Готовый перевод 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

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.

Идея Боуйера возымела большой успех, и небольшая команда начала работу над проектом. Физически они обычно располагались в Батском университете. Между 2006 и 2008 годом спроектировали первый опытный образец, способный печатать свои собственные детали: RepRap Darwin. За ним последовали другие версии (Mendel и Huxley), но ситуация стала меняться. В 2010-м вокруг проекта образовалось весьма обширное сообщество людей, которые обменивались своими моделями и отзывами через интернет. Проект RepRap начал развиваться независимо от основной команды. Люди стали экспериментировать с разными подкомпонентами машины: каркасом, электроникой, программным обеспечением, материалами и объектами, пригодными для печати. Проект уже не двигался в едином направлении, и первоначальная команда больше не выпустила ни одного официального устройства.

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.

Принтер RepRap печатает архитектурную модель из АБС-пластика

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.

Сегодня существуют десятки или даже сотни принтеров. Они все произошли от проекта RepRap вышеописанной дарвиновской эволюцией. Одни из них продаются компаниями, другие полностью с открытыми исходниками, и значит, доступны любому, кто хочет держать исходники деталей у себя и производить их.

Проект RepRap очень активен, благодаря тысячам активных людей, но ему очень не хватает какой-нибудь формы централизации, генеральной линии, общих целей или официальных проектов.
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 многих инструментов совместной работы, не содержит достаточно документации, чтобы отследить каждую разработку в области RepRap.

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, сохраняющие права копирования, лицензии.

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 (сопло), слой за слоем создавая объект. Такие устройства обычно работают с объёмами 20-30 куб.см, хотя не так уж и сложно построить принтеры большего масштаба 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.

В то время как основной принцип у всех принтеров остаётся общим, механика развилась в соответствии с любой возможной комбинацией: печатная платформа зафиксирована или скользит по одной оси, или движется по двум и даже трём осям. Декартовы роботы с отдельным двигателем для каждой оси иногда заменяются недавно представленной новой концепцией дельта-робота, в котором три манипулятора на 120° соединены универсальными шарнирами.

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.

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.

Катушки PLA-пластика на 3 мм для принтеров RepRap

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.

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.

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.

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

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).

Влияние Slic3r в мире 3D печати зашло дальше сокращения времени обработки. Несколько новых опций сподвигли сообщество работать над новыми идеями, такими как оснащение машин двумя или более экструдерами. Этот прием позволил делать многоцветные объекты или объекты из разных материалов; использование разных материалов в одной печати позволяет использовать больше удаляемых поддерживающих материалов. Еще одно применение возможностей мультиэкструдера – это использование сопла с маленьким отверстием для внешних видимых деталей и сопла с большим отверстием для быстрого внутреннего заполнения.

В более новые опции Slic3r включена возможность экономить время и материал. Время печати можно сократить, используя более толстые слои для внутреннего заполнения, но для видимых деталей использовать слои потоньше. Сократить расход материала можно, если настроить Silc3r для печати заполнением только в местах, где требуется поддержка перекрытий объекта. Позже была добавлена опция, позволяющая сочетать слои разной толщины в одном объекте.

Напоследок, но не менее важное, в Slic3r включена методика охлаждения, которая регулирует как охлаждающие вентиляторы (их скорость вычисляется в соответствии с потребностями) так и динамику скорости печати (автоматически понижается в небольших участках).

Как Slic3r работает
Slic3r принадлежит к категории программ CAM (Computer-aided manufacturing - автоматизированная система управления производством), которая является дополнением к CAD. Объект, спроектированный в CAD, затем обрабатывается в CAM для формирования машинных инструкций. CAM-программа знает параметры отдельной машины и используемого материала. Каждой производственной технологии требуется своя система CAM: фрезеры, токарные станки, 3D принтеры, и т.д.

Основное понятие технологии быстрого прототипирования, включая наше изготовление расплавленной нитью, -- это слой. Объект разделяется на горизонтальные слои согласно указанной толщины. Более тонкие слои допускают большую разрешающую способность (подумайте о менее заметных ступеньках на наклонной поверхности), но потребуется больше времени для печати. Понятие слоя дает возможность аддитивной технологии сделать любую форму, включая вогнутые формы или даже замкнутые объемы, содержащие внутри твердые тела. Субтрактивные ЧПУ станки не способны делать такие объекты.

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.

Траектории настраиваются несколькими способами, от этого зависит толщина стенок и внутренняя плотность, выражаемая коэффициентом плотности (плотность 40% дает очень хорошую механическую прочность, при этом 60% объема заполнено воздухом,). Есть и другие способы повлиять на заполнение, характеристики поддерживающего материала, температуру.
Slic3r понимает форматы STL, OBJ и AMF, в которых описаны сплошные треугольные сетки.
Важно, чтобы входные модели были пригодными и двумерно многообразными (это значит, что их топология должна быть правильной, однозначно сплошной, без отверстий и самопересечений). Slic3r выгружает файл с G-кодом, который будет управлять машинными компонентами.

STL модель механической детали, подготовленная к печати.

Сообщество и финансирование моделей.
Проект Slic3r - открытый ресурс и основан на лицензии AGPLv3. Разработка открыта и она пользуется совместными платформами, такими как IRC канал обмена информацией и репозиторий на платформе GitHub, где прослеживается каждая проблема или задача. Сообщество обеспечивает хорошо распространенную систему испытания smoke-testing (прим. перевод.: smoke test - в тестировании программного обеспечения означает минимальный набор тестов на явные ошибки. Дымовой тест обычно выполняется самим программистом; не проходящую этот тест программу не имеет смысла отдавать на более глубокое тестирование.), таким образом, сотни людей проверяют все изменения и сообщают свои результаты с подробными описаниями и картинками. Ошибки могут быть выявлены и быстро исправлены.

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, который оказывает ежемесячное финансирование, а также TrinityLabs, SeeMeCNC, RepRapDiscount, Wasp и другие), способствуют финансированию проекта. Такие компании считают существование проекта Slic3r критичным пунктом своего бизнеса и поддерживают его, как открытый ресурс – это способ понизить финансовое напряжение, так как разработка решений собственными усилиями была бы дороже и не разделялась бы среди нескольких субъектов. Кроме того, открытый проект получает выгоду от добровольных взносов сообщества

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.

Говоря о более далеких целях, Slic3r нуждается в оптимизации для более высокой производительности во встроенных платформах. В планах еще есть приличная и законченная графическая среда (IDE) где оператор может наглядно менять и пересматривать маршрут инструмента. Среди целей есть поддержка как дуг и NURBS (обобщение кривых Безье), так и более скоростных технологий прототипирования, например, DLP и SLS (пока мало изучены в мире открытых ресурсов, в том числе из-за отсутствия программ для них). Запланированы эксперименты по увеличению однородности объектов путем улучшения скрепляемости слоев и снижения проблем деформации. Еще один открытый вопрос заключается в точности линейных размеров: из-за нескольких факторов, в том числе неравномерности термической усадки используемых материалов, размерные ошибки часто значительны, особенно для отверстий, имеющих маленький диаметр. Необходимы более совершенные модели для компенсации теплового поведения.

Переведено на Нотабеноиде
http://notabenoid.org/book/41907/160862

Переводчики: Woolpit, alex_itz, aks_id, kindra