgørende for flere ting på printeren. Først og fremmest afgør den hvilken print-volumen printeren ender med at få – altså hvor store objekter den kan printe ud. Dernæst har forskellige rammer også forskellig stabilitet. Hvis man f.eks. kigger på en traditionel RepRap model som Prusa Mendel så opnår man ret stor uønsket bevægelse i x-retningen når det relativt tunge printhoved kører frem og tilbage på skinnen. Hvis man kigger på en af de industrielle printere som f.eks. Makerbot så har den en langt større ramme bygget op omkring printeren, hvilket giver den en helt anden stabilitet når den kører.

Bevægelser

Når printeren kører skal den naturligvis bevæge sig på en eller anden måde, for at fremstille et 3D print. Her findes der igen forskellige måder at gøre dette på. Det er næsten altid selve printhovedet der bevæger sig rundt imens der bliver kørt printmateriale igennem dyssen. Hvis man valgte alene at bevæge platformen i stedet for ville dette først og fremmest tage langt mere plads og det ville risikere at ryste printet ved høje print. Derfor vælger man typisk enten at det kun er printhovedet der bevæger sig, eller at det er printhovedet i 1 retning og platformen i 2 eller omvendt. Mange RepRap printere bevæger platformen i y-retningen og bevæger printhovedet i x- og z-retningen. Makerbot bevæger printhovedet i x- og y-retningen og flytter platformen i z-retningen. Der findes også enkelte printere hvor det kun er hovedet der bevæger sig – disse er typisk delta-printerne som f.eks. Gus Simpson, som i øvrigt var min første RepRap printer.

Det næste spørgsmål er så hvordan de forskellige akser bevæger sig. Her er det for langt de fleste RepRap printeres vedkomne ved hjælp af gevindstænger og tandremme. Igen har enkelte printere andre måder at bevæge sig, som f.eks. Gus Simpson, men det er et få-tal.

Prusa i3, som vi er i gang med at bygge, bevæger sig i z-retningen ved hjælp af gevindstænger koblet på en motor og i x- og y-retningen ved hjælp af tandremme.

Motorer

For at bevæge printeren skal der bruges nogle motorer. Det er her at RepRap printere er rigtigt dejlige at arbejde med, da de alle bruger den samme type motor. Det er nemlig en type af bipolar motor som kaldes Nema 17. Fordelen ved disse motorer er, at de er relativt præcise at kontrollere og samtidig til en okay pris – typisk omkring 100kr for en motor. På vores Prusa i3 printer skal der bruges 5 motorer for at få den til at køre og – i vores tilfælde – en ekstra motor for at kunne printe med 2 materialer på én gang. Det skal jeg nok komme ind på senere.

Fordelen ved at bruge samme type motor på alle printerne er, at når man bliver træt af sin egen, eller får lyst til at lave en ny, så kan man genbruge motorerne. De er også lette at få fat på, både i Danmark og i udlandet.

Printhoved

Printhovedet er en af de vigtigste dele på en 3D printer. Printhovedet består af en extruder, en blæser og i nogle tilfælde et filament drive. Extruderen er kernen i hovedet. Det er her plastiktråd kommer ind og bliver smeltet for derefter at blive presset igennem printdyssen. Blæseren bruges ved nogle materialer til at køle efter dyssen for at få materialet til at binde bedre til laget der printes på. Til sidst er der filament drive, som er den motor der sørger for, at skubbe printtråd igennem extruderen. Man kan ikke snakke om at der findes en bestemt konfiguration af printhoveder. Det er typisk muligt at vælge mellem flere forskellige hoveder som man kan skifte ud som man nu lyster. Typisk findes der dog 2 konfigurationer: single extruder og dual extruder.

Single extruder er, som navnet antyder, når man kun kører med en enkelt extruder i hovedet. Dermed kan man printe med ét materiale ad gangen. En dual extruder har 2 extrudere på hvoedet og kan således printe med 2 forskellige materialer på én gang. Det kunne f.eks. være hvis man ønsker at printe i flere farver, eller hvis man har et bestemt materiale til at lave support for figuren. Vores printere bliver lavet med dual extrudere så vi kan printe mere avancerede modeller som kræver et sekundært vand-opløseligt support materiale.

Selve ekstruderen består af et rør til indføring af materiale og en dysse hvori der sidder en temperatursensor og et varmeelement. Det er her plastikken smeltes og sprøjtes ud på printet. Her er det vigtigt at dyssen har den rigtige temperatur alt efter hvilket materiale man bruger, hvilket styres fra elektronikken ved hjælp af temperatursensoren.

Printplatform

Selve platformen der printes på har det formål, at holde en bestemt temperatur til de første par lag der printes for at få bedre kontakt med platikken og således sørge for at printet bliver perfekt. Man bruger altså en opvarmet plade med en temperatursensor i midten. Oven på denne plade monterer man en glasplade eller anden form for specielfremstillet printplatform som skal varmes op. Glas har den fordel, at det er nemt at skrabe printet af efterfølgende. Det skal dog siges at det er en god idé at købe Borosilikatglas som kan holde til temperatursvingningerne så man ikke pludseligt står med en sprængt glasplade og et ødelagt print.

Elektronikken

Elektronikken består af en række forskellige dele, men det primære jeg vil snakke om her, er kontrol-enheden.

Selve kontrol-enheden er et meget omdiskuteret emne når det kommer til RepRap. Hver gang du spørger en entusiast vil du får et forskelligt svar på hvad der er bedst. På min først printer brugt jeg et Azteeg X1 board som viste sig at være rigtigt godt, men også dyrt! Fælles for mange af kontrolenhederne er, at de er basseret på en Atmega chip og programmeres igennem Arduino IDE når der skal lægges firmware på. Dette er egentligt okay, men boardet har nogle begrænsninger og er ikke specielt hurtigt. Det er derfor ved at blive mere og mere aktuelt at køre med små 32 bit ARM processere på de nyere kontrolenheder. Jeg har personligt ikke udforsket dette så meget endnu, men har umiddelbart ikke behov for at opgradere til denne lidt dyrere løsning endnu.

Kontrolenheden er den del af elektronikken som sørger for at omsætte det genererede kode fra computeren til motorbevægelser på printeren. Der er typisk to måder at bruge disse enheder på; tilsluttet en computer med en form for software til at håndtere afsendelsen af information eller stand-alone ved at have printet på et SD kort som så kan startes ved hjælp af nogle knapper og et display på printeren.

Jeg har personligt brugt et board tilsluttet computeren med Repetier Firmware på kontrolenheden og Repetier Host på computeren til at lave 3D filerne om til maskinkode som printeren kan forstå. Igen findes der mange forskellige løsninger derude som man kan prøve sig frem med, men jeg har været glad for at bruge Repetier på et Atmega-baseret board.

Hvilke materialer kan der bruges?

Først og fremmest, når man snakker 3D print, kalder man 3D materiale for filament. Det er det engelske ord som er brugt, men når der skal søges efter materialer vil det typisk også være brugt hos danske forhandlere.

Nu har jeg ind til videre skrevet at forskellige dele kan printes i plastic, men plastic er et vidt begreb, og der findes faktisk mange forskellige spændende materialer man kan printe med, alt efter hvad man har i sinde at printe. De mest brugte materialer er ABS plast og PLA plast. Begge har fordele og ulemper hver for sig. F.eks. kræver ABS højere temperature end PLA for at printe, men behøver til gengæld ikke køling på print-hvoedet. PLA kræver at der er noget køling ved dyssen så plastet sætter sig ordentligt på laget nedenunder.

Der findes naturligvis også mange andre rigtigt fede materialer man kan printe med. Blandt nogle af mine favoritter er et nylon materiale fra Taulman kaldet Taulman Bridge Nylon. Dette materiale kan printes på de fleste printere uden anden modifikation end lidt lim på print platformen. Materialet er langt stærkere end almindeligt ABS, og man behøver således ikke at gøre sig alt for store bekymringer hvis man printer dele til brug i mekaniske opbygninger.

Et andet materiale jeg er stor fan af, er et materiale kaldet Ninja Flex. Dette materiale kan printes uden modifikationer på de fleste printere, og i stedet for at printe et solidt emne kan man med dette materiale printe fleksible modeller som virker nærmest silikone, f.eks. som et mobilcover. Se eventuelt denne lille videodemonstration herunder:

Supportmateriale

Supportmateriale er et materiale man bygger op omkring en figur når der er overhængende elementer. Hvis man f.eks. forestiller sig at skille printe et “T”, så ville det være nødvendigt at bygge supportmateriale op om “stammen” på T’et for at kunne printe “armene” så de ikke bare falder ned. Normalvis vil man, med en almindelig single extruder konfiguration, blot lade programmet printe almindeligt materiale med lidt mindre præcision og infill så materialet er let at fjerne efterfølgende. I nogle tilfælde er dette ikke muligt. Forestil dig at printe en kugle med en kugle indeni. Der ville man ikke kunne komme ind og fjerne supportmateriale uden først at ødelægge den yderste kugle. Derfor kan eksempelvis anvende et materiale kaldet PVA som kan opløses i vand. Man kan således bare lægge sin figur i et vandbad indtil materiale er opløst, hvorefter man har en perfekt printet figur. Dette kræver at man har en dual extruder konfiguration, så det er en overvejelse man skal gøre sig.

Lige netop printhovedet er relativt nemt at skifte ud efterfølgende på de fleste printere, men alligevel noget man lige skal tjekke op på inden man køber.

Der findes naturligvis langt flere materiale derude som f.eks. plastik der skifter farve i sollys, plastik der skifter farve efter temperatur, selvlysende plastik eller elektrisk ledende plastik. Jeg har ikke selv overblik over alle materialer der findes, men en hurtig søgning på google kan hjælpe godt på vej.

Jeg håber at denne lille introduktion til 3D print har givet blod på tanden for at gå i gang også. Jeg vil som sagt komme med et opfølgende indlæg med lidt flere detaljer om vores engne nye 3D printere med langt flere detaljer om hvordan vi har angrebet det, hvor vi har købt dele og hvor man skal passe på inden man går i gang.