EESTI MAAÜLIKOOL Tartu Tehnikakolledž Indrek Virro 3D PRINTIMISE LISASEADE VERTIKAALSELE TÖÖTLEMISKESKUSELE „HAAS MINIMILL“ 3D PRINTING ADD-ON FOR VERTICAL MACHINING CENTRE „ HAAS MINIMILL“ Rakenduskõrgharidusõppe lõputöö Tehnotroonika õppekava Juhendaja: lektor Jaanus Allas, MSc Tartu 2015 LÜHIKOKKUVÕTE Virro I. 3D printimise lisaseade vertikaalsele töötlemiskeskusele „Haas Minimill“. - Tartu: EMÜ, 2015. 64 lehekülge, 45 joonist, 4 tabelit. Formaat A4. Kirjutatud eesti keeles. Lõputöös antakse ülevaade 3D printimise tehnoloogiatest ja termoplasti ekstrusioon prindipea põhilistest osadest. Projekteeritakse lisaseade, millega vertikaalne töötlemiskeskus muuta 3D printeriks ilma lõiketöötlusvõimekust kaotamata. Lisaseade koosneb kuumutusdüüsist, materjali etteandjast, kinnitustest, töölauast, kasutajaliidesest, filamendi poolist ja toiteplokist. Projekteerides olid eesmärkideks seadme lihtne paigaldatavus, ühildumine firma Haas kontrolleriga ja kasutus mugavus. Käsitletud on riistvara, elektroonikat, tarkvara, lisatud on tehnilised joonised. Võtmesõnad: APJ, 3D printer, kuumutusdüüs, töölaud, materjali etteandja, filament. ABSTRACT Virro I. 3D Printing Add-On for Vertical Machining Centre „Haas Minimill“. - Tartu: EMÜ, 2015. 64 pages, 45 figures, 4 tables. Format A4. In Estonian language. The thesis gives an overview of 3D printing technologies and basic parts of a thermoplastic extrusion print-head. The paper describes how to build an add-on instrument to turn a vertical machining centre into a 3D printer without loosing it's machining capabilities. The add-on is made out of a hot end, an extruder, mounts, a heated bed, an user interface, a filament spool and a power supply. The design goals were ease of installation, seamless integration with Haas controller and ease of usage. The project covers hardware, electronics, software and technical drawings. Keywords: CNC, 3D printer, hot end, heated bed, extruder, filament. 2 SISUKORD LÜHIKOKKUVÕTE.........................................................................................................................2 ABSTRACT........................................................................................................................................2 SISSEJUHATUS.................................................................................................................................4 1. TEHNOLOOGIA ÜLEVAADE.....................................................................................................5 1.1. 3D printimise tehnoloogia tutvustus.....................................................................................5 1.2. 3D printimise seadmed...........................................................................................................8 1.3. 3D printimise lisaseadme näited APJ vertikaalsetel freespinkidel...................................10 2. SEADME LAHENDUS................................................................................................................12 2.1. Lähteülesanne........................................................................................................................12 2.2. Mehaaniline osa.....................................................................................................................15 2.2. Elektrooniline osa.................................................................................................................21 2.3. Tarkvaraline osa....................................................................................................................31 2.3.1. Püsivara..........................................................................................................................31 2.3.2. Tööpingi juhtprogrammi lausete genereerimine........................................................33 2.4. Maksumus..............................................................................................................................36 2.5. Töö tulemused ja hetkeseis...................................................................................................37 2.6. Lisaseadme võimalik edasiarendus.....................................................................................38 KOKKUVÕTE.................................................................................................................................39 KASUTATUD KIRJANDUS...........................................................................................................40 SUMMARY.......................................................................................................................................42 LISAD................................................................................................................................................43 Lisa A Joonised.............................................................................................................................44 Lisa B Marlin püsivarasse lisatud korralduste väljatrükk......................................................59 LISA C Hinnapakkumised..........................................................................................................60 LISA D Lihtlitsents......................................................................................................................64 37 SISSEJUHATUS 3D printimine on tööstusharuna kiirelt kasvav ja pideva meedia tähelepanu all. Kuna 3D printerid on erilise instrumendiga arvprogrammeeritavad tööpingid, siis on võimalik lõiketöötlemiseks ettenähtud APJ pingi kasutusvaldkonna laiendamine 3D printimise lisaseadmega. 3D printimist kasutades on võimalik materjalisäästlikum tootmine ja teatud juhtudel ka suurem tootlikus, arvestades kogu töö seadistamise aega. Käesoleva töö eesmärgiks on 3D printimise lisaseadme lahenduse väljatöötamine vertikaalsele töötlemiskeskusele „Haas Minimill“ ja ülevaate andmine selle kasutamisest. Töö käigus on tarvis projekteerida lisaseadme osad, luua ühendus pingi kontrolleri ja lisaseadme vahel, selgitada metoodika objektide loomiseks ja lisaseade valmistada. Lisaseadme väljatöötamise põhjuseks on eelkõige õppimine ja enese arendamine protsessi käigus ning võimalusel katsetada 3D prinditavale detailile lõiketöötluse teostamist. Antud töö esimeses põhijaotises on antud 3D printimise tehnoloogia ülevaade koos ajaloolise arenguga ja näited 3D printimise võimekuse lisamisest APJ pinkidele. Teises põhijaotises kirjeldatakse lisaseadme projekteerimise lähteülesannet, lahendust mehaanilisest, elektroonilisest ja tarkvaralisest vaatepunktist ning esitatakse kuluosade maksumus koos lisaseadme võimaliku edasiarenduse ettepanekutega. Lisas A on lisaseadme kooste- ja detailijoonised, lisas B arendustöö raames püsivarale kirjutatud programm, lisas C lisaseadmele projekteeritud detailide tootmise hinnapakkumised nii 3D prinditult kui ka lõiketöödeldult ja lisas D lihtlitsents töö üldsusele kätesaadavaks tegemiseks. Töö käigus kasutati mitmeid tarkvaraprogramme. Lisaseadme mudeli ja koostejooniste tegemiseks kasutati Siemensi tarkvara Solid Edge versiooni ST6, Arduino Mega arendusplaadi programmeerimiseks Arduino integrated developement enviroment (IDE) tarkvara (versioon 1.6.0), elektroonika arendustöös Easily Applicable Graphical Layout Editor (EAGLE) versiooni 6.6.0 ja G-koodi genereerimiseks Slic3r versiooni 1.1.7. 4 1. TEHNOLOOGIA ÜLEVAADE 1.1. 3D printimise tehnoloogia tutvustus 3D printimine on kihtlisandustehnoloogia, milles objekti tootmine toimub kihiti materjali lisamise viisil [1]. Esimene patendiavaldus 3D printimise tehnoloogiale tehti Dr Hideo Kodama poolt Jaapanis 1980. aastal [2]. Suuremat rakendust leidis Charles Hull'i patent stereolithography apparatus (SLA) jaoks aastast 1986 USAs, millest kasvas välja 3D Systems, üks suurematest firmadest 3D printimise sektoris [2]. SLA puhul luuakse objekt fotopolümeervedeliku tahkestumisega õhukesteks kihtideks üksteise peale, liigutades valgustäppi mööda programmeeritud trajektoori [3]. SLA tehnoloogiat selgitavad joonised on näidatud joonisel 1.1. Joonis 1.1. SLA tehnoloogiat selgitavad joonised patendilt US4575330 A [4] Carl Deckard andis sisse patendiavalduse Selective Laser Sintering (SLS) jaoks 1987. aastal [2]. SLS tehnoloogia omandati hiljem 3D Systemsi poolt. SLS tehnoloogia puhul luuakse objekt pulbri 5 paagutamisega õhukesteks kihtideks üksteise peale, liigutades võimsat laserkiirt mööda programmeeritud trajektoori [5]. Selle protsessiga on võimalik 3D printida objekte nii metallist, keraamikast kui ka plastist. SLS tehnoloogia(cid:87) selgitavad joonised on näidatud joonisel 1.2. Joonis 1.2. SLS tehnoloogiat selgitavad joonised patendilt US4863538 A [6] 1989. aastal tehti patendiavaldus Fused Deposition Modeling (FDM) tehnoloogiale (cid:3)Scott Crumpi, Stratasys kaasasutaja poolt (cid:3)[2]. FDM, tuntud ka kui fused filament fabrication (FFF) tehnoloogia,põhineb termoplasti ekstrusioonil [7]. Selleks kuumutatakse toormaterjal, poolitud filament, sulanud olekusse ja pressitakse läbi ava, millele järgneb materjali tahkestumine väliskeskkonnas(cid:3)[7]. FDM tehnoloogiat selgitavad joonised on esi(cid:87)atud joonisel 1.3. 6 Joonis 1.3. FDM selgitavad joonised patendilt US5121329 A [8] FDM tehnoloogiast kasvas 2004. aastal välja RepRap (Replicating Rapid Prototyper) liikumine, mis on edendanud 3D printerite laiemat levikut vabalt kätesaadava teabega [2]. Liikumise tulemusena on turul kättesaadavad vabavaralised tarkvaralised ja ka riistvaralised lahendused iseehitatava printeri loomiseks, näiteks RAMPS (RepRap Arduino Mega Pololu Shield) Arduino Mega laienduskaart 3D printeri juhtimiseks, RepRapDiscount Smart Controller (cid:3)(cid:3)vedelkristallekraaniga kasutajaliides 3D printeri juhtimiseks, E3D kuumutusdüüs ja Marlin püsivara [2]. Termoplastidest (cid:3)kasutatakse (cid:3)materjalidena (cid:3)põhiliselt (cid:3)polüpiimhapet (cid:3)(PLA (cid:3) - (cid:3)polylactic (cid:3)acid),(cid:3) akrüülnitriilbutadieenstüreeni (ABS - acrylonitrile butadiene styrene), nailonit, polüetüleentereftalaati (PET - polyethylene terephthalate ) ja polükarbonaati (PC – polycarbonate) [3]. Filamente pakutakse erineva(cid:3)(cid:79)(cid:108)(cid:69)(cid:76)(cid:80)(cid:125)(cid:125)(cid:71)(cid:88)(cid:74)(cid:68), universaalsemad läbimõõdud on 1,75 mm ja 3 mm,(cid:3)mille nominaalläbimõõdud on 1,75 mm ja 2,88 mm ning maksimaalsed läbimõõdud 1,8(cid:3) mm ja 3mm [3]. Materjali ja töötlemisaja kokkuhoiuks kasutatakse objektide sees täiteks kärgstruktuuri,(cid:3)keha jääb osaliselt seest õõnsaks, näidatud joonisel 1.4 [7]. 7 Joonis 1.4. (cid:46)(cid:108)(cid:85)(cid:74)(cid:86)(cid:87)(cid:85)(cid:88)(cid:78)(cid:87)(cid:88)(cid:88)(cid:85)(cid:76)(cid:74)(cid:68)(cid:3)(cid:87)(cid:108)(cid:76)(cid:71)(cid:72)(cid:87)(cid:88)(cid:71)(cid:3)3D prinditud objekt [7] Käesolevas töös projekteeritav 3D printimise lisaseade kasutab termoplasti ekstrusioon tehnoloogiat, selle lihtsa teostavuse tõttu. 1.2. 3D printimise seadmed Termoplasti ekstrusiooniks kasutatavad seadmed on suunatud mitmele erinevale sihtgrupile, mille tõttu on võimalik leida sama tööpõhimõttega masinaid erinevates hinnaklassides. Joonisel 1.5 on toodud kaks näidet erineva hinnaklassiga masinatest New Matter MOD-t ja Stratasys uPrint SE Plus, mille andmed on näidatud tabelis 1.1 lk 10. Joonis 1.5. New Matter MOD-t ja Stratasys uPrint SE Plus [9] Kui võrrelda 3D prinditud ja lõiketöödeldud detaili, siis lõiketöödeldud detail on suurema täpsusega ning saadud pinnaviimistlus(cid:72) kvaliteeti on võimalik(cid:3)muuta(cid:3)etteantud piirides(cid:15)(cid:3)(cid:3)vastavalt(cid:3)(cid:89)(cid:68)(cid:77)(cid:68)(cid:71)(cid:88)(cid:86)(cid:72)(cid:79)(cid:72)(cid:17) (cid:3)(cid:3) 8 Erinevate töötlemistehnoloogiate ühendamiseks kasutatakse (cid:75)(cid:129)(cid:69)(cid:85)(cid:76)(cid:76)(cid:71)(cid:87)(cid:124)(cid:124)(cid:87)(cid:79)(cid:72)(cid:80)(cid:76)(cid:86)(cid:78)(cid:72)(cid:86)(cid:78)(cid:88)(cid:86)(cid:87)(cid:72)(cid:86) detailide(cid:3)valmistamiseks(cid:3)nii(cid:3)3D printimist kui ka lõiketöötlust(cid:15) näiteks Matsuura Machinery LUMEXAvance-25 (joonis 1.6), milles SLS 3D printeris rakendatakse ka vertikaalse freespin(cid:74)(cid:76) võimekust,(cid:86)(cid:72)(cid:68)(cid:71)(cid:80)(cid:72) andmed on näidatud tabelis 1.1 lk 10 [9]. Joonis 1.6. Matsuura Machinery LUMEX Avance-25 [9] Hübriidtöötlemiskeskustes kasutatakse automatiseeritud vahetusega prindipeasid, näiteks on joonisel 1.7 Hybrid Manufacturing Technologies Ambit ja DMG Mori LASERTEC 65 prindipea, mille andmed on näidatud tabelis 1.1 lk 10. Joonis 1.7. Hybrid Manufacturing Technologies Ambit prindipea ja DMG Mori LASERTEC 65 prindipea [10, 11] 9 Tabel 1.1. 3D printerite andmete võrdlus [9-11] 3D printer MOD-t uPrint SE Plus Avance-25 LASERTEC 65 Tööala, mm 150x100x125 203x203x152 246x246x185 Ø 500 × 350 Tööruumala, l 1.88 6.26 11.2 68.72 Kihikõrgus, mm 0,2 0,25 0,05 – Tehnoloogia FFF FDM SLS SLS Masina mass, kg 5 96 4500 11300 Hind, EUR 230 17200 775000 – 1.3. 3D printimise lisaseadme näited APJ vertikaalsetel freespinkidel Termoplasti ekstrusioon printeripeade lisamisega APJ vertikaalsele freespingile on võimalik pinki kasutada 3D printerina. Prototüüpide teostuste näited on näidatud joonisel 1.8. Joonis 1.8. Näited 3D printimise lisaseadmetest APJ pinkidele Sieg Mini Mill ja PCNC 770 CNC Mill [12, 13] Sieg Mini Mill oli algselt manuaalne vertikaalne freespink, mis on(cid:129)(cid:80)(cid:69)(cid:72)(cid:85)(cid:3)(cid:72)(cid:75)(cid:76)(cid:87)(cid:68)(cid:87)(cid:88)(cid:71)(cid:3)APJ pingiks,kasutades telgede liigutamiseks sammmootoreid ja pingi kontrollerina personaalarvutil töötavatMach3 tarkvara. Sieg Mini Mill lisaseade on näidatud joonisel 1.9. 10