Обзор 3D принтера M3 DUO – первого белорусского аппарата профессионального класса

Первый белорусский 3D-принтер профессионального класса, полностью разработанный и серийно выпускаемый на территории Республики Беларусь, получивший название M3 DUO в нашем сегодняшнем тест-обзоре.

Будем откровенны, мы внимательно следим за историей данного проекта едва ли не с самого его зарождения и по тому несомненно рады, что первая серийная модель печатной машины не только увидела свет и готова к работе, но и доступна для нашего изучения.

Прочитав данную статью до конца, вы узнаете об истории проекта, познакомитесь с ключевыми характеристиками первого 3Д-принтера, созданного в Беларуси для профессиональных целей, не только увидите сам аппарат, но и образцы получаемых изделий, а также узнаете наше мнение как на предмет его несомненных преимуществ (по сравнению с имеющимися на рынке аналогами) так и о слабых местах «новорожденного».

Белорусский 3D-принтер — предыстория

История первого белорусского 3Д-принтера профессионального класса началась 3 года назад, когда два молодых, но амбициозных инноватора из Минска задались соответствующей целью.

При этом, прежде чем «кинуться в омут с головой» сотрудники компании, специально созданной для разработки и созданий 3D-принтера с белорусскими корнями, приступили к доскональному изучению местного рынка и, что важно, к поставкам в Беларусь образцов техники от ведущих мировых производителей. В конечном итоге, это позволило не только оценить перспективы продаж, но и изучить мнение непосредственных пользователей подобной техники. Продавая каждый иностранный аппарат, проводился весьма обширный опрос непосредственных экслуатантов: определялись приоритетные и второстепенные характеристики, учитывались пожелания по удобству работы и интерфейсу, внимательно изучались марки и характеристики наиболее популярных полимеров, используемых для 3Д-печати.

В конечном итоге, данная стратегия позволила не только внимательно изучить местный рынок и завоевать на нем лидирующие позиции в вопросе продаж оборудования для прототипирования, но и приступить к созданию полноценного и востребованного на рынке первого образца белорусского 3D-принтера профессионального класса.

Впервые о начале разработок было объявлено в сентябре 2014 года, когда, в рамках «круглого стола», посвященного вопросу текущего состояния и перспектив дальнейшего развития аддитивных технологий в Республики Беларусь, прошедшего на базе Национальной академии наук, собрались ведущие представители индустрии и эксперты Республики.

Первые результаты не заставили себя долго ждать – уже через год, в рамках пятого научно-производственного семинара «3D-принтеры: перспективы применения и развития» был презентован первый прототип машины.

В рамках мероприятия была проведена презентация проекта в целом, описаны цели, задачи и планы по его (проекта) дальнейшему развитию. В частности, было заявлено, что серийное производство первой модели 3Д-принтера, ориентированного на профессиональную аудиторию, планируется наладить в следующем (2016-м) году.

Демонстрация 3D-принтера M3 DUO в работающем режиме была проведена в мае 2016 года на площадке Белорусского промышленного форума.

То был первый пред-серийный образец. Еще какое-то время ушло на доработку аппарата, оптимизацию конструкции и проведение эксплуатационных испытаний. В результате, запуск серийного производства первого 3D-принтера, полностью разработанного в Республике Беларусь, свершился уже осенью нынешнего года.

Новинка, уже на первых этапах реализации проекта, вызвала существенный интерес как со стороны органов государственной власти, так и со стороны бизнеса.

Как уже было отмечено, M3 DUO относится к классу профессиональных и ориентирован на выполнение широкого круга задач в области прототипирования с жёсткими требованиями к получаемым объектам.

Примечательно, что компания-разработчик не останавливается на достигнутом и расширяет горизонты своих технологических решений. Так, на состоявшейся недавно ярмарке инноваций Smart Patent ’16 ТТФ-Групп достигла предварительных договоренностей с ГУ «РНПЦ Детской хирургии» на предмет реализации проекта «3D печать органов в диагностических целях«. В рамках проекта предполагается разработка 3D-принтера способного печатать мягкими реагентами максимально приближенными, по физическим свойствам, к тканям органов.

Однако, это будущее, сегодня цель нашей беседы – настоящее: тест-обзор первого белорусского 3D-принтера профессионального класса M3 DUO от TTF-Group.

Справедливости ради, следует отметить, что в целом история аддитивных технологий в Республике Беларусь уходит корнями еще во времена Советского союза, пестрит сообщениями о принтерах любительского класса, о машинах, способных печатать шоколадом и историями о 3Д-принтерах, созданных любителями едва ли не в подсобном помещении и на голом энтузиазме. Все эти истории дают понять, что Беларусь на полном серьезе вознамерилась занять свое прочное место на мировом рынке технологий объемной печати, однако истинную уверенность в этом утверждении вселяет (на сегодняшний день) именно герой нашего сегодняшнего обзора – первый белорусский 3D принтер выпуск которого (впервые в стране) налажен в серийном режиме.

Кстати, что такое «профессиональный 3D-принтер» и чем такие машины отличаются от прочих? Все просто, профессиональную машину от оборудования для «домашнего» использования отличают стабильные размеры при печати однотипных изделий, повышенная производительность и качество прототипирования.

Подобное оборудование предназначается для работы в конструкторских и архитектурных бюро, инженерных подразделениях компаний, для целей прототипирования будущих образцов продукции и моделирования конструкций; оборудование данного класса применяется в мелкосерийном производстве, а также в учреждениях образования.

Итак, представляем вашему вниманию тестовый обзор 3D-принтера M3 DUO. За предоставленный образец и оказанное содействие благодарим компанию-разработчика — ООО «ТТФ-Групп».

Тест-обзор 3D-принтера M3 DUO

В рамках данного обзора мы рассмотрим общие особенности конструкции и эксплуатации аппарата, изучим корпус и ключевые элементы принтера (экструдер, лоток для расходных материалов, электронику и сопла). Кроме того, в финальной части обзора мы проведем сравнение 3D-принтера M3 DUO с наиболее популярными и аналогичными по профилю образцами техники от мировых производителей (Leapfrog Xeed и Replicator Z18).

Особенности конструкции M3 DUO

Как утверждают сами разработчики новинки, упор при разработке аппарата сразу было решено сделать на сегмент принтеров среднего и выше среднего ценового диапазона. Сфера применения принтеров в этом классе не позволяет определить наиболее востребованный размер рабочей зоны, типы используемых материалов, предпочтительное количество экструдеров и так далее. Это поставило перед конструкторами интересную задачу – с одной стороны необходимо было удовлетворить довольно широкий диапазон спецификаций, с другой — исключить разрастание модельного ряда.

В результате была разработана универсальная платформа, с возможностью индивидуальной кастомизации по наиболее востребованным пунктам спецификации. Например, для того, чтобы изменить размер рабочей области, можно изменить значения трех переменных и получить набор новой конструкторской документации.

Хотите добавить еще один экструдер – легко, увеличить максимально-поддерживаемую температуру экструдера – назовите число, повысить точность – какой класс интересует? На выходе мы всегда имеем уже готовую конструкторскую документацию.

Таким образом клиент получает индивидуальное устройство, созданное по спецификации предоставленной им же, но по цене серийного образца.

— отмечают в компании-разработчике.

А теперь перейдем к описанию базовой модели платформы. Принтер M3 DUO разработан по схеме закрытой подогреваемой камеры и имеет 2 экструдера. Корпус собран на стальной раме, рабочий объём представляет собой закрытый короб из нержавеющей стали с системой рециркуляции подогретого воздуха, вся кинематика портала и экструдера отделена от рабочей зоны терморубашкой. Рабочая зона: 600х600х600 мм. Внешний корпус выполнен из композиционных, термо- и звукоизолирующих плит толщиной 5мм. Катушки пластика располагаются в приемных лотках выдвижного ящика и так же имеют систему рециркуляции.

Следует отметить, что, работая над сохранением стабильности параметров при печати, инженеры компании выявили ряд технических проблем, которым подвержены «классические» экструдеры. Таким образом родилась уникальная (по утверждению конструкторов) разработка – микрошнековый экструдер неламинарного потока.

Управляющая электроника основана на 32-х битном ARM процессоре, с защитой автоматики и защитой от отключения подачи электричества.

Теперь давайте более подробно рассмотрим наиболее интересные технические особенности данной модели 3D принтера.

Корпус белорусского 3D-принтера

Как известно «встречают по одежке», а значит нежелательно экстерьеру оставлять впечатление реликта отечественного приборостроения середины прошлого века. На самом деле, это лирическое отступление является подводкой к особенностям построения конструкции рамы.

Здесь, как признаются сотрудники ТТФ-Групп, перед ними стояло сразу несколько задач:

Во-первых, необходимо было обеспечить приличную жесткость конструкции – не забываем, что у нас платформа, а значит точность позиционирования должна быть одинакова и при размерах 100х100х100 мм, и при размерах 1000х1000х1000 мм. Во-вторых, подогреваемая камера, это обязательное условие, а значит необходимо было как-то решать вопросы с внутренним климатом. Возможно покажется, что звукоизоляция не самый важный технический параметр, но в беседах с клиентами мы выяснили, что принтер стараются ставить туда, где он не будет раздражать своим шумом, а значит это, в-третьих.

Необходимо отметить, что общая жесткость конструкции достигается благодаря специально-спроектированному стальному каркасу. При этом, отмечают разработчики, речь шла о целом комплексе исследований, испытаний и решений:

Мы не использовали готовые профили, а самостоятельно разрабатывали раму, моделировали различные температурные режимы работы, обсчитывали жесткость при нагрузке. Со всех элементов рамы термообработкой сняты напряжения. Портальная механика собрана на промышленных рельсовых направляющих. Используются высокоточные концевые датчики и обратная связь по шаговым двигателям.

Немного углубимся в теорию экструзии термопластов. Экструзионная печать термопластичными материалами — процесс сложный и, для получения действительно качественных результатов, требует определенных условий. Любой используемый пластик имеет собственный коэффициент теплового расширения, печать осуществляется поэтапно — снизу-вверх, а значит имеет место неравномерное остывание изделия. Результат – несоответствие размеров конечного изделия заданным и самый распространенный бич, это отлипание изделия от подложки, с последующей его деформацией. «Классически» эту проблему частично решает использование подогреваемой подложки и для изделий небольшого объема этого обычно достаточно. Однако в данном случае размер рабочей зоны 600 мм по всем осям и очевидно, что этого будет недостаточно. Это легко понять, если представить себе модель высотой хотя бы, скажем, 300 мм. В этом случае у нас будет две горячие зоны: снизу изделие подогревается подложкой и сверху еще не остывший после экструзии пластик. С высокой степенью вероятности в середине градиента наша модель начнет расслаиваться. Поэтому вполне разумным выходом является подогрев атмосферы внутри камеры, что и присутствует в обозреваемой нами конструкции 3D принтера.

Таким образом, непосредственно рабочая камера, представляет собой духовой шкаф, или закрытый с пяти сторон листами нержавейки короб, с дверцей из двойного стекла спереди. Поддержанием температуры занимается система, состоящая из керамических нагревателей и вентилятора поперечного потока, которая продублирована по обеим сторонам камеры. Для исключения возникновения «мертвых зон перегрева», используется специально смоделированная решетка-рассекатель ламинарного потока. При использовании некоторых типов материалов температура в камере должна быть не менее 200°C, что с очевидностью исключает нахождение кинематики в пределах камеры. Так же это повышает требования к изоляции атмосферы рабочей зоны, что исключает использование обычной гофрорубашки. Для решения этой проблемы (в данной модели 3D принтера) был разработан подвижный кожух верхней части рабочей камеры, выполненный из тонких листов нержавеющей стали.

Возвращаясь к теории экструзии, нельзя обойти стороной такой аспект как влияние паров расплавленного пластика на здоровье. Поскольку в процессе производства сырья происходит неполная полимеризация исходных мономеров, часть из них способна испаряться при повышении температуры. Среди таких мономеров наибольшую опасность представляет стирол. Крайне токсичное вещество, может испарятся в недопустимых количествах из пластика непроверенных производителей. Так же, опасность представляют твердые частицы, способные конденсироваться в более крупные образования и оседать в легких. Ошибочно полагать, что простым решением в данном случае является использование HEPA фильтров. При сотрудничестве с Институтом Химии Новых Материалов, в ТТФ-Групп был разработан уникальный фильтр, использующий активное электронное охлаждение, позволяющий конденсировать и фильтровать большую часть вредных испарений по завершении процесса печати. По мимо этого, в процессе печати и до момента полной очистки воздуха в камере, дверца принтера остается заблокированной!

Вот мы и подошли к прологу. Эстетику экстерьера в M3 DUO обеспечивают композитные панели, которые одновременно выполняют роль термо- и звукоизоляции.

M3 DUO: лоток для пластика

Всем, кто не понаслышке знаком с 3D печатью, знакома такая досадная проблема, как вскипание пластика при экструзии. Для обывателя оказывается удивительным тот факт, что, оказывается, пластики очень любят впитывать в себя влагу. Достаточно катушке побыть вне герметичного пакета несколько дней, после чего при печати этим пластиком, периметр изделия покроется мелкими пузырьками. А если погода была сырой, то из сопла буквально полезет пена. Как обычно решают это проблему?

Как правило, решают обозначенный вопрос старым «дедовским» способом – пекут катушку в духовке несколько часов. Конструкторы первого белорусского 3D-принтера смекнули (спасибо обширному опросу потребителей, о котором мы говорили в самом начале статьи) и решили объединить духовку с выдвижным ящиком.

«Идейно» это организованно следующим образом: В нижней части принтера расположен герметичный выдвижной ящик, в нем имеется два лотка-приемника для стандартных катушек пластика. Каждый лоток оборудован индивидуальной системой предпечатной подготовки, состоящей из: датчиков влажности/температуры, термофена ~80°C, лотка с многоразовым адсорбирующим материалом. Помимо прочего, каждый лоток оснащен электронными весами, RFID считывателем, системой полуавтоматической подачи материала, системой контроля запутывания/остановки подачи материала. Так же, имеется блокиратор выдвижения ящика в процессе печати и датчики его положения.

Логика работы следующая: Если лоток пустой, или печать прервана, или принтер находится в режиме смены материала, ящик разблокирован и готов к приему материала. Оператор кладет катушку в лоток, просовывает нить в отверстие на несколько сантиметров далее срабатывает автоматика: подводит, заправляет, экструдирует, взвешивает. Если на катушке имеется RFID метка, устанавливаемая производителем, то принтер автоматически подстраивает режим печати в соответствии с параметрами, записанными в чип. Затем автоматика определяет степень влажности материала и в случае необходимости переводит лоток в режим предварительной осушки. Вне зависимости от состояния материала, непосредственно во время печати, пластик проходит предварительный подогрев для придания ему необходимых пластических свойств. В случае обнаружения петли в бобине, печать ставиться на паузу, а принтер переходит в режим ожидания. После устранения проблемы, печать возобновляется с места остановки. В процессе печати ящик остается заблокированным.

Экструдер 3D-принтера M3 DUO

Гигабайты данных компьютерного моделирования, килограммы стальной стружки, месяцы стендовых испытаний и как результат — предмет особой гордости (не скрывает своих эмоций Сергей Исмулин, генеральный конструктор проекта) – микрошнековый экструдер неламинарного потока. За столь сложным названием, скрывается результат упорного труда, целью которого было устранение ряда фундаментальных проблем, присущих классическому методу плунжерной экструзии.

Тут следует поведать о некоторых особенностях экструзионной печати. Как уже писалось выше, термопласты обладают определенным коэффициентом теплового расширения. Такая, казалось бы, не самая значительная особенность пластмасс, несет в себе одну из существеннейших проблем для 3D печатников по всему миру. На деле это означает, что даже в случае прекращения подачи материала, расплавленный пластик не перестает течь из сопла. Особенно это чревато проблемами при перемещении экструдера на холостом ходу от одного печатаемого элемента к другому, что проявляется в виде полоски капелек вдоль всего элемента и/или образованием «паутинки» между отдельно стоящими элементами. Решают проблему как правило при помощи метода, называемого ретракцией, когда во время холостого хода, пластик совершает небольшое обратное движение в канале нагревателя, что, по задумке, должно создать отрицательное давление, препятствующее току из сопла. На практике мы все равно имеем полоску из капелек и «паутинку». Это не линейный процесс, имеющий массу не учитываемых переменных. И это — раз.

Два. Иногда случается «страшное» – пластик перестает подаваться и изделие в большинстве случаев уходит в утиль. Тому есть ряд различных причин как-то: неравномерная толщина пластика в результате чего он не пролазит в канал экструдера, засор в сопле, петля в бобине и еще ряд менее распространенных.

Три. Некоторые производители пластика грешат наличием пузырьков воздуха в нити. Эти пузырьки, в процессе экструзии, выдавливаются вместе с нитью и становятся неотъемлемой частью изделия.

Четыре. Неоднородность диаметра нити на выходе из сопла. И здесь одной причиной не оберешься. Тут и качество пластика, и нелинейность процессов в камере плавления, и грязь, попавшая в сопло.
Собственно, это фундаментальные проблемы присущие классическому методу экструзии. Если не вдаваться с головой в особенности конструкции данного принтера, отметим его основные особенности, которые решают упомянутые выше проблемы:

1. На холостом ходу сопло физически перекрывается изнутри. Никакого холостого течения пластика не может быть по определению.
2. Экструдер вообще не чувствителен к диаметру материала, а создаваемое им давление настолько велико, что даже закоревший пластик будет выдавлен из сопла.
3. Воздушные вкрапления выдавливаются избыточным давлением.
4. Большой объем камеры плавления вместе с принципом, создающим избыточное давление, многократно увеличивают линейность процесса и как следствие стабильность диаметра нити на выходе.

В довершение к перечисленному, отметим и такие «вкусности», как датчик наличия нити, датчик скорости подачи, печати гибкими нитями.

Сменные сопла 3D-принтера

Не секрет что скорость печати обратно пропорциональна его качеству. Если для печати мелких изделий это не так критично, то, когда речь идет о рабочей области 600х600х600 мм, скорость печати становится решающим фактором.

Наиболее очевидным здесь видится такое решение, при котором внешний периметр печатается с минимальной высотой слоя, а заполнение с максимально возможной. На ум сразу приходит правило гласящее, что высота слоя должна быть меньше диаметра сопла. Однако детализация изделия тем выше, чем меньше диаметр сопла. Наилучших результатов можно добиться соплом 0,2 мм, а в случае с нашим экструдером можно использовать и 0,1 мм. Опираясь на выше озвученное правило, мы все равно получаем максимальную высоту слоя 0,2 мм. Легко посчитать, что в случае печати во весь рост (600 мм), нам понадобиться 3000 слоев. Даже если принтер будет тратить на слой по 1 минуте, мы имеем 50 часов времени на печать. Конечно же так дело не пойдет! И в случае с M3 DUO от TTF решением данного вопроса стала автоматическая смена сопел, при переходе печати периметр/заполнение. Более того, в базовой комплектации принтер имеет 5 автоматически сменяемых сопел с диаметром от 0,1 до 1,5 мм. Любой из экструдеров может свободно использовать каждое сопло. Принтер имеет возможность печатать периметр высотой 0,1 мм, а заполнение 1,5 мм, что дает выигрыш по скорости 1 к 15.

Электроника в M3 DUO

Автоматика управления явно разрабатывалась с учетом кастомизации платформы. Сердцем принтера является 32-х битный ARM контроллер.

Управление печатью осуществляется или с компьютера (удаленно, либо через USB), или с панели управления на корпусе принтера.

Шаговые двигатели управляются интегральными драйверами с цифровым управлением. В «железе» реализована защита от отключения питания по сети: в случае исчезновения тока в питающем контуре, операционная система, используя встроенный аккумулятор, автоматически ставит печать на паузу, паркует головку, отправляет на удаленный сервер код ошибки и переводит принтер в режим пониженного потребления электроэнергии. После возобновления подачи электричества, система автоматически возобновит печать с прерванного места.

Сравнительный анализ

Таким образом мы рассмотрели ключевые характеристики белорусского 3D-принтера. Теперь, давайте оценим его показатели на фоне уже имеющихся и наиболее популярных на рынке моделей общепризнанных мировых производителей, ориентированных на аналогичный сегмент потребителей.

Для сравнения мы выбрали две модели: Leapfrog XEED (Нидерланды) и MakerBot Replicator Z18 (США).

Обзор 3D-принтера M3 DUO — выводы:

В заключительной части нашего обзора первой модели профессионального 3D принтера, разработанного и производимого в Республике Беларусь, настало время подводить итоги. Таким образом, изучив предоставленный образец, мы можем выделить следующие преимущества и недостатки M3 DUO в целом, и по сравнению с имеющимися на рынке аналогами.

Недостатки 3D-принтера

К недостаткам платформы M3 DUO можно отнести «сырость» некоторых технологических решений. В частности, функция автоматической смены сопла еще не прошла апробацию среди конечных пользователей, и несмотря на очевидные преимущества, пока рано судить о надежности данного решения. Некоторым пользователям может прийтись не по душе закрытость платформы и в частности комплектного программного обеспечения. Компания явно решила пойти по пути крупных игроков и сразу отказалась от использования опенсорнсых решений.

Солидный вес устройства (более 100кг) не прибавит ему преимуществ, так же, как и существенные габариты – не в каждую дверь пролезет коробка размером почти метр на метр. Впрочем, это все-таки 3D принтер, а не MP3 плеер — оборудование займет свое место в кабинете (например) конструкторского бюро и «будет служить верой и правдой» без излишних путешествий в пространстве.

Преимущества M3 DUO

Первым и очевидным преимуществом белорусского 3D-принтера можно назвать действительно большую область печати – 600х600х600 мм. Таких великанов не так и много на рынке. Отсюда прямо вытекает следующее преимущество для такой рабочей зоны – закрытая камера с подогревом. Печатая изделия подобных размеров, просто жизненно необходимо иметь закрытую камеру.

Интересным выглядит и экструдер собственной разработки. Он действительно работает существенно лучше своих классических собратьев, особенно что касается тока из сопла на холостом ходу – он полностью отсутствует. Весьма оригинальным выглядит решение подогревать катушку прямо в лотке, правда пока сложно судить о необходимости данной процедуры, но уж точно будет не лишним функция предварительной осушки пластика.

Таким оказался обзор первого белорусского 3D-принтера – благодарим вас за оказанное внимание. Если у вас есть вопросы или замечания по поводу написанного – сообщите нам при помощи формы обратной связи в контактах портала.