3D принтер из ЧПУ станка

Станок с ЧПУПостоянным моим читателям, да и мне самому будет интересна переделка (или, скорее, доработка) уже готового станка с ЧПУ в 3D принтер. Те же посетители, у которых пока нет станка с ЧПУ, сделанного своими руками, захотят узнать, как сделать 3D принтер своими руками с нуля. И то и другое я здесь постараюсь подробно изложить.

В общем-то 3D принтер практически ничем не отличается от фрезерного станка с ЧПУ. Он тоже имеет 3 оси X, Y и Z, и механизмы перемещения по этим осям. И ЧПУ станок, и 3D принтер программно управляются при помощи одного и того же G-кода. Отличие состоит только в рабочем инструменте, перемещаемом по рабочему полю. У 3D принтера это печатающая головка — так называемый «экструдер», выдавливающий расплавленный пластик, а у фрезерного станка с ЧПУ это высокоскоростной шпиндель (двигатель), в который зажата фреза, вырезающая деталь из какого-либо материала.

Тем, кто хочет построить 3D принтер своими руками с нуля, я настоятельно рекомендую посмотреть в сторону механики именно фрезерного станка с ЧПУ, рассчитанного на более серьезные нагрузки. 3D принтер из фрезерного станка всегда можно сделать, а вот фрезерный станок из 3D принтера сделать не получится! (Получится, конечно, но это будет фрезерный станок для раскроя бумаги — не более того).

Итак, мы выяснили, что у 3D принтера и фрезерного станка с ЧПУ есть общая конструктивная часть — механизмы перемещения по трем осям X, Y, Z. Чтобы получить 3D принтер с более высоким разрешением, я рекомендую из доступных компонентов обычную строительную шпильку в качестве механизма линейного перемещения по осям, хотя в некоторых проектах 3D принтеров часто применяют зубчатые ремни. У меня сложилось о них не самое лучшее впечатление, подтвержденное некоторой практикой. В общем — не самое лучшее решение для точного перемещения!

Теперь об отличиях. Как я уже сказал, 3D принтер отличается от фрезерного станка с ЧПУ только тем, что у него есть экструдер в качестве рабочего инструмента и стол с подогревом, который, вообще говоря — вещь не обязательная (его можно соорудить уже потом после первых проб печати на 3D принтере, сделанном своими руками).

Если смотреть на вопрос выбора механики для 3D принтера более углубленно, то нужно учесть и тот момент, детали какого размера вы собираетесь в итоге печатать? Дело в том, что из-за высоких нагрузок в ЧПУ станках при обработке твердых материалов (таких, как стеклотекстолит, алюминий или даже сталь) его ось Z обычно ограничивают длиной в 100-150 мм. Если вам ну просто позарез нужно печатать высокие модели на 3D принтере, то, конечно, нужно делать именно 3D принтер с высокой осью Z. Но тогда вы потеряете возможность переделки его во фрезерный станок с ЧПУ. Или же вы делаете станок с ЧПУ с возможностью 3D печати деталей, но с ограничением по их высоте. Тут уже, как говориться, решать вам.

Начнем мы с изготовления экструдера 3D принтера своими руками. Пока будем его изготавливать, у вас есть время подумать, нужно ли делать отдельно 3D принтер или же сделать сразу станок с ЧПУ с возможностью 3D печати плюс все остальные прелести ЧПУ-фрезера: возможность дешево вырезать детали из дерева, пластика, алюминия, латуни и даже стали. У меня же уже есть станок с ЧПУ, поэтому мне не хватает только экструдера :)

Задача экструдера — нагревать и выдавливать тонкую нитку расплавленного пластика. Если быть точнее, то экструдер вдавливает нить пластика в нагреватель, из которого уже вылезает расплавленный пластик. Для экструдера нам понадобится обычный шаговый двигатель типоразмера NEMA 17 (именно такие есть в старых струйных принтерах с помойки), пара шестеренок и валик для захвата нити пластика, нагревательный элемент, который будет плавить нить пластика, термо-датчик, которым будет измеряться температура нагревательного элемента, и наконечник с маленьким отверстием (обычно 0,5 мм) для выдавливания расплавленного пластика. Также потребуется драйвер для шагового двигателя (электронная плата управления) и контроллер экструдера.

Контроллер экструдера нам потребуется в случае, если мы дорабатываем наш ЧПУ станок до 3D принтера. Если же мы делаем отдельный 3D принтер своими руками, то контроллер экструдера является функциональной частью общего контроллера 3D принтера. В любом случае, придется покупать какой-то контроллер. Просто владельцы фрезерных станков с ЧПУ могут отделаться гораздо дешевле, купив или спаяв самостоятельно простенький Arduino-контроллер с USB портом (700 рублей и дешевле), в то время как для отдельного 3D принтера потребуется покупать более дорогой и навороченный контроллер (такой как Arduino Mega 2560 от 1600 рублей).

Как я уже говорил, 3D принтер из ЧПУ станка сделать можно, а вот из 3D принтера ЧПУ станок — уж извините, но только если лазер туда повесить и бумагу кроить…

Я решил сделать 3D принтер из ЧПУ станка потому, что я уже сделал себе ЧПУ станок своими руками. И моему ЧПУ станку не хватает только экструдера и нагревательного столика, чтобы сделать 3D принтер из ЧПУ станка. Также многие читатели ТехноБлога Dimanjy уже имеют ЧПУ станок или планируют его построить в ближайшее время, поэтому расширение своих станков с ЧПУ до 3D принтера им также будет интересно.

Кроме всего прочего я также планирую построить с нуля 3D принтер своими руками. Процесс постройки я опишу в отдельной статье (или даже серии статей) на своем блоге Dimanjy. Отдельный 3D принтер все же иметь удобнее, чтобы станок с ЧПУ пилил, как ему и подобает, а 3D принтер печатал.

Теперь ближе к теме. Чтобы сделать 3D принтер из ЧПУ станка, последнему, как я уже говорил, не хватает только экструдера и подогреваемого столика. Столик, кстати, нужен только если мы планируем печатать ABS-пластиком. Для PLA-пластика столик можно и не подогревать.

Вся проблема в том, что экструдером и подогреваемым столиком нужно как-то управлять. При этом способ управления этими специфичными для 3D принтера узлами должен быть стандартизированным и совместимым с большинством программ генерации G-кода для 3D принтеров (так называемыми «слайсерами», такими, как Slic3R, Cura и другими).

Для этого обратимся к документации по типовому G-коду для RepRap 3D принтера, который стал своего рода стандартом в области 3D печати. Начиная с команд M101 уже появляются специфичные именно для 3D принтера G-коды, такие как «Включить экструдер 1″, «Установить скорость экструзии», «Выставить температуру экструдера», «Включить обдув» и т.д. Понятно, что делая 3D принтер из ЧПУ станка нужно постараться максимально следовать этому устоявшемуся стандарту. Но для нас, счастливых обладателей ЧПУ станков под управлением LinuxCNC, это совсем не проблема. Ведь мы можем делать все, что угодно с помощью такого мощнейшего программного инструмента как LinuxCNC в связке со скриптами на языке Python (Питон). Ну а электронику мы допаяем или докупим — кому как удобнее.

Итак, архитектура нашего 3D принтера из ЧПУ станка будет следующая. У нас есть станок ЧПУ под управлением LinuxCNC. Станок уже оснащен контроллерами шаговых двигателей для осей X, Y и Z, и прекрасно будет отрабатывать все G-коды 3D принтера, относящиеся к перемещениям. Нам не хватает теперь обработчиком M-кодов для экструдеров, подогревов и прочих специфичных для 3D принтера действий. В этом нам поможет отдельный контроллер, который будет подключаться к управляющему компьютеру через USB и общаться с LinuxCNC через скрипты на Питоне. В качестве контроллера подойдет стандартная платка Arduino Mega/UNO/Nano/Duemilanove (в общем, любая самая бюджетная Ардуинка) со специальным шильдиком расширения. Или же можно спаять свой контроллер на базе Atmega-8/168/328 и сразу совместить контроллер с шильдиком расширения на одной плате.

Для изготовления экструдера нам понадобится еще один дополнительный шаговый двигатель, который будет отвечать за подачу пластикового прутка в печатающую головку 3D принтера (так называемый HotEnd — «горячий наконечник»). Для упрощения управления я предлагаю использовать униполярный шаговик, потому как для него нужжно всего 4 транзистора MOSFET и 4 диода Шоттки. (Для биполярного шаговика потребуется в 2 раза больше транзисторов и диодов и еще куча выводов микроконтроллера или дополнительные микросхемы логики).

  • Igor Muravitskiy

    Сделай пожалуйста фото по бокам чпу,как там устроино,а то не очень ясно.

    • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

      У меня несколько статей про мой станок, и все с фотками со всех сторон. В начале поста ссылка есть про станок с ЧПУ своими руками.

    • Дмитрий Макаров

      все там ясно. гуманитарий разве что не допрет :D а вообще плагиатить не хорошо :D

      • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

        Да не, пусть народ «плагиатит» на здоровье! :) Для этого блог и веду :)

        • Дмитрий Макаров

          да суть даже не в плагиате ) конструкция у вас простая до безобразия ) не удивлюсь если чертежи просить будут )) коих на сколько я знаю нет в принципе ))) народ разучился думать и придумывать что-то самостоятельно )) деградируем :)

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            Да, чертежи уже просили и не раз:) И, конечно, их просто нет! :)
            Это как раз тот случай, когда наличие чертежей НЕ ПОМОЖЕТ собрать станок быстрее, а скорее наоборот.

          • Igor Muravitskiy

            Да гуманитарий,но работать руками умею, конкретно сбоку не видно как устроен привод и где шаговый двигатель,весь блог перечитал,не нашел на фотках.
            P.S Ни когда с таким не связывался,поэтому для кого-то задаю глупые вопросы.

          • Igor Muravitskiy

            P.P.S Имеются ввиду вариант станка после установки строительной шпильки.Если что заранее извиняюсь.

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy
          • Igor Muravitskiy

            Получается он в трубе спрятан,теперь ясно все.Спасибо большое за ответ.

          • Дмитрий Макаров

            открываете goodle и вперед изучать устройство типовых чпу :) первое что вам вылезет это shapeoko :) вот и пляшите от него :) все банально как таджик на стройке :)

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            Рискну предположить, что именно так Игорь и попал на мой блог Ж:)

          • Igor Muravitskiy

            Да вы правы,и если честно я несказанно этому рад,так как лучшего варианта не нашел.

          • Igor Muravitskiy

            И еще 1 вопрос,какой китайский контроллер вы ставили,(если можно ссылочку или модель указать).

          • Дмитрий Макаров

            без разницы какой контроллер ставить ) главное чтоб драйвера по току движков подходили )) и да )) про контроллер тут тоже было сказано )) а вообще заходите на али и ищите :) в любом случае китай вы найдете только для nema24 :) а это 3-4А ток :) а это самый распространенный драйвер на tb6560, и самый дешевый :) покупаете 4 драйвера ну и опторазвязку MACH3 :) все это есть либо по отдельности (опторазвязка на 5-7 осей), либо в сборе бесполезная красная/синяя плата с большим радиатором и кулером всего на 4 оси :) сразу скажу на одной плате все будет адово перегреваться, т.к. кулер там херовый :) к тому же из-за общего радиатора будет распределение температуры на все tb6560, что не есть хорошо :) я например брал 5 драйверов и опторазвязку на 5 осей :)

            з.ы. прежде чем задавать вопрос нужно по гуглить :)

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            А у меня как раз красная на 4 оси на Тошибовских чипах. Я поставил ток на 75% и у меня все вообще холодное. Даже вентилятор не ставил.

            У этой платы, как говорят, нельзя оставлять один из чипов без нагрузки. Т.е. хотя бы резисторами вместо обмоток заглушить. А я этого не знал и гонял прям так больше года. Потом только решил задействовать 4-ю ось. Ну и оказалось, что вроде как даже работает, но на слух есть что-то вроде пропуска шагов. Так что, лучше и правда шунтировать неиспользуемую ось, наверное…

          • Дмитрий Макаров

            цельная плата это вообще проблема… многие, кто ее юзал жалуются… я решил не заморачиваться изначально и взял вот эти драйвера http://ru.aliexpress.com/item/Free-Shipping-TB6560-3A-Driver-Board-CNC-Router-Single-1-axes-Controller-Stepper-Motor-Drivers/32547490541.html?detailNewVersion=2 и опторазвязку http://ru.aliexpress.com/item/Original-5-Axes-CNC-Breakout-Board-w-Optical-Coupler-For-MACH3-Stepper-Motor-Driver-Top-Sale/32578993009.html?detailNewVersion=2
            по факту это одно и то же, но дешевле и безопаснее в плане эксплуатации, к тому же замена проще… к тому же USB

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            Там ведь и LPT тоже есть?
            Просто USB обычно в ЧПУ стараются не использовать. Это только на крайний случай, когда уже ну просто совсем негде взять LPT-порт.

          • Дмитрий Макаров

            с USB проблем особых нет, единственное, что может быть это при сильной загрузке компа (менее 2 гига оперативы) проблемы с передачей данных, а так что LPT, что USB лично я разницы особой не вижу. к тому же нэтбук/планшет подключать удобно

          • Igor Muravitskiy

            По поводу USB, насколько я знаю скорость и точность работы на USB на много хуже чем LPT.

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            Не, точность там не может быть хуже, там просто дело в другом. Для USB у управляющей программы нет возможности отслеживать в _реальном времени_, что происходит на станке. Она «плюнула» в него пачкой G-кода (буферизация), и надеется, что станок ее выполнит.
            При работе через LPT возможна работа в реальном времени, т.е. управляющая программа может сразу же получать данные обратной связи от станка и принимать решения. В частности, в LinuxCNC режим реального времени используется для генерации сигналов на сервоприводы. Также можно навесить на шаговики энкодеры и обрабатывать данные с них внутри LinuxCNC как заблагорассудится. Но это уже для ЧПУ-гурманов со знаниями программирования. Ну и для решения специфических задач, таких, как нарезание резьбы на токарном с ЧПУ и т.д….

          • Igor Muravitskiy

            «з.ы. прежде чем задавать вопрос нужно по гуглить :) » — То что вы написали я знал (гуглил).Этот вариант выходит дорого,мне на первое время вариант Dimanjy больше подходит (цена). Dimanjy не указал в своих статьях какой именно контроллер у него стоит (просто назвал китайский контроллер), но указал что точность и скорость работы хорошая (мне подходит по всем параметрам).А так спасибо за время уделенное мне.

          • Дмитрий Макаров

            будете гнаться за дешевизной — потеряете больше чем при покупке нормального проверенного оборудования ) к тому же красный MACH3 сейчас стоит от 3,2 до 12 к ) модульная сборка MACH3 стоит максимум 3,5 к ) при том, что в случае выхода из строя одного блока вам не придется его перепаивать ) гораздо дешевле купить новый блок за те же 320…500 руб., а в случае добавления оси на ваш чпу вы тупо докупаете к уже готовому 5-7 осевому блоку еще один ШД и драйвер, и исголяетесь как душе угодно.

          • Igor Muravitskiy

            То есть получается ваш вариант аналог «Красной платы» LTP порт насколько я понял имеется?. Эти драйвера будут работать с nemo 23?

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            На моей плате только LPT и есть :)
            Драйвера подбирают обычно по току. У этих 2.5 А на обмотку. И двигатели надо под этот параметр подбирать. Или если двигатели уже есть, то подбирать драйвер к ним по току обмотки.
            Nema 23 — это только типоразмер двигателя, и никакого отношения к току обмотки не имеет. У меня тоже Nema 23, если что :)

          • Igor Muravitskiy

            Я Дмитрию вопрос задавал,интересно было узнать про его схему,так как на форумах драйвера tb6560 не очень хвалят и узнать есть там LTP порт,то что у вас LTP порт я знаю и движки Nema23 8430 все запомнил, так как хочу точно такой же как у вас (под мой бюджет и цели идеально подходит).

          • Дмитрий Макаров

            ну вы схему посмотрите и сравните ) если не нравится tb6560, то можно заменить на драйвер на транзисторах. погоды это все равно не изменит, т.к. большинство рассчитано ровно под 3-4 А, если посмотрите даташит по nema23, то там черным по белому написан максимальный ток

          • Igor Muravitskiy

            Вот что-что а схемы для меня просто «Ад».Ни фига не понимаю (по физике 2 было).Поэтому и задал такой вопрос,аналогична ли ваша схема или если есть разница, то какая?

          • http://tech.dimanjy.com/ Dimanjy

            http://duxe.ru/product_info.php?cPath=34&products_id=232
            Только пока там в наличие нет. Проверьте через недельку.

          • Igor Muravitskiy

            Спасибо большое.