Low-cost 3D Printing for Science, Education and Sustainable Development / Доступная 3Д печать для науки, образования и устойчивого развития: 6. RepRap, Slic3r и будущее 3D-печати

Алессандро Ранеллуччи
RepRap/Slic3r, Италия
alessandro@unterwelt.it

kindra 18.09.13 в 11:52

Краткая хронология проекта RepRap

Проект RepRap стартовал в 2004-м, когда Адриан Боуйер (Adrian Bowyer), старший преподаватель Батского университета, предложил идею самовоспроизводящегося устройства, способного изготовить большинство деталей, необходимых для сборки точно такого же устройства. Основная задача состояла в том, чтобы найти технологию, подходящую для создания элементов механики и конструкции, а также электроники и ремней. Технология быстрого прототипирования к тому времени уже существовала много лет, для неё были нужны дорогие, патентованные профессиональные машины, которые использовали аддитивные техники создания цельных объектов. И всё же использование таких машин было единственным приемлемым способом создания частей для первого самовоспроизводящегося устройства. Значит, само устройство нуждалось в дешёвой и простой технологии, чтобы делать то же самое (что и дорогая машина прототипирования — Прим. пер) и производить «дочерние» устройства.

aks_id 24.11.13 в 18:42

Идея Бойера была успешна, и небольшая команда начала работать над проектом. Они работали главным образом в Университете Бата. В 2006 - 2008 г.г. был разработан первый прототип, который мог печатать свои собственные детали: RepRap Darwin. Затем последовали другие версии (Mendel и Huxley), но контекст был изменен. В 2010 у проекта было достаточно большое сообщество, обменивающиеся разработками и мнениями через Интернет. Проект RepRap начал развиваться независимо от основной команды. Люди начали экспериментировать с различными составляющими принтера: каркасом, электроникой, программным обеспечением, расходными материалами, печатными объектами. У проекта больше не было единого направления и больше не было официальных машин созданных основной командой.

porex 23.10.13 в 13:23

На самом деле это было второй, неофициальной целью доктора Боуйера — дать начало естественному, дарвиновскому процессу спонтанной и широко ветвящейся эволюции. Каждый индивидуум отобрал одни элементы, внедрённые в проект разными людьми, и отбраковал другие: это поистине эволюционный процесс. В современных 3D-принтерах мы могли бы различить вклады десятков людей в каждую из его частей: электронику, систему подачи нити и всё остальное — спонтанно выбранные за качество, удобство, простоту использования, прочность или универсальность.
Важное изменение произошло осенью 2011 года, когда молодой Йозеф Пруша (Josef Průša) пустил в обращение свой Prusa Mendel. Он сказал, что это Ford Model T (первый по-настоящему массовый автомобиль в истории — Прим. пер.) в 3D-печати, так как в нём были сильно упрощены детали конструкции. Для Prusa Mendel по большей части были нужны детали, продающиеся в местных магазинах, поэтому он быстро стал самым известным принтером в мире.

Woolpit 03.12.13 в 15:45

Принтер RepRap печатает архитектурную модель из АБС-пластика

aks_id 24.11.13 в 18:53

Проект RepRap сегодня

Последствия быстрого распространения проекта RepRap в мире огромны и затрагивают далеко не только ограниченное сообщество, вовлечённое в сам проект. Наличие столь недорогих устройств позволило реализовать другие проекты, вдохновило движение «творцов», способствовало распространению лабораторий fab lab (мастерских, участники которых могут изготавливать необходимые им детали на общих станках с ЧПУ - Прим. пер.) и разработке плат типа Arduino. Оно даже открыло новые экономические ниши: производство комплектующих и расходных материалов, продажа готовых принтеров и наборов для сборки, услуги печати по запросу, центры поддержки, обучающие курсы и даже магазины.

aks_id 24.11.13 в 18:56

Сегодня существуют десятки или даже сотни принтеров. Они все были выведены из проекта RepRap вышеописанной дарвиновской эволюцией. Одни из них продаются компаниями, другие полностью open source (т.е. с открытыми исходниками), и значит, доступны любому, кто хочет найти детали в своём городе и собрать их.

aks_id 24.11.13 в 19:00

Весь проект RepRap очень активен благодаря тысячам активных людей, но в нём полностью отсутствует какая-либо форма централизации, директив, общих целей или официальных моделей.
Предпочтительные средства коммуникации — это IRC-чат (#reprap на FreeNode) и официальный форум, в то время как блог проекта фиксирует лишь некоторые важные новости сообщества. Даже вики, будучи одним из самых общедоступных инструментов, не содержит достаточно документации, чтобы отследить каждую разработку в сфере RepRap.

aks_id 24.11.13 в 19:03

RepRap уже отождествляется не столько с проектом, сколько с экосистемой, в которой множество субъектов действуют в согласии с принципами открытого аппаратного обеспечения и используют для обмена знаниями свободные, открытые, антикопирайтные лицензии.

aks_id 24.11.13 в 19:10

Характеристики 3D-принтеров RepRap

Принтеры RepRap основаны на технологии послойного наплавления, которая представляет собой процесс плавки пластиковой нити и нанесения расплавленного материала на уже готовые слои из того же материала. В том, что касается «железа», эти принтеры очень схожи: инструмент перемещается в пространстве в соответствии с декартовой или недекартовой системой и способен добраться до любой точки XYZ в области печати. Этот инструмент — экструдер, который расплавляет термопластики и проталкивает их через маленькую насадку, слой за слоем создавая объект. Такие устройства обычно работают с объёмами 20-30 см3, хотя не так уж и сложно построить более широкие принтеры для печати более крупных объектов. Тем не менее есть несколько проблем с крупномасштабной печатью: во время тепловой усадки большие объекты, особенно из АБС-пластика, могут растрескаться или деформироваться, а процесс печати может растянуться на несколько дней, что рискованно, поскольку любой сбой приведёт к перезапуску всей печати. Операторы обычно делят большие объекты на более удобные блоки, которые можно собрать вместе.

aks_id 24.11.13 в 19:17

В то время как основной принцип у всех принтеров остаётся общим, механика разрабатывалась во всевозможных сочетаниях: неподвижная платформа, или скользящая по одной оси, или подвижная по двум и даже трём осям. Декартовы роботы, имеющие двигатель на каждой оси, иногда заменяются недавно представленной новой концепцией дельта-робота, в котором три рычага на 120° соединены универсальными шарнирами.

alex_itz 11.12.13 в 16:45

Доступна и разнообразная электроника, есть много продуманных вариантов, в том числе решения на основе Arduino и узкоспециализированные платы на базе микроконтроллеров Atmel или ARM. Исследования, связанные с электроникой, до сих пор имели несколько основных целей: стоимость, тепловая оптимизация, простота самопроизводства, поддержка ЖК-экранов или устройств для чтения SD-карт, поддержка нескольких экструдеров, модульное построение, вычислительные мощности.

aks_id 24.11.13 в 19:22

Большинство доступных плат имеют открытые источники, и их разработка обычно поддерживается компаниями, которые их продают. Материалы, используемые в технологии послойного наплавления, тоже постоянно эволюционируют. Доступны несколько термопластиков, включая ПЛА (производится из кукурузного крахмала или сахарного тростника), АБС-пластик (широко известный пластик, используемый в большинстве промышленных изделий), нейлон, поликарбонат. «Деревянная» нить тоже есть. У этих материалов разные физические и механические свойства, их температура плавления охватывает диапазон от 170°C до 300°C, в зависимости от материала, цвета, производителя.

aks_id 24.11.13 в 19:24

Катушки PLA-пластика на 3 мм для принтеров RepRap

Woolpit 12.12.13 в 21:47

Обратите внимание, что развитие пригодных для печати материалов контролируется промышленными инвестициями коммерческих компаний, обслуживающих рынок 3D-печати. Сообщество не вовлечено в такого рода эксперименты, а к производству материала почти никогда не применяется философия открытых источников.

aks_id 24.11.13 в 19:26

Появление Slic3r

Если механика и электроника — непременные составляющие 3D-печати, воздействующие на её скорость, возможности и точность, то программное обеспечение — незаменимое дополнение. Без программ такие механизмы не могли бы ничего двигать или создавать. Машинная логика находится в программном обеспечении, именно оно определяет стратегию координации приводов, экструдера и вентиляторов, необходимую для получения заданного результата. Программное обеспечение отвечает за то, чтобы конечный результат соответствовал ожиданиям оператора.

Woolpit 17.12.13 в 16:06

Slic3r появился в конце 2011, как попытка заменить существующее программное обеспечение, не подходящее больше для стремительно развивающегося проекта RepRap. Возникла необходимость в улучшенном инструменте, сочетающем в себе простоту использования и реального применения основной частью пользователей, которая объединяет множество людей, не принадлежащих к определенному сообществу, а так же соответствовать скорости развития механики и электроники. Программное обеспечение было критическим элементом, так как не позволяло извлекать из новых разработок наибольшую пользу.
Одним из примеров является быстродействие: в то время как развитие других компонентов (ремней, двигателей, приводного механизма шагового двигателя, втулок) уже привели к высокой точности, а хорошая пластиковая нить была доступна для регулярного приобретения, но программная обработка сложной детали (например, при высоте уровня 0,1мм) занимало несколько часов. Много времени поэтому уходило на ожидания между тестированиями, препятствущими хорошей калибровке. Нехватка хорошего программного обеспечения послужило причиной отставания в развитии со стороны 3D печати с высоким разрешением.
Обратите внимание, что быстродействие, фактически, не было одной из основных целей Slic3r, тем не менее, он (Слайсер) обеспечил достаточное быстродействие (примерно 100x предыдущей), и сообщество получило возможность тестировать свои принтеры с высоким разрешением печати, таким образом, поднимая планку качества.

Woolpit 04.12.13 в 09:50

Графический интерфейс Slic3r. После размещения модели на компоновочной плоскости, оператор выбирает совокупность параметров, необходимых для работы слайсера.

Woolpit 04.12.13 в 10:17

Основная цель, управляющая разработкой Slic3r, была в получении хорошо написанного программного обеспечения, а не результата многократных исправлений; чистого прокомментированного кода, также инструмента тестирования, который был бы основой для более стремительного развития и тестирования новых идей, таким образом отражая развитие со стороны аппаратного обеспечения. Простота использования также была среди исходных целей, так как пользователям был необходим простой интерфейс с ограниченным количеством опций, обеспечивающих хорошую печать, независимо от большого разнообразия аппаратных настроек.
Slic3r достиг этих целей, сделав 3D печать простой и доступной для большинства пользователей: хорошие результаты были получены, как раз установкой некоторых значений, которые было легко понять и измерить. . Тем не менее, позже возникла необходимость в большем количестве параметров конфигурации, чтобы поддерживать новые функции и соответствовать растущим ожиданиям пользователей (вызванные появлением Slic3r).

Woolpit 04.12.13 в 15:54

Влияние Slic3r на мир 3D печати прошло дальше сокращения времени обработки данных. Несколько исходных опций позволили сообществу работать над новыми идеями, такими как оснащение машин двумя экструдерами или более. Эта технология позволила сделать многоцветные объекты или объекты из разных материалов; использование множества материалов за одну печать позволяет использовать более легкие в удалении материалы для опор. Еще одно приложение функций мультиэкструдера – это использование носика с маленьким отверстием для внешних видимых деталей и носика с большим отверстием для быстрого внутреннего наполнения.

kindra 18.09.13 в 11:58

Больше исходных возможностей Slic3r включают возможность сэкономить время и материал. Время печати может быть сэкономлено при печати внутреннего наполнение более высоким толстым слоем, но все еще используя меньшую высоту слоя для видимых деталей. Частота использования материала может быть уменьшена выбором конфигурации Slic3r только чтобы положить наполнение, где необходима опора объекта. Позже была добавлена еще одна функция, чтобы дать возможность сочетать множество отличных по толщине слоев в одном объекте.

kindra 18.09.13 в 11:58

И наконец, последнее, но не менее важное, Slic3r включает интегрированную методику охлаждения, которая управляет обоими охлаждающими вентиляторами (скорость которых рассчитывается согласно необходимости), а динамика скорости печати (автоматически понижена в маленьких зонах).

kindra 18.09.13 в 11:58

Как Slic3r работает
Slic3r принадлежит категории программного обеспечения АСУП (автоматизированная система управления производства), которая является дополнением к CAD (Автоматизированное проектирование). Объект разработан в CAD и затем обработанный с АСУП, чтобы генерировать механизирующие инструкции. Программное обеспечение АСУП знает характеристики отдельной машины и материал, который будет использоваться. Каждая технология производства требует своего собственного АСУП: фрезы, токарные станки, 3D принтеры, и т.д.

kindra 18.09.13 в 11:59

Основное понятие технологии быстрого макетирования, включая наше Производство наплавочной нити – это слой. Объект дискретизируется в горизонтальные слои согласно указанной высоте уровня. Более тонкие слои допускают большую разрешающую способность (подумайте о менее заметных этапах на наклонной поверхности), но потребуется больше времени для печати. Понятие уровня включает аддитивные методы, чтобы сделать любую форму, включая вогнутые формы или даже закрытые объемы, содержащие внутри твердые части. Субтрактивные ЧПУ машины не смогут сделать такие объекты.

kindra 18.09.13 в 11:59

После формирования слоев объекта, как совокупности горизонтальных сечений, Slic3r генерирует траекторию движения инструмента для каждого слоя. Также, для каждой траектории движения Slic3r рассчитывает, сколько материала потребуется и какую скорость нужно использовать, а также насколько сильное охлаждение требуется.

kindra 18.09.13 в 11:59

Траектории движения инструмента реконфигурируемы в соответствии с несколькими опциями, влияющим на толщину стенок и внутреннюю жесткость, выражающихся в коэффициенте плотности (плотность 40%, таким образом, оставляя 60% объема занятого воздухом, дает очень хорошую механическую прочность). Доступны также другие опции, чтобы влиять на заполнение, скорость, характеристики опорного материала, температуры.
Slic3r читает форматы STL, OBJ и AMF, которые представляют жесткие триангулированные ячейки. Это важно, так как ввод моделей эффективный и двуобразный (это значит, что их топология должна представлять правильную, а не неопределенную плотность, без отверстий или самопересечений). Результат Slic3r – это файл g-кода, который будет управлять компонентами машины

kindra 18.09.13 в 12:00

STL модель механической детали готова к печати.

kindra 18.09.13 в 12:00

Сообщество и финансирование моделей.
Проект Slic3r - открытый ресурс и основан на лицензии AGPLv3. Разработка открытая и она пользуется совместные платформы, такие как IRC канал обмена информацией и репозиторий на платформе GitHub, где каждая прослеживается каждая проблема или задача. Сообщество обеспечивает отлично распространенную систему испытания герметичности с помощью дыма, таким образом, сотни людей проверяют все каналы и сообщают свои результаты с деталями и изображениями. Ошибки могут быть определены и быстро исправлены.

kindra 18.09.13 в 12:00

Проект извлекает выгоду из массового финансирования, идущего из двух явных направлений: с одной стороны это добровольные взносы пользователей, а с другой, это официальные спонсорские соглашения.
Поставщики принтеров и производители нити (прежде всего LulzBot, оказывает ежемесячное финансирование, а также, включая TrinityLabs, SeeMeCNC, RepRapDiscount, Wasp и другие), способствуют финансированию проекта. Такие компании рассматривают существование проекта Slic3r критическим пунктом своего бизнеса и поддержка его, так открытый ресурс – это способ понизить финансовое напряжение, так как разработка внутренних решений была бы дороже и не разделялась бы среди нескольких тем. Кроме того, проект открытый ресурс получает выгоду от добровольных взносов сообщества.

kindra 18.09.13 в 12:00

Нерешенные вопросы и будущие разработки
Опорные материалы являются одним из самых важных приоритетов проекта Slic3r, с тех пор как в профессиональной и коммерческой области 3D принтеры стали демонстрировать лучшие результаты. Опорные материалы – это каркас, который автоматически создается, чтобы поддерживать нависающие формы, которые не будут напечатаны без какой-либо поддержки под ними. Например, балконы здания или человеческий нос нуждаются в опорном материале. Машина с двойным экструдером позволяет печатать опору из другого материала (например, растворимая в воде нить PVA или деревянная нить, которая является хрупкой и легко удаляется). Однако очень часто опорный материал это тот же самый материал, из которого состоит объект: в этом случае программное обеспечение должно найти лучший компромисс между эффективностью опоры и ее устраняемостью. Цель – возможность вручную удалить опору без инструментов, без следов и без видимых швов на напечатанном объекте.

kindra 18.09.13 в 12:01

Говоря о множестве будущих целей, Slic3r нуждается в оптимизации для лучшей производительности на встроенных платформах. График также содержит подходящий и законченную графическую среду (IDE), где оператор может изменить и предварительно просмотреть траекторию движения инструмента визуально. Другие цели включают опору для дуг и неравномерного рационального би-сплайна (NURBS), а также опору для технологий быстрого макетирования таких как DLP и SLS (пока мало протестированный открытый мировой ресурс, но это из-за нехватки программного обеспечения для них). Запланированы эксперименты, чтобы сделать объекты более однородными путем переплетения слоев и уменьшения проблем деформации. Еще один нерешенный вопрос заключается в погрешности линейных размеров: из-за нескольких факторов, включающих на размерную точность: из-за нескольких факторов, включая разницу термической усадки используемых материалов, размерностные ошибки часто значительны, особенно для отверстий имеющих маленький диаметр. Лучшие образцы необходимы для корректировки температурного режима.

kindra 18.09.13 в 12:01