Рано или поздно, но наступает такой момент, когда вы осознаёте в полной мере, что возможностей домашнего 3d принтера недостаточно — так как его распечатки не отвечают вашим потребностям, с точки зрения инженерной прочности в первую очередь.
Поэтому некоторые начинают задумываться о переходе на более «тяжёлые» технологии — и в первую очередь это касается потребности по работе с металлом, так как это в полной мере открывает большое количество возможностей, до этого недоступных.
В связи с вышесказанным, посмотрим, какие возможности здесь имеются…
Для начала, наверное, надо рассмотреть, а зачем вообще домашнего мастеру нужна работа с металлом? На самом деле, это кардинально расширяет возможности, как бы «логически продолжает промышленную революцию», которая пришла в каждый дом, с появлением доступных бытовых 3d принтеров разных типов — даёт возможность: восстанавливать детали вышедших из строя механизмов, улучшать свой собственный быт, создавая компоненты для применения в быту и, наверное, самое интересное направление — создание своих собственных механизмов, устройств, компонентов робототехники.
Далее будет небольшое отступление, на мой взгляд, тоже важное, так как мы рассмотрим не только металл, но и работу с пластиком.
Особенно интересно, конечно, последнее (робототехника), так как позволяет в широчайших пределах реализовать свою техническую фантазию — фактически, выпустив в жизнь множество удивительных вещей, на практике реализовав свои навыки.
И, что особенно приятно, — такие изделия точно будут пользоваться спросом у людей, по той простой причине, что это очень сложная сфера, мало кому доступная с точки зрения навыков из обычных людей (т.е. мало кто может делать такое самостоятельно), поэтому, если у вас есть интерес к ней, то здесь имеются большие возможности…
Намекну на одну подобную интересную сферу: например, создание сложных роботизированных игрушек — традиционно, в этой области всегда работали корпорации, так как сложные изделия из пластика, снабжённые некой механикой и некой электроникой всегда были малодоступны для самостоятельного создания.
В первую очередь, это касалось конечно создания пластиковых деталей и сложной электронной логики. Но, как мы все знаем, в последнее время (а конкретно, примерно с 2018 года, с появлением и широким распространением доступных для всех фотополимерных 3d принтеров) первая проблема ушла в прошлое (а вторая — за счёт распространения микроконтроллеров) — так что теперь практически каждый может создавать на потоке сложные пластиковые детали, без задействования заводских технологий: изготовления пресс-форм, литья под давлением.
Традиционно, эти две технологии были сложны по следующим причинам:
Дороговизна изготовления форм для литья (из алюминия или стали): обычно это требует сложной ЧПУ-фрезеровки, с последующей доводкой поверхности до высокой степени гладкости.
На моей памяти, даже если заказывать это в Китае, нужно было отстоять неплохую очередь из желающих, не говоря уже и о том, что печатная форма для ОДНОГО пластикового компонента может стоить примерно до 150000 руб и выше. А в сложном изделии таких пластиковых компонентов могут быть десятки! Вот и думайте, во сколько обойдётся только изготовление форм…
Но формы — это только полбеды: необходимо ещё и установить эти формы в последующем в аппарат для литья под давлением (стоимостью где-то от 2 млн руб и выше, весом в несколько тонн) + найти и засыпать туда гранулированный пластик…
В общем, как вы могли понять по этим двум пунктам выше, — если идти по классическому промышленному пути, то это совершенно неподъёмно для 99,9% «энтузиастов с горящими глазами». :-)
Но кто сказал, что нужно идти классическим путём?! ;-)
И здесь, как раз и появилась возможность, с распространением фотополимерных принтеров!
Кстати говоря, на моей памяти, первую революцию в промышленном создании деталей совершили ещё fdm 3d принтеры — если память не изменяет, то ещё в начале 2010-х годов, в Швеции, был анонсирован стартап — первой в мире 3d печатной фабрики: в заводском цеху была установлена сотня или даже больше fdm 3d принтеров, тиражировавших детали.
С того момента прошло много времени, и, как мы все видим, к настоящему дню, подобный подход стал широко распространённым, де-факто, став одним из промышленных направлений.
Тем не менее, мы видим и основной минус такого подхода: потребность в закупке огромного количества принтеров, что, опять же, может быть проблемным для большинства энтузиастов.
Но есть альтернативный путь есть:
На первом этапе распечатывается мастер-модель (то есть, модель, с которой мы снимаем форму) на фотополимерном принтере, доводится нужным образом (удаляются поддержки, шлифуется и т.д.). Некоторые рекомендуют модель покрывать ещё и лаком, чтобы не происходило непосредственного контакта фотополимерного пластика и силикона формы (о нём ниже);
На втором этапе эта мастер-модель заливается силиконом, после застывания которого, он разрезается по торцу, и из него извлекается мастер-модель.
Если кому интересно, то довольно подробно, вопросы, касающиеся такого тиражирования с помощью литья в силикон, мы рассматривали вот тут, на примере силиконов с платиновым катализатором. Есть и более простые силиконы, например, с оловянным катализатором — как правило, они более дешёвые, дают усадку (в отличие от платиновых силиконов, у которых она минимальна).
На третьем этапе, происходит заливка литьевого пластика в эту силиконовую форму, после застывания которого, гибкую форму можно разогнуть и извлечь готовую деталь.
Таким образом, мы видим здесь интересную возможность: вместо необходимости покупки большого количества 3d-принтеров для тиражирования деталей, достаточно напечатать на одном принтере необходимые для тиражирования детали один раз — после чего копировать их с помощью литья во множество силиконовых форм.
Единственным минусом такого подхода является необходимость использования вакуумной камеры и вакуумного насоса для дегазации, как минимум, силикона, а как максимум, ещё и самого литьевого пластика.*
*Здесь под дегазацией понимается удаление растворённого атмосферного воздуха, потому что, если этого не сделать, то есть риск что и сама силиконовая форма, и финальная отлитая деталь будут содержать неточности из-за пузырьков воздуха, а также, это повлияет и на прочность.
Насколько я знаю (пускай если что поправят, те, кто знают по этой теме больше), так как литьевые пластики представляют собой двухкомпонентные смеси, после их смешивания, они сохраняют текучесть весьма ограниченное время (где то до 10 минут и меньше), поэтому, удалить из них после смешивания воздух может просто не хватить времени.
Размышляя над всем этим, мне пришла в голову интересная мысль, что можно было бы разместить сам литьевой пластик и его отвердитель прямо внутри вакуумной камеры, из которой откачивается воздух, в ходе чего, происходит дегазация и пластика, и отвердителя по отдельности.
Все дальнейшие, описанные ниже компоненты находятся прямо внутри вакуумной камеры и запитываются от батарейки или аккумулятора.
Затем, с беспроводного пульта вне камеры — запускается перистальтический насос самодельной конструкции или даже покупной — можно купить даже по цене чуть более 100 руб на известном китайском сайте:
Который подаёт отвердитель в пластик, после чего, механическая мешалка (лопатка, прикрученная к валу двигателя) начинает всё это перемешивать.
В качестве механической мешалки можно использовать тоже коллекторный двигатель, например, широко известный и используемый в самоделках двигатель серии N20, с металлическим редуктором:
В качестве управляющего драйвера для двигателей можно использовать, например, один из самых недорогих — двухканальный (т.е. предназначенный для подключения двух двигателей) HG7881CP.
На правах лайфхака: чтобы увеличить пропускную способность по току для этого драйвера, двигатель можно подключить сразу к двум каналам одновременно — таким образом, драйвер будет меньше нагружаться при работе, и вы увеличите шанс, что он не «вылетит» сразу :-)
Соответственно, при таком подходе, вам понадобится по одному драйверу на каждый двигатель — итого, два драйвера.
В итоге всего этого, мы можем получить очень интересный вариант: идеальную дегазацию компонентов литьевого пластика прямо внутри вакуумной камеры, где вся система будет управляться извне камеры с помощью пульта.
Соответственно, для построения подобной системы понадобится два микроконтроллера беспроводными интерфейсами, например, ESP32, где код-основу для прошивки микроконтроллеров (чтобы реализовать их связь друг с другом) можно взять, например, здесь или здесь.
Только его нужно будет допилить, в той части, чтобы происходило управление двигателями нужным вам образом (в данный момент в коде этого нет)…
______________
Однако вернёмся к нашему металлу…
Благодаря тому же самому широкому распространению 3d принтеров, появилась и некоторая возможность работать с металлом, что может быть полезным образом использовано.
Тут сразу надо отметить, что возможность довольно ограниченная — так как готовые изделия требуют постобработки, так как не отличаются высоким качеством поверхности и точностью.*
*С другой стороны, если посмотреть на то, как делаются типовые промышленные изделия, то они не сильно отличаются и отличаются после литья (в основном, если не брать высокоточное литьё под давлением) — скажем, мне, приходилось лично бывать на заводах (и очень больших, с числом работающих сотрудников более 5000 человек!), где массово льются детали — точно так же, их литьё происходит в песок, после чего, происходит постобработка (как правило, на ЧПУ-обрабатывающих центрах).
Причём, что интересно, как оказалось, песок нужной фракции далеко не везде есть, и, конкретно для этой компании, его везли за тридевять земель, в буквальном смысле — с другого континента! :-D
Таким образом, получается, что если бы вы захотели изготавливать металлические детали на дому, то, фактически, здесь вырисовывается два варианта:
Первый вариант самый доступный для многих — подразумевает распечатку нужной модели на fdm 3d принтере из pla-пластика, после чего, распечатанная модель заливается смесью песка и гипса ( 50 на 50),смешанных с водой.
После застывания готовой формы, она прокаляется, в результате чего выгорает пластик, и внутри формы образуются полости для металла, куда и заливается расплавленный металл в дальнейшем. Как это происходит можете посмотреть подробнее вот здесь.
Второй, примерно похожий вариант, только с гораздо более высоким разрешением, подразумевает изготовление изначальной модели на фотополимерном 3d принтере, также, с последующей прокалкой литейной формы — в результате этого выгорает фотополимер и также получается литейная форма, в дальнейшем заливаемая металлом. Подобный процесс можно отследить вот здесь.
На правах лайфхака: если вы прошли по ссылкам выше, то вы могли видеть, что там активно используются печи, что может быть проблемным.
Тем не менее, на мой взгляд, есть очень интересный вариант, как это можно обойти: есть подход, который позволяет плавить небольшие количества металлов (50-100 грамм примерно), в обычной бытовой микроволновке, без использования каких-либо печей:
Однако, ознакомившись со всем этим, мы понимаем, что не зря промышленные технологии производства металлических деталей зачастую сопровождаются постобработкой на ЧПУ-станках: без такого подхода качества и точности не получить…
Причём, если мы обратим внимание даже на любой банальный шаговый двигатель, который может быть у вас под рукой (особенно, если вы его когда-либо разбирали), мы можем увидеть, что там используется оптимизация процессов: по идее, если идти «тупо и прямолинейно», то корпусные детали шагового двигателя следовало бы изготовить целиком на ЧПУ станке.
Ну а что: максимальная точность, качество и… дико медленно! :-D
Поэтому, там видно, что сам корпус был отлит, а критически важные места (передний фланец, места посадки подшипников, каналы для болтов — были обработаны машинным способом (ЧПУ-фрезеровка/сверловка).
Так как стандартные токарные и фрезерные станки не стоит даже и рассматривать (несмотря на то, что я сам их поклонник :- D), в виду их габаритности и малой возможности установки на дому у большинства, — на мой взгляд, для изготовления сложных деталей (а на потоке — особенно), имеет смысл рассматривать только малогабаритные ЧПУ установки — как правило, того типа, который многие используют для изготовления печатных плат.
Они простые, относительно недорогие и компактные, например, что-то подобное (стоит около 60000 тыс. руб и менее; можно сразу перемотать на 44:28, там, где идёт фрезеровка алюминия):
Таким образом, подобные компактные домашние станки вполне можно использовать для создания небольших деталей или постобработки, о которой я говорил выше.
Дополнительным бонусом подобного станка является возможность и изготовления самостоятельно печатных плат — что тоже весьма немаловажно, раз уж мы говорим о кастомной робототехнике! Таким образом, мы получаем в своё распоряжение аппарат как бы 2 в 1…
Подавляющее большинство типовых компонентов, изготавливаемых на дому, наверняка, будут относительно малого размера (по крайней мере, поначалу) и, подобные станки вполне могут справляться с такой работой — правда понадобятся ещё и станочные тиски и придётся переставлять деталь нужным образом вручную, а также менять вручную обрабатывающие инструменты (фрезы, свёрла) — и этот момент тоже можно «пофиксить», правда, будет это уже существенно дороже и об этом ниже…
В последние годы наметилась явная тенденция на миниатюризацию профессиональных устройств, с доведением их до настольного формата, благодаря чему появляются разнообразные стартапы в этой области, занятые производством иной раз весьма интересных аппаратов — к сожалению, надо отметить, что, несмотря на настольный формат, цена у таких устройств не сказать чтобы маленькая (что может быть существенно для домашнего мастера), где (насколько мне удалось понять, могу ошибаться) одним из самых «упакованных» устройств является Xhorse XM-100, представляющий собой 5-осевой настольный обрабатывающий центр, с магазином на 6 инструментов и автоматической их сменой — соответственно, этот станок может обрабатывать деталь по весьма сложной программе, раз имеется автоматическая смена инструмента.
В сети я нашёл интересное видео, где этот станок как раз и используется командой разработчиков робототехники, и, как раз для производства маленьких деталей роботов:
Ну и, говоря об экзотических (для рядового человека, с точки зрения доступности) технологиях, нельзя не упомянуть и об интересном самодельщике, с проекта Metal Matters — дело в том, что я много лет отслеживаю работы этого человека, и, надо признать, что он весьма упорный товарищ — насколько можно судить по странице проекта, около 5 лет ему потребовалось на достижение успеха, где в результате он таки смог получить то, что хотел — самодельный 3d принтер по металлу, построенный на базе технологии лазерного спекания металлического порошка (SLM).
Чем особо хорош этот проект, так это тем, что он весьма подробно описывает что делал, как делал, какие трудности возникали, попутно документируя многие неочевидные моменты — и даже под этим, финальным видео, можно найти множество ссылок на технические моменты, которые он использовал в работе (помимо того, что он объясняет, собственно, в самом видео):
Он не единственный в своих трудах, так как есть ещё как минимум два человека, которые прошли подобный (но не аналогичный :-B) путь, где из них — Трэвис Митчел (техническое описание проекта есть тут):
А также участник проекта Cranktown City (описание тут):
В ходе написания статьи, у меня появилась интересная мысль, для чего ещё можно было бы использовать сочетание отлитых и затем подвергшихся ЧПУ-обработке форм: для мелкосерийного (а может даже и крупносерийного?) литья пластиков под давлением!
Дело в том, что есть целый класс настольных станков, позволяющих отливать пластики, под большим давлением — давление обеспечивается с помощью шнека, который, будучи приводимым в движение мощным шаговым двигателем, вдавливает расплавленный пластик внутрь литейной формы.
А для чего это может быть нужно? Кроме непосредственного производства компонентов робототехники/ игрушек — на базе этого можно организовать настольное производство небольших пластиковых деталей нужных всем — детали сантехники, автомобилей и т.д.
На каком-то из форумов, уже давно, мне приходилось встречать даже такое забавное применение подобного станка — человек организовал на его базе производство зубочисток, только не в виде заострённой палочки, а заостренной палочки с плоской пластинкой на конце, на которую нанесён логотип компании — эти штуки он распространял в сети ресторанов. Никогда бы не додумался что так можно! :-D
Собственно, сам станок выглядит примерно так (подобный класс станков называется «термопластавтоматы» (ТПА)):
Таким образом, теперь мы знаем, как можно организовать создание металлических деталей, а также пластиковые детали, в том числе, на потоке и, в том числе, настольного формата — что, соответственно, требует совсем мало места, если подойти к этому вопросу с некоторой смекалкой… ;-)
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
