Введение

3D-технологии прочно вошли в нашу жизнь. 3D-мониторы, телевизоры, экраны, особые очки и прочие устройства, плохо влияющая на наши глаза. Но сейчас пойдет речь совершенно не о визуализации, а о еще наиболее старенькой технологии, но притом наиболее настоящей - 3D-печати. Перенести текст либо картину с экрана монитора на тонкий лист бумаги сейчас уже не составляет труда - делается это чрезвычайно стремительно, реализуется просто, а употребляется везде - принтер и сканер справляются с этими задачками на ура. Но что делать, если вдруг нужно перенести деталь либо модель в большой и ощутимый макет? Выпиливать его вручную, соблюдая все размеры и пропорции, при всем этом затрачивая львиную долю времени, средств и ресурсов? Печать 3D как раз и предназначена для того, чтобы решить такие трудности и позволить человеку не только лишь распечатывать информацию в плоскости, но и создавать ощутимые трехмерные модели и макеты.

3D-принтер -- устройство, использующее метод создания физического объекта на основе виртуальной 3D-модели. Именно такое устройство будет описано в данном дипломном проекте. 3D-принтер, как и обычный принтер подключается к ПК и при помощи специальной программы создаёт заданные объекты.

Основными целями данного дипломного проекта являются: разработка и конструирование работоспособного устройства, которое будет адекватно выполнять заданные функции, а также интегрирование программы, которая непосредственно осуществляет управление выполнением операций. Для достижения поставленных действий было необходимо: разработать печатную плату, изготовить печатную плату, изготовить механическую часть проекта, добиться работоспособности программы в рассматриваемом устройстве.

1. Общая часть

1.1 Обоснование актуальности работы

Данная разработка имеет широкие перспективы развития и внедрения, т. к. обладают многими преимуществами, по сравнению с традиционными методами создания различных деталей. Одним из таких преимуществ является наглядность - деталь гораздо проще воспринимать, когда она является трёхмерным объектом, а не представлена, например, на чертежах. Вторым преимуществом является скорость создания - особенно это проявляется при выполнении сложных деталей. Также можно отметить отсутствие физических усилий со стороны человека. Роль человека в процессе изготовления состоит в создании виртуального макета, при помощи какого-либо графического редактора (позволяющего создавать 3D-модели).

Трехмерная печать становится все наиболее популярной и дешевой, доступной если не для широких масс, то, по крайней мере, для большинства средних производственных компаний.

С помощью 3D-принтера можно в чрезвычайно маленький срок сделать нужный макет и даже применять его по назначению, если он выполнен из пригодного материала. Лишь представьте себе недалекое будущее, где можно будет придти в какой-либо офис и по заказу распечатать созданную вами модель. Это быть может что угодно - от гаечного ключа до чрезвычайно принципиальной и редчайшей детали в движке раритетного родстера.

Уже на данный момент на просторах Интернета можно отыскать десятки разных моделей 3D-принтеров с различной ценой и скоростью печати до 2 см в час! При всем этом их размеры сравнимы с маленький тумбой. Естественно, стоимость на такие устройства все еще велика, и часто варьируется от цены поддержанного российского кара до цены болида «Формулы 1». Поэтому почти все компании сдают 3D-принтеры в аренду, либо за умеренную плату изготавливают нужные модельные эталоны на собственных «производственных мощностях».

К примеру, у нас в РФ средняя стоимость за один кубический сантиметр сделанной трехмерной продукции равна 30 рублям, но, снова же, стоит обмолвиться - почти все находится в зависимости от размера заказа, применяемого материала и технологии, по которой будет печататься модель.

На данный момент разработка 3D-печати в медицинских учреждениях позволяет создавать примитивные органы, в которых полимеры заменены обыкновенными выращенными клеточками, а роль клея, соединяющего их, делает особый биогель, растворяющийся после сращивания клеток. Кто знает, может через пару лет 3D-принтеры научаться печатать не только лишь модели, но и настоящие людские органы, готовые к трансплантации.

1.2 Назначение 3D-принтера

Устройства, подобные разрабатываемому, предназначены для физического воплощения трёхмерных виртуальных объектов. В качестве наиболее простого примера устройство способно вырезать большинство простых геометрических фигур. Устройство также способно создавать, к примеру, макеты деталей для различных механизмов. При помощи этого устройства можно более наглядно представить внешний вид какого-либо механизма, так как чертежи не всегда дают полное представление.

До того как говорить о самой 3D-печати, следует чуть-чуть углубиться в теоретическую часть и осознать, зачем все это необходимо.

Во-первых, как было сказано ранее, трехмерная печать дозволяет в кратчайшие сроки сделать нужный макет - все же инженерам будет куда легче осознать, какой конкретно им необходимо будет сделать элемент конструкции, когда его можно будет пощупать и зрительно оценить.

Во-вторых, со сделанным макетом можно провести все нужные испытания еще до сотворения готовой продукции, что существенно удешевит создание и освободит от вероятных проблем. Например, необходимо проверить аэродинамику какой-нибудь детали, использующейся в новом каре - вместо многодневной работы готовый макет будет в руках инженеров уже через несколько часов, и дозволит измерить его базисные свойства на практике. Либо иной пример - строится дом, и необходимо стремительно и отменно сделать его четкий макет. Все что требуется, так это спроектировать здание в CAD-приложении и отдать 3D-принтеру выполнить всю трудную работу - строение в данном масштабе (в рамках разумного, естественно) будет готово всего через несколько часов.

3D-печать также можно использовать в малосерийном производстве при разработке форм для литья. Таким образом, у компании возникает возможность значительно сберегать как драгоценное время, так и ресурсы, стремительно и отменно создавая нужные макеты для собственных нужд.

1.3 Обзор существующих устройств подобного назначения

1) BFB 3000. Возможность создания цветных 3хмерных объектов при помощи струйной технологии (рис.1.1). Размер рабочей зоны (X) 230 мм. Размер рабочей зоны (Y) 275 мм. Размер рабочей зоны (Z) 200 мм. Толщина слоя (макс.) 50 мкм. Скорость 10 мм/ч. Недостатки - небольшие габариты производимых деталей, высокая стоимость - около 4000$.

Рисунок 1.1 - Внешний вид 3D-принтера BFB 3000

2) ZPrinter450. 3D-принтер ZPrinter450 (рис. 1.2) - это новейшая модель компании ZCorp, выпущенная на потребительский рынок в 2007 году. 3D-принтер ZPrinter450 вобрал в себя самое лучшее от предыдущих моделей и стал более лёгким и простым в использовании. Главным преимуществом данного принтера является то, что он способен создавать цветные объекты. Принтер оснащён двумя печатающими головками. Толщина слоя: выбирается пользователем во время печати; 0.089-0.102 мм. Скорость печати: 2 - 4 слоя в минуту. Недостатки - большие габариты и вес (Габариты оборудования - 122 х 79 х 140см. Вес оборудования - 193 кг). Высокая стоимость - 56 489 $.

Рисунок 1.2 - Внешний вид 3D-принтера ZPrinter450

3) 125 ci. Модель 125 ci (рис. 1.3) может воспроизводить модели с габаритами 12,7 х 12,7 х 12,7 см. Кубический сантиметр материала для создания модели обойдется покупателям примерно в 5-6 центов. Построение модели производится путем формирования слоев толщиной порядка 0,25 мм. Изготовление деталей осуществляется с помощью мощной галогенной лампы и системы линз для направления ультрафиолетового пучка на нужный участок исходного материала. Сырьем для деталей служит порошковый светотвердеющий пластик. Габариты самого принтера составляют 63,5 х 50,8 х 50,8 см. Высокая стоимость стоимость - 5000$. Маленькие габариты производимых деталей. Низкое качество печати.

Рисунок 1.3 - Внешний вид принтера 125 ci

4) Connex500 (рис 1.4). Области построения (X x Y x Z) 490 х 390 х 200 мм. Толщина слоя (ось Z) 16 мкм. Возможность построения тонких стенок до 0.6 мм.

Рисунок 1.4 - Внешний вид принтера Connex500

Одновременное изготовление большого количества деталей из одного или нескольких материалов. Скорость построения до 20мм в час. Возможность одновременной печати различными материалами. Большие габариты и вес -1420мм х1120мм х1130мм и 500 кг соответственно. Высокая стоимость.

На основании результата сравнения аналогичных устройств можно сделать вывод, что разрабатываемое устройство, по сравнению с аналогами имеет такое важное преимущество как стоимость. Кроме того, разрабатываемый принтер более прост, а следовательно более надёжен, имеет высокую ремонтопригодность и прост в обращении.

2. Специальная часть

2.1 Разработка схемы устройства

2.1.1 Технические условия на проектирование

3D-принтер предназначен для физического воспроизведения трёхмерной виртуальной модели. Для передачи сигналов используется LPT-интерфейс. Применение данного интерфейса обусловлено большим количеством команд, передающихся одновременно. Питание схемы и шаговых двигателей также осуществляется при помощи LPT-порта. Этот разъем соединяют стандарт-ным кабелем LPT, который обычно используют для подключения принтеров и сканеров.

2.1.2 Разработка структурной схемы 3D-принтера

Структурная схема устройства представлена в приложении А. По правилам выполнения электрических схем (ГОСТ 2702 - 75) функциональные части изображаются в виде прямоугольников, в которых указаны наименования каждой функциональной части.

На схеме показаны ПК, контроллер, блок питания, режущий термоэлемент, драйвер шагового двигателя, преобразователь напряжения, три шаговых двигателя, три датчика.

Структурная схема 3D-принтера включает в себя следующие блоки:

- компьютер - с помощью специальной программы управляет устройством;

- контроллер - формирует команды для драйверов шаговых двигателей;

- драйвер шагового двигателя - обрабатывает и передаёт сигналы на шаговые двигатели;

- блок питания - служит источником переменного тока;

- режущий термоэлемент - удаляет лишние фрагменты заготовки;

- преобразователь напряжения - преобразует 12 В до 5 В;

- шаговый двигатель X - приводит в движение каретку X координаты;

- шаговый двигатель Y - приводит в движение каретку Y координаты;

- шаговый двигатель Z - приводит в движение каретку Z координаты;

- датчик 0X - микропереключатель, определяет начальную точку в X координате;

- датчик 0Y - микропереключатель, определяет начальную точку в Y координате;

- датчик 0Z - микропереключатель, определяет начальную точку в Z координате.

2.1.3 Разработка принципиальной схемы 3D-принтера

Рассмотрим принципиальную схему (Приложение Б). Её основу составляет микросхема SMA7029M. SMA7029M является драйвером шагового двигателя, производства фирмы Motorola. Драйвер шагового двигателя способен работать в двух режимах: полушаг и полный шаг. Поскольку шаг двигателя составляет 7,5 градусов, то режим работы полного шага полностью удовлетворяет предъявляемые требования.

Режим работы полного шага представляет собой несколько упрощенный режим работы полушага. Таблица входных и выходных сигналов для режима полного шага приведена в таблице

Таблица 2.1 - Таблица логики работы SMA7029M в режиме полного шага.

Для работы в режиме полного шага, необходимо постоянно поддерживать высокий уровень сигнала на выводах INPUT tdA* и INPUT tdB*, для этого используется каскад из резисторов и конденсаторов.

Отличительной особенностью фирменных драйверов шаговых двигателей, от самодельных драйверов, то что они способны в очень маленький промежуток времени поднимать уровень выходного сигнала. В среднем в 4-5 раз быстрее нежели у самодельных драйверов.

Так как при выводе данных с компьютера они представляют собой постоянный поток данных, то перед поступлением на драйвер шагового двигателя им необходимо придать вид импульсов необходимой последовательности. Для этих целей используется счётчик на основе К555ИЕ13 и К555ЛП5.

К выводам D/U и CLK микросхемы К555ИЕ13 подключены вывода Data с LPT-порта. Для наличия постоянного сигнала на ножке Load, на основе которого генерируется выходной сигнал, используется последовательное подключение питания через резистор номиналом 1,1 кОм. При наличии сигнала на выводах D/U и CLK начинается генерация импульсов. Последовательность генерации выходных импульсов микросхемой К555ИЕ13 приведена в таблице.

Таблица 2.2 - Таблица значения выходных импульсов на выводах Q_A и Q_B микросхемы К555ИЕ13

В связи с тем, что последовательность выходных импульсов микросхемы К555ИЕ13 не совпадает с последовательностью входных импульсов необходимых для работоспособности драйвера шагового двигателя SMA7029M, необходимо изменить последовательность одного из импульсов. Для этих целей используется К555ЛП5, имеющий в своём составе 4 логических элемента типа «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ».

К555ЛП генерирует выходные импульсы на основе входных импульсов от микросхемы К555ИЕ13. Последовательность входных и выходных импульсов указаны в таблице

Таблица 2.3 - Таблица истинности для логического элемента типа «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»

Выходной сигнал с микросхемы К555ЛП5 и выходной сигнал Q_A с микросхемы К555ИЕ13 полностью соответствуют требованиям, предъявляемым драйвером шагового двигателя SMA7029M, и обеспечивают полную работоспособность последнего.

Концевые микропереключатели сообщают через порт LPT компьютеру о нахождении всех кареток в начальных позициях. К ним подключены транзисторы IRFZ24 подающие сигнал на LPT порт при замыкании микропереключателей.

Передвижение кареток по Х,Y и Z осуществляется с помощью шаговых двигателей TM-141, управляемых SMA7029M.

Для питания двигателей используется блок питания состоящий из трансформатора и диодного моста, преобразующие переменный ток 220В от центральной электросети в постоянный ток напряжением 12В.

Для питания микросхем используется стабилизатор напряжения LM7805, снижающий напряжение 12В до 5В.

2.2 Расчётная часть

2.2.1 Обоснование выбора элементной базы схемы

При изготовлении устройства необходимо определиться с выбором элементной базы, необходимой для более долгой, точной и наиболее эффективной его работы.

Драйвер SMA7029M была выбрана, т.к. она оптимально подходит для выполнения требуемых функций. Именно этот драйвер является главным элементом управления шаговыми двигателями и он лучше других справляется с данной задачей, т.к. даже в обычных принтерах этот драйвер и используемые двигатели работают вместе.

Рис. 2.1 - Строение драйвера SMA7029M

На рисунке 2.1 представлено устройство драйвера SMA7029M, на рисунке 2.2 показано какие радиоэлементы и в каком порядке должны быть подсоединены, обеспечения оптимальной работоспособности рассматриваемой микросхемы. Данный драйвер используется в обычных двухмерных принтерах и в 3D-принтере выполняет аналогичные задачи.

Рис. 2.2 - Соединение выводов драйвера SMA7029M

К555ИЕ13 - 4-разрядный двоичный реверсивный счетчик

Таблица 2.4 - Технические параметры

Данная микросхема формирует необходимые импульсы, которые необходимы для правильной работы драйвера SMA7029M. Если сравнивать К555ИЕ13 например с К555ИЕ10, то видно, что К555ИЕ10 является 4-разрядным двоичным синхронным счетчиком с асинхронным сбросом и синхронной загрузкой, т.е. даже микросхема одной серии не выполняет требуемые задачи. Зарубежный аналог К555ИЕ13 - 74LS191. Обладает идентичными характеристиками и более высокой ценой - 30 руб., по сравнению с 24 руб. у К555ИЕ13.

К555ЛП5 - Четыре логических элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с открытым коллекторным выходом. Необходим для инвертирования на 90 градусов одного из сигналов, приходящих с К555ИЕ13. Для сравнения можно взять микросхему К555ЛП8, которая состоит из четырех буферных 2И-НЕ с тремя состояниями на выходе, т.е. не может решать требуемую задачу. Время задержки 10 нс. Корпус: 201.14-1 (DIP14). Импортный аналог: SN74LS86 - Технология-LS; Функциональное назначение- логическое ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Стоимость около 30 руб., что превышает стоимость К555ЛП5.

Стабилизатор LM7805 - используется для преобразования напряжения из 12В в 5В. Аналогом является дефицитная микросхема КР142ЕН5а, которую было решено не использовать именно ввиду её дефицита.

Резистор (англ. resistor, от лат. resisto - сопротивляюсь) - пассивный элемент электрической цепи, в идеале характеризуемый только сопротивлением электрическому току. Также существует несколько характеристик, исходя из которых выбираются резисторы:

Номинальное сопротивление - электpическое сопpотивление, значение котоpого обозначено на pезистоpе и котоpое является исходным для отсчета отклонений от этого значения. Hоминальное сопpотивление pезистоpа обычно указывают на электpических пpинципиальных схемах pядом с позиционным обозначением pезистоpа. Фактическое сопpотивление каждого pезистоpа может отличаться и отличается от номинального, но не более чем на величину допустимого отклонения. Пpомышленностью выпускаются pезистоpы с номинальным сопpотивлением от долей Ома до нескольких МегаОм.

Допустимое отклонение - хаpактеpизует степень pазбpоса, отклонения от номинального значения для pезистоpов данного класса точности. Допустимое отклонение указывается в пpоцентах от номинала. Допустимые отклонения номиналов pезистоpов общего пpименения достаточно велики 20, 10, 5 пpоцентов. Для высоко пpецизионных pезистоpов допуск на отклонение может достигать значений в 0,1%.

Номинальная мощность рассеивания - это пpедельное значение мощности в Ваттах (Вт), котоpую может рассеивать pезистоp в виде излучаемой теплоты и пpи котоpой pезистоp может pаботать длительное время, сохpаняя паpаметpы в заданных пpеделах.

В схеме использовались постоянные резисторы, так как по сравнению с другими типами резисторов они имеют лучшее соотношение цена\качество, к тому же оптимально подходят для использования на обычных ПП.

Конденсатор - это элемент электрической цепи, состоящий из проводящих электродов(обкладок), разделённых диэлектриком и предназначенный для использования его ёмкости. Ёмкость конденсатора - есть отношение заряда конденсатора к разности потенциалов, которую заряд сообщает конденсатору. В качестве диэлектрика в конденсаторах используются органические и неорганические материалы, в том числе оксидные плёнки некоторых металлов. При приложении к конденсатору постоянного напряжения происходит его заряд

В схеме были использованы как бумажные, так и электролитические конденсаторы, в зависимости от требуемых значений.

2.2.2 Расчет надежности устройства

Под надежностью устройства или его отдельных блоков понимают способность устройства выполнять на требуемом уровне возложенные на неё функции в определенных условиях и в течение заданного промежутка времени, установленных в техническом задании (ТЗ) или технических условиях (ТУ).

Основным показателем надежности изделия является безотказность. Для невосстанавливаемых и для восстанавливаемых изделий до их первого отказа определяется тремя параметрами: вероятностью безотказной работы, средним временем безотказной работы и интенсивностью отказов. Свойство восстанавливаемых изделий, определяющее продолжительность их работы между отказами, кроме того, характеризуется наработкой на отказ и параметром потока отказов. Если распределение отказов подчиняется закону, связывающему эти параметры, то в ряде случаев достаточно знания одного из них для получения остальных.

Долговечность - свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта. Долговечность характеризует длительность возможного использования изделия. Она определяется такими параметрами, как технический резус, срок службы, условная долговечность и т.д., и измеряется, как правило, в единицах времени.

Ремонтопригодность является одним из показателей надежности восстанавливаемых изделий. Количественно она чаще всего определяется коэффициентами готовности и простоя.

В основу расчета надежности положен принцип определение характеристик надежности систем по характеристикам надежности входящих в эти системы элементов.

Для характеристики надежности восстанавливаемых изделий большое значение имеет учет ремонтопригодности, которая определяет рациональность выбранной конструкции.

Интенсивность отказов л_ср показывает, какая часть элементов, по отношению к общему количеству исправно работающих элементов выходит из строя в единицу времени (обычно за 1 час).

ср i*n , (2.1)

где i - средняя интенсивность отказов 1/ч;

n - количество элементов шт.

Таблица 2.2 - Средняя интенсивность отказов элементов устройства

Подставив в формулу (2.1) значения и N, получим:

ср = (8*10+25*0,04+3*4+0,12*1+28*0,015+13*0,5+326*0,004)*10^-6 = 101,34*10^-6

3. Конструкторская часть

3.1 Обоснование выбора конструкции устройства

Устройство выполнено на односторонней печатной плате (ОПП). ОПП имеет проводящий рисунок только на одной стороне основания. С противоположной стороны электрическая связь осуществляется с помощью перемычек в соответствии с электрической принципиальной схемой. Материалы, используемые в качестве оснований для ПП, должны обладать совокупностью определенных свойств. К их числу относятся высокие электроизоляционные свойства, достаточная механическая прочность и др. Все эти свойства должны быть стабильными при воздействии агрессивных сред и изменяющихся климатических условий. Кроме того, материал должен обеспечивать хорошую сцепляемость с токопроводящими покрытиями, минимальное коробление в процессе производства и эксплуатации. В качестве материалов оснований ПП используют фенопласты, листовые электротехнические и листовые фольгированные материалы, керамику и гибкую фторопластовую пленку (ленту). Для изготовления ПП преобразователя световых потоков используется стеклотекстолит. Он обладает более высокими физико-механическими свойствами и теплостойкостью.

Сущность печатного монтажа заключается в образовании на поверхности оснований, тонких электропроводящих покрытий, выполняющих функции монтажных проводов, разъемов и контактных деталей. Печатный монтаж обладает рядом существенных преимуществ по сравнению с объемным проводниковым монтажом. При использовании печатного монтажа создаются предпосылки механизации и автоматизации производственных процессов, особенно трудоемких сборочно-монтажных операций. Улучшается повторяемость выходных параметров готовых изделий. Повышается надежность аппаратуры, и снижаются производственные расходы.

3.2 Описание конструкции устройства

Электрическая схема управления шаговыми двигателями представлена следующими элементами: резисторами, конденсаторами, стабилизатором, драйвером и микроконтроллерами. Монтаж выполнен на односторонней печатной плате.

В качестве материала для производства ПП выбран стеклотекстолит СФ-1-35-2,0 16-503.161-93, представляющий собой слоистый пластик из стеклоткани марок ЭСТБ и АСТМ, пропитанной модифицированной фенолоформальдегидной смолой. Выпускается в виде листов и плит толщиной 0,5-30 мм. Температура эксплуатации от -60 до +125єC. Не дорогостоящий материал, обладающий высокими технологическими свойствами.

Основные конструктивные параметры устанавливаются ГОСТ 23751-86, где регламентируются размеры плат, элементов их конструкций (печатных проводников, контактных площадок, отверстий, зазоров и т.п.), позиционные допуски расположения элементов конструкций.

Габаритные размеры печатной платы составляют 150x100 мм. Толщину печатной платы определяют толщиной материала основания с учетом толщины фольги, в нашем случае она составляет 2,0±0,2 мм. Прямоугольная координатная сетка располагается в соответствии с ГОСТ 2.417-78. Центры монтажных отверстий располагаются в узлах координатной сетки. Расстояния между центрами отверстий необходимо выдерживать на плате с допуском ±0,1мм. Расстояние края любого элемента ПП до края ПП должно быть не менее номинальной толщины платы с учетом допуска. Навесные элементы проводящего рисунка располагают параллельно поверхности платы. Размещение элементов производиться таким образом, чтобы электрические соедине-ния были минимальной длины. Кроме того, элементы необходимо располагать как можно более равномерно по площади ПП для обеспечения равномерности масс элементов.

ПП должна сохранять конструкцию, внешний вид и электрические параметры в пределах нормы при климатических и механических воздействиях. ГОСТ 23752-79 устанавливает четыре группы жесткости климатических факторов для ПП. Механическая прочность платы в условиях эксплуатации устанавливается по значению ее деформации.