Мой опыт строения DLP 3Д принтера или в погоне за EnvisionTEC Perfactory. Принтер EGL3D EGL1.(Много текста и фото)

Всем привет! Хочу рассказать вам о своем хобби - строительстве DLP 3Д принтеров. В первые услышал о технологии стереолитографии в момент выхода принтера B9Creator на KickStarter, с тех пор увлекся и начал изучать эту тему. Сама технология на первый взгляд довольно проста, всего лишь одна ось с платформой, на которой с помощью проектора или лазера послойно отверждается светочувствительный материал - фотополимер, но сложности, как оказалось, в деталях. Основных проблем стереолитографии две - это отделение слоя ото дна ванны с полимером и точная фокусировка светового потока.

Отделение слоя

Для начала хочу поподробнее остановиться на первой проблеме. После отверждения фотополимер очень сильно липнет ко всем поверхностям. Дополнительно при отдирании модели ото дна ванны присутствует эффект присоски(из -за вакуума и вязкости полимера), поэтому помимо анти адгезионного покрытия в системе реализации слоя должно присутствовать что-то, что минимизирует данный эффект. Я бы выделил следующие основные подходы к отделению слоя:

1. Сдвиг с переходом уровня. Ванна представляет собой двухуровневый контейнер, модель сдвигается с одного уровня на другой(более низкий). Может быть как слайдер так и вращательное движение. Используется в принтерах B9Creator, Autodesk Ember

2. Тильт(наклон) дна ванны. Этот вид тоже можно разделить на 2 подвида:

- так называемый passive tilt. Подход при котором наклон ванны вызывается самой моделью, т.е. модель тянется вверх и тянет за собой дно ванны, которое находится либо на оси вращения, либо на пружинах, либо просто деформируется, в конце концов происходит отлипание. Частный случай этого подхода гибкая(Flex) ванна. Используется во многих принтерах ввиду простоты реализации, из известных могу назвать Kudo Titan 1.

- наклон(tilt), который создается дополнительным мотором. Используется в принтерах Form 1, Envisiontec и многих других.

3. Две оси Z, в начале поднимается одна сторона платформы, затем другая. Из известных принтеров могу назвать Solidator.

Начал я свое строительство с первого подхода,по образу и подобию опенсорсного B9Creator. Результатом явился мой первый 3D принтер, вот такой гаражный зверь:Печатал он довольно хорошо, и я долгое время не искал альтернативных подходов, но позже выделил для себя следующие недостатки:

1. Плоскость движения слайдера должна быть идеально параллельна плоскости слоя, иначе при сдвиге дно ванны будет цеплять модель и будут возникать смещения, артефакты и т.д.

2. Даже при идеальной параллельности при сдвиге идет боковая нагрузка за счет трения о дно и за счет вязкости полимера, в результате тонкие элементы(особенно если полимер не достаточно крепок и сильно вязок) будут обломлены или сдвинуты, что приведет к 'грязной' поверхности или не пропечаткам.

3. Затруднено использование каких либо других антиадгезионных веществ кроме кремнеорганического силикона(PDMS). Сам по себе кременорганический силикон в качестве разделительного покрытия хорош, но он быстро мутнеет, в результате требуется его частая замена, что неудобно. Силикон также сильно рассеивает свет(особенно толстые слои) в результате падает детализация.

Я решил попробовать второй подход, passive tilt с использованием тефлона на дне ванны в ввиду простоты реализации. Но напрягала одна вещь, что нагрузка при отрыве все равно очень большая, потому как модель тянет собой весь вес ванны. При таком подходе модели часто срывает с платформы, нужны более толстые поддержки. Поэтому, чтобы вес ванны ложился не на модель, я сделал стальную рамку на магнитах. До ограничителя рамка тянулась магнитами и тянула за собой ванну вверх, после ограничителя ванна была наклонена, а модель с продолжала движение вверх. Выглядело это вот так(второй гаражный зверь):Позже этот принтер много модифицировал, ставил новую более мощную раму, рельсовые линейные направляющие, нормальную ось вращения ванны, но чистоты поверхности добиться не удавалось. Пока наконец не понял весь основной просчет passive tilt подхода, постараюсь объяснить на картинках.Т.е. дно ванны при вращении в сторону движения платформы, создает дополнительную боковую нагрузку, в результате грязная поверхность модели. В сравнение наклон ванны в сторону от модели где данной проблемы не возникает:В целом эта проблема решается, если дно ванны будет как можно более гибким(сильно гибче чем отвержденный полимер). На зарубежном тематическом форуме как раз начали появляться так называемые Flex Vat, ванны с тефлоновым(фторопластовым) гибким дном. И я решил создать свой вариант. Первое с чем я столкнулся, что фторопластовая пленка имеет порог натяжения, после определенного усилия она растягивается. Соответственно чем толще будет пленка тем сильнее ее можно будет натянуть, но главное, чтобы это было не в ущерб прозрачности и амортизирующему эффекту. Как оказалось , если ванна большой площади то даже при максимальном растяжении пленки она все равно будет прогибаться под весом полимера и давления платформы сверху в результате искажения геометрии и не пропечатки. Пробовал сделать поддерживающее дно на которое натягивается пленка, при этом пленка может прогибаться вверх, а снизу ей это не дает прогнуться дно из оргстекла. Но такой поход перестает работать после первого мытья ванны и попадания влаги между пленкой и оргстеклом, пленка прилипает к нему за счет вакуумных сил и весь амортизирующий эффект устраняется. Поэтому я решил сделать 2 ванны, одна для детализированных моделей с высоким разрешением и тоненькими элементами, в области печати только 0.1мм фторопластовая пленка, остальная площадь поддерживается фланцем из оргстекла. Вторая ванна для объемных моделей и более низких разрешений, дно ванны полностью из 0.5мм пэт, поверх которого натянута фторопластовая пленка, компромисс между амортизирующим эффектом и способностью прогибаться по весом полимера и давления платформы. Выглядит ванна вот так:Но так как для больших поверхностей амортизирующий эффект на второй ванне - минимальный, решил добавить в свой принтер также активный наклон ванны, да и использование гибкой ванны и наклона одновременно создает еще более 'нежный' отрыв модели ото дна ванны. Ну и всегда можно выбравть один из способов релиза или задействовать сразу оба, плюс при достаточно амплитудном движении тильта, возможно откинуть возвратно-поступательные движения по оси Z и тянуть модель из ванны 'внатяг'. На этот раз решил сделать все 'правильно' и сел за разработку чертежей в SolidWorks. Изготовление планировал путем лазерной резки и гибки 3 мм алюминия, над дизайном особо не думал, главное это была простота конструкции и сборки. Сделал логотип и придумал 'оригинальное' название:). Итогом разработки явился вот такой пепелац:Ну а через некоторое время собрал итоговый вариант(ноутбук 15 дюймов для масштаба):Фокусировка

Далее хочу поговорить о второй проблеме, это фокусировка проектора в пятно света с пикселем нужного размера. Т.к. я планировал догнать и обогнать Envisiontec:))), то и сфокусировать проектор хотелось в пятно света с пикселем 25-30 микрон(разрешение по XY). Естественно ни один серийный проектор со штатной оптической системой так не сфокусируется, поэтому требуется ее модификация. Универсального рецепта тут скорее всего нет, но у каждого проектора есть колесо масштабирования, которое передвигает масштабирующую линзу, тут наша задача линзу от колеса 'отвязать' и передвинуть на нужное нам место, что я и сделал для своего проектора. На четкость, как уже писал, влияет многое, замутненность дна, его толщина, материал из которого оно сделано, по своему опыту скажу, что наилучшая детализация у меня получалась на голой растянутой фторопластовой пленке. Далее важен сам процесс фокусировки, рекомендую делать это в темных очках(гораздо четче видно линии) и что нибудь(обычно бумажный шаблон для калибровки) нужно положить на поверхность ванны, потому как часто глаз видит преломленный свет на нижней поверхности дна ванны, а нужно сфокусировать на верхней поверхности.

Софт

За основу мной был взят исходник софта B9Creator 1.6, распространяемый под лицензией GPL v3, благо в С++ немного разбираюсь. Модуль расстановки поддержек и нарезки на слои остался практически без изменений, управление принтером адаптировал под свою прошивку, добавил поддержку выравнивающей маски, а также для возможности расстановки поддержек и нарезки на слои в Creation Workshop, добавил конвертер CWS файлов. Как того требует GPL выкладываю исходник и скомпилированную win32 версиюИтог

Все описанное выше только мой личный опыт, на истину сильно не претендую.

В итоге принтер получился со следующими характеристиками:

Разрешение засветки по XY: 25-50 микрон

Разрешение позиционирования по Z: 10 микрон(без микрошага, соответственно 5, 2.5 .... и т.д. микрон с включением режима дробления шага)

Размеры области печати XY: 48 х 27 мм(при точке XY 25 микрон), 96 х 54 мм (при точке XY 50 микрон).

Высота построения: до 200мм.

Ну и фото распечаток

На электронный микроскоп, модель M4, распечатанная на EnvisionTEC Perfactory Aureus(принтер ценой 2.8 млн. р.), полимер RCP30(40-50 тыс р. за кг.) и рядом мой вариант(30микрон XY, 20микрон слой) полимер MaikerJuice(3-4 тыс. р. за кг):другие фото: