Основи 3D друку і як це може допомогти планеті: майстер-клас у «Запорізькій політехніці»
У теплу квітневу суботу ми прямуємо до головного корпусу Національного університету «Запорізька Політехніка» в очікуванні нових знань та вражень. Заходимо до просторого вестибюля та одразу помічаємо п’ятьох підлітків разом з батьками. Згодом підходять й організатори сьогоднішнього заходу: вже добре знайомий нам Іван Калоша та Олена Назарова, директорка юнацько-наукового університету.
Швидка перевірка того, чи усі зареєструвалися – і разом прямуємо до аудиторії. Піднімаємося на другий поверх, йдемо порожнім університетським коридором вихідного дня та біля бібліотеки проходимо через перехід, що з’єднує головний корпус із п’ятим. Підіймаємося на п’ятий поверх та нарешті заходимо до просторої авдиторії.
Усі розсаджуються за парти та слухають. Спочатку пані Олену, що розказує про університет, а потім – представників Zero Waste ZP із невеличким вступним словом.
Нарешті слово бере Дмитро Козак, ведучий сьогоднішнього майстер-класу, керівник гуртка «3D-друк у машинобудуванні» та старший викладач кафедри деталей машин і підйомно-транспортних механізмів. Сьогодні діти познайомляться з однією з технологій 3D друку, дізнаються про будову 3D принтерів і різновиди пластику, з якими вони працюють, стануть свідками невеликого експерименту та, зрештою, самі надрукують тривимірні деталі.
Знайомство з 3D принтерами
Сьогодні для друку 3D-деталей використовуватимуться принтери з технологією FDM, які утворюють тривимірну модель шляхом пошарового наплавлення.
– Принцип роботи схожий на процес нарізання ковбаси слайсами, але на принтері ці слайси склеюються між собою та утворюють «ковбасу». Тобто вона вже нарізана, а ви потім пошарово її склеюєте та утворюєте таку паличку ковбаси.
Всього в авдиторії чотири принтери: «Бамбук» (Bambu Lab A1), «Малюк» (Bambu Lab A1 Mini), «Кобра» (Anycubic Kobra) та «Нептун» (Elegoo Neptune 3 Pro).
Кожен складається з наступних деталей: стіл (bed), що підігрівається та рухається; друкуюча голова, що виконує головну функцію, яка в свою чергу складається з хотенду, який розплавляє пластик, екструдера, що заштовхує в хотенд нерозплавлений пластик, та сопла, що розмазує пластик на столі певним чином. Також принтери мають вісь, відповідальну за підйом та опускання друкуючої голови, а ще – елементи керування,
– Як підготувати принтер до 3D друку, по-перше, потрібно ввімкнути його в розетку, а по друге, заправити філамент (спеціальну пластикову нитку). Для цього потрібно нагріти наш хотенд до температури в 230 – 250 градусів, залежно від типу пластику.
Різновиди філаменту
Загалом, існує декілька різновидів філаменту. PLA (полілактид) вважається відносно екологічним типом пластику, адже він виготовляється з кукурудзяного крохмалю, і його вважають біорозкладним. Переважно його використовують для друку деталей інтер’єру та інженерних деталей. Вчитель пропонує учасникам майстер-класу почіпати та спробувати зламати зразок цього виду філаменту
Інший тип, PЕTG (поліетилентелефторат-гліколь), фактично є PET-пластиком, з якого роблять пляшки. Проте гліколь робить його більш пристосованим до 3D друку. Навідміну від попереднього, PЕTG стійкий до бензинів, спиртів, ацетонів та високої температури.
Пластик ABS при друці виділяє токсини, тому сьогодні його використовувати не будуть.
– Він доволі міцний і більшість з того, що ви бачите навколо себе, зроблено з нього. Легко перероблюється: достатньо лише його подробити, прогнати через екструдер і нагрівши, вилити у нову деталь або виготовити отакий проточок, і потім ним друкувати.
Пластик TPU або FLEX (термополіуретан) дуже гнучкий, розтягується та чимось схожий на гуму. Він друкується при низьких температурах та не вимагає якихось особливих умов.
Останній філомент, NYLON (поліамід), вважається інженерним пластиком та використовується для виготовлення дуже міцних виробів. Витримує високі температури, тому його потрібно друкувати при дуже високих температурах. Дмитро пропонує розламати підліткам проток з цього матеріалу, пообіцявши подарувати переможцю приз – підставку для телефону, наприкінці майстер-класу.
Проблеми, які виникають під час 3D друку
Пан Дмитро виділяє три основні проблеми, які виникають під час друку. Перша, це неправильно нарізаний файл для друку у слайсері. Вміння правильно нарізати файл є показником майстерності друкаря. Сьогодні хлопці та дівчата нарізатимуть прості файли на універсальних налаштуваннях під керівництвом вчителя, тому жодних проблем не виникне.
Наступною проблемою є адгезія, яка виникає тоді, коли деталь не відлипає від столу після того, як сопло вже піднялось.
– Це буває через те, що 3D-принтер чіпають руками. На руках залишаються потові виділення та пил. Пластик ляже не на чисту пластину, а на бруд, який не дасть йому прилипнути до пластини.
Уникнути її можна двома способами: помити пластину з миючим засобом для посуду або покрити брудні сліди на столі спеціальним клеєм «ПВПі», таким чином їх нівелювавши.
Усадка пластику теж є доволі серйозною проблемою. Вона виникає через перепади температур. Якщо готова деталь виходить із сопла, падає на холодну поверхню, то дуже різко остигає та починає зменшуватися. Через це вона не може прилипнути до столу. Щоб цього не сталося, треба ввімкнути підгрів столу до 50-60 градусів, тоді деталь точно не осяде і залишиться в одному розмірі. Потім стіл почне остигати, і модель з тріском відклеїться від нього сама або її можна буде відклеїти самостійно.
Раптово слова ведучого перериває гучний вигук.
– У мене вийшло!
Хлопцю вдалося зламати проток з поліаміду і в якості нагороди він отримує обіцяну підставку для телефону.
Остання проблема пов’язана із властивостями пластику. Він впитує в себе всю вологу. Тому іноді може кипіти. Щоб такого не трапилося, пан Дмитро тримає мотки з філаментом у спеціальних кейсах з вологопоглиначем силікагелем, аби пластик лишався сухим якомога довше.
Як надрукувати 3D моделі
Теоретичну частину змінює практична. Дмитро розповідає про правила поводження із принтерами, показує процес створення моделі за допомогою свого комп’ютера та проєктора, і підлітки сідають за комп’ютери.
Спершу їм потрібно надрукувати зразки, які згодом використовуватимуться для майбутнього досліду. Згідно з вказівками ведучого, вони відкривають на робочому столі програму Orca Slicer, де нарізатимуть свої готові моделі. Їм одразу ж відкривається вікно з чотирма вкладками зверху. Там потрібно натиснути на кнопку «створити новий проєкт», після чого користувача автоматично перенесе на вкладку «підготувати».
– Це наша робоча зона, той периметр, де ми можемо розміщувати нашу модель і , відповідно, те, що нас обмежує у розмірах нашої моделі.
Далі учасникам треба відкрити в програмі файл з потрібною моделлю, який вони знаходять на робочому столі. Наступний крок – налаштування моделі. У прямокутнику зліва обирається тип принтера, філаменту та налагоджується процес друку (усі обирають універсальні налаштування, адже модель, яку потрібно надрукувати, проста).
Розібравшись із налаштуваннями, діти тиснуть на кнопку «нарізати моделі». Моделі на моніторі трохи змінюються, з’являються вікно, цифри та букви. Останні є g-кодом – командою, яку розуміє принтер.
Потім потрібно розглянути модель за шарами.
– У нас є такі лінії (шари, які буде викладати екструдер): помаранчева, жовта, фіолетова і червона. Помаранчева та жовта – наші периметри, тобто стінка моделі. Всередині неї є сітка, яка називається «заповнення», що використовується для виготовлення декоративних моделей, на які не витрачають багато пластику, та робить їх жорсткою. Воно може бути різної форми.
Нарешті можна друкувати. Але перед тим потрібно обрати тип принтера, натиснути на «надіслати» і дочекатися, доки принтер запрацює. Ті, кому дістався Bambu Lab A1, додатково клікають ще й на «друкована пластина».
А ті, кому випали принтери Anycubic Kobra та Elegoo Neptune 3 Pro, вставлятимуть туди флешку з моделлю та слідкуватимуть за процесом з картридером. Працюючи з такими принтерами, які самі себе не контролюють, користувачу потрібно чекати, поки не почнеться друк. Після цього потрібно впевнитись, що перший шар пластику викладено нормально і тільки потім відходити від машини.
Дмитро ретельно контролює процес створення кожної моделі та допомагає порадами. Нарешті усі деталі надруковано.
Цікавий експеримент
Далі викладач проводить експеримент. Він кладе у чашку щойно надруковані зразки з різних видів пластику, заливає їх окропом, трохи чекає, а потім дістає їх по черзі за допомогою кусачок та аналізує їхній стан на очах у зацікавлених підлітків.
Зразок з пластику FLEX у гарячій воді закипів та розбризкав свої дрібні волосинки в різні сторони. Гнеться він добре. Розтягується, але не рветься. Зразок з PLA став таким же гнучким, як і FLEX, він гнеться і не дуже добре розтягується. При застиганні стає твердішим та легко скручується.
На черзі деталь з PЕTG. Вона гнеться, проте гірше за PLA. Більш пружна, але менше розтягується. Останній зразок, з NYLON, добре тримає температуру та не дуже гнучкий. Його не вийде розтягнути або зламати.
Метою цього досліду було обрати матеріал для наступної деталі, яку друкуватимуть на цьому майстер-класі. FLEX є занадто гнучким, а NYLON – занадто міцним. Тому вибір падає на PЕTG та PLA.
А як друкувати щось складніше
Переходимо до друку складніших речей – запчастинок «ніжок» для клавіатури та прищіпок. Процес їхнього друкування мало чим відрізняється від попереднього, проте є один нюанс: «ніжку» потрібно правильно розмістити на столі принтера, натиснувши на «автоповорот» та «автоорієнтація», щоб модель змінила своє положення автоматично.
Один 3D-принтер легко може надрукувати одразу дві моделі.
– Ми переходимо на вкладку «надрукувати», натискаємо спочатку лівою клавішею на модель, щоб вона обралася, а потім правою, і натискаємо на «клонування».Задаємо кількість копій і тиснемо «окей».
Розмістити деталі на принтері можна вручну, а можна тицьнути на «розташувати усі об’єкти», і тоді програма зробить це за вас. Тиснемо на «нарізати» і друк починається.
Такі заходи – чудова можливість дізнатися щось нове та провести вільний час з користю для себе та довкілля. На цьому майстер-класі було цікаво усім: дітям, їхнім батькам, представникам Zero Waste ZP і навіть нам. Захоплені погляди, що спостерігали за роботою 3D принтерів, тиша та купа питань до викладача є найкращим тому підтвердженням.