Делаем ракету на 3D-принтере

На моих глазах 3D-принтеры проникали в аэрокосмическую промышленность. Детали, пригодные для использования в космическом корабле, обходились теперь несравненно дешевле и почти не требовали времени для изготовления. Путь от первых корявых домашних самоделок до прецизионных аппаратов, способных формовать детали ракетных двигателей и корпусов, был проделан за фантастически короткое время.

Но в домашней мастерской я решил пока ограничиться малым — осво-ить азы этого ремесла и сделать несколько моделек, использовав для этого самый ходовой 3D-принтер из тех, которые плюются горячим пластиком и продаются на каждом углу.

Мои пластмассовые ракеты родились как математические модели, или, выражаясь более образно, трехмерные цифровые фотографии. Чтобы целиком сконцентрироваться на процессе печати, я решил использовать готовый проект. Заглянув на сайт Thingiverse, принадлежащий компании MakerBot, я увидел более 100 000 конструкций, присланных любителями со всей страны. Из них я выбрал модельки трех ракет — одна другой лучше. 3D-принтер я позаимствовал у знакомого, пообещав подарить ему парочку ракет собственного производства и упаковку расходников. Так мне достался MakerBot Replicator 2.

3D-принтеры создают объекты путем «аддитивной формовки» — наложения жидкого полимера слой за слоем. Как правило, такой гаджет представляет собой что-то вроде гибрида струйного принтера с клеевым пистолетом. Пластиковая нить подается в разогретую печатную головку, из которой выдавливается уже горячая жижа. На открытом воздухе она быстро остывает и твердеет.

В ранних самодельных принтерах в качестве материала использовали мотки запасной лески для садовых триммеров, а нынешние аппараты работают, конечно, на специально поставляемых материалах. Если вы серьезно относитесь к этому занятию, обзаведитесь аппаратом, который может работать с самыми разными типами полимеров. Чаще всего используются пластики вроде ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирола) и PLA (полилактида). Годятся также найлон, пластики, армированные волокном, и PET (полиэтилентерефталат), получаемый при утилизации пластиковых бутылок.

Наиболее популярен все-таки ABS — это прочный и дешевый материал. Кроме того, вынутые из принтера изделия, слепленные из него, легко обрабатываются привычными инструментами. Впрочем, у ABS имеются и недостатки. Из печатной головки он вытекает в виде густого сиропа, схватывается медленно, а при затвердевании дает усадку.

Я для своих ракет использовал PLA — просто потому, что именно этот материал был уже загружен в принтер. Обычно с этим полимером работать сложнее, чем с ABS, но зато он сулит большую прочность и точность. Он быстрее схватывается, так что его слои можно накладывать на подложку без предварительного подогрева, не опасаясь, что деталь покоробится. Впрочем, PLA принесет вам кое-какие другие проблемы, с которыми я столкнулся практически сразу.

Я начал с самого простого проекта, маленькой ракеты из двух деталей — конического носового обтекателя и блочка хвостовых стабилизаторов. Эти детали нужно было плотно насадить на стандартный магазинный двигатель для игрушечных ракет (представляющий собой картонную гильзу длиной сантиметров семь, набитую порохом). Ну и какая ракета без имени? И я назвал ее 3D PeeWee (по-русски — «Коротышка»).

Я открыл файл, пользуясь бесплатным пакетом программ MakerWare, который любезно предоставляет всем желающим компания MakerBot. В пакете предусмотрены и все подготовительные операции, и послойная раскладка будущего изделия. На подготовительном этапе дается возможность заранее посмотреть, что у вас получится, подогнать размер будущей детали, выбрать для нее оптимальную ориентацию и место на рабочем столе.

Впрочем, я всю эту подгонку производил уже в программе послойной раскладки. Она представляет будущий объект в виде тысяч тонких слоев, после чего преобразует всю информацию в программный язык ЧПУ, который управляет движениями печатной головки. В большинстве случаев, если вы хотите получить приличные результаты, вам придется залезть в программные установки, не удовлетворяясь теми параметрами, которые заданы по умолчанию. Я подстроил уровень разрешения принтера, толщину стенок будущей ракеты и плотность заполнения. Дело в том, что те части модели, которые по чертежам являются сплошными (не полыми), принтер печатает в виде сотовой структуры в целях экономии материала. Плотность заполнения определяет величину соты и, соответственно, плотность и прочность модели.

Обе детали были изготовлены всего за полчаса, и ушло на них менее 50 см полимерной нити. При такой экономичности я позволил себе самые разнообразные эксперименты. Впрочем, без них было не обойтись, потому что первые блины неизменно выходили комом. Особенно раздражало нежелание хвостового стабилизатора стоять на месте: при каждом проходе принтера деталь слегка сдвигалась по столу. Это меня не устраивало — я желал добиться от принтерной головки точности хотя бы в 100 мкм. И если на экране компьютера ракета выглядела просто красавицей, на рабочем столе я получал что-то вроде спутанного комка пластиковой вермишели.

Когда формуешь свои модели из PLA, они очень часто норовят отлепиться от стола — особенно если закреплены всего на нескольких крошечных участках. При работе с ABS это не так портит жизнь, поскольку там все равно нужно предварительно подогреть рабочий стол, и тогда этот более густой полимер приварится к нему намертво.

Я разобрался с проблемой по-своему: вернулся к программе нарезки на слои и добавил к ней еще несколько черновых проходов, которые должны сформировать опорную площадку в виде диска. В нашем деле такой элемент принято называть «опорным фундаментом». Таким образом я увеличил площадь контакта детали с рабочим столом, и она прилипла к нему так, что не оторвать. Потом, когда дело было сделано, я легко отрезал лишнюю пластмассу ножом.

Итак, несколько экземпляров моей первой ракеты (модель 3D PeeWee) уже стоят у меня на столе, и я приступаю к строительству более сложной ракеты с обратной стреловидностью крылышек стабилизатора. Двигательный отсек состоит из четырех деталей. Их заостренные концы должны стыковаться с головкой ракеты, охватывая при этом ракетный двигатель. У носового обтекателя нужно отформовать пружинные пальцы, которые потом вставятся в головной отсек ракеты. Там они должны плотно сидеть в течение всего полета, а в конце выскочить из гнезд и высвободить парашют для приземления головной части.

Во время печати головной части начались неприятности. Деталь перекосилась, и в сечении я вместо окружности получил овал. Да и замковые пальцы получились нечеткими. Из-за этих дефектов состыковать головную часть с двигательным отсеком не получилось, как я ни старался. Я снова вернулся к программе послойной раскладки и предусмотрел в ней ребра жесткости, которые будут удерживать правильную форму в процессе изготовления (потом эти ребра можно срезать ножом). Что же касается запорных пальцев, то здесь я выбрал «метод проб и ошибок»: лепил их снова и снова, меняя разрешение принтера, пока не получилось что-то приличное.

Моя третья ракета задумывалась как цельная отливка. Ее трехчастный фюзеляж, носовой обтекатель и блок стабилизаторов я планировал отпечатать в виде единой детали. В теории предполагалось, что при сборке нужно отсоединять детали одну за другой от монолитного блока. На практике, однако, похвастаться было нечем. Передо мной стояло несколько уродцев, напоминавших абстрактные скульптуры.

Я все еще продолжаю экспериментировать с программными установками, так что какие-то части ракеты уже получаются достаточно легкими, чтобы взлететь, если в них вставить игрушечный двигатель средней мощности. Более того, я подумываю, как мне перейти на какую-нибудь программу с открытым кодом, — тогда будет легче вмешиваться в исходные настройки. Программный пакет MakeWare заботливо подготовит вам рабочую зону и нарежет объект на тонкие ломти, но он не оставляет простора для экспериментов, ограничивает ваши возможности самостоятельно подстраивать такие параметры, как, скажем, температура печатной головки или скорость подачи материала. При таком подходе вряд ли у вас что-то получится, если вы возьметесь за объект с тонкими стенками или мелкими деталями.

Солнечным декабрьским деньком я запустил свою ракету 3D PeeWee. Искривленные перья стабилизатора заставили ракету крутиться вокруг собственной оси, что обеспечило хорошую устойчивость в полете. С другой стороны, они создавали добавочное лобовое сопротивление, так что поднялось мое детище всего метров на 150. Потом я потерял его из виду и только некоторое время спустя, где-то на расстоянии в полкилометра нашел на земле рассыпанные перышки стабилизатора. Более крупную ракету с клиновидными крылышками я пока еще не запускал. Судя по всему, я неосознанно, исподволь готовлю себя к разочарованию. Что ж, если ничего не выйдет, придется возвращаться в Tigerlabs, заниматься дальнейшим облегчением ракеты, балансировать ее фюзеляж, меняя толщину стенок и коэффициент заполнения.

Впрочем, меня этим не испугать. Передо мной на столе корявые скелеты моих неудачных конструкций. Они напоминают, что если хочешь освоить трехмерную печать, то нужно запастись терпением, смекалкой, а главное, пластиковой нитью немереной длины.