Разработка 3D-принтера

метки: Принтер, Разработка, Воздух, Процесс, Изготовление, Напряжение, Питание, Двигатель

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).

Особенности подготовки и обработки иллюстраций для печатной продукции

Целью моей дипломной работы является рассмотрение особенностей подготовки иллюстраций в печатных изданиях и рассмотрение различных графических редакторов. В практической части своей дипломной работы я хотела бы ... работа имеет большую теоретическую и практическую значимость, т. к. на данный момент в мире существует множество средств массовой информации, выпускающих различную печатную продукцию. ...

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.

Лазерные принтеры

... конечно, выдает десятки сигналов, управляющих всеми узлами принтера. 2. Принцип работы лазерных принтеров 2.1 Общее представление о принципах печати Впервые лазерный принтер был представлен фирмой Hewlett Packard. В ... барабана. Отпечатки, изготовленные на таких принтерах, имеют едва уловимые различия в качестве: при использовании первого способа достигается передача деталей, а при работе со вторым ...

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;

[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/diplomnaya/razrabotka-d-printera/

• 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.

Последовательность	0	1	2	3	0
Вход A	1	1	0	0	1
Вход В	0	1	1	0	0

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

Q A	1	0	1	0
Q B	1	1	0	0

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»

INput1	Input2	OUTput
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

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

Входной ток высокого уровня	0.02
Выходное напряжение низкого уровня	0.4
Диапазон рабочих температур, гр. С	-10…+70
Входной ток низкого уровня	0.4
Номинальное напряжение питания	5
Ток потребления, мА	11.5
Выходное напряжение высокого уровня	2.7
Функциональность	счетчик
Производитель	Россия

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

Наименование	i, 10 -6	Количество
Микросхема	10	8
Резистор	0,04	25
Транзистор	4	3
Стабилизатор	0,12	1
Провод соединительный	0,015	28
Конденсатор	0,5	13
Паянные соединения	0,004	326

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 150×100 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.

3.3 Расчёт геометрических параметров печатной платы

Основными исходными данными для расчета элементов печатного монтажа являются: класс точности; шаг координатной сетки; установочные характеристики компонентов и допуски на отклонения размеров и координат элементов печатного монтажа от номинальных значений. Последние определяются уровнем технологии, применяемым оборудованием и используемыми материалами.

Металлизированные отверстия применяют как монтажные для установки навесных элементов и как переходные для создания электрических связей межу слоями. Диаметр монтажных отверстий должен быть больше диаметра выводов навесных элементов на величину, удовлетворяющую условиям пайки и автоматизированной сборки узлов (диаметр переходных отверстий с целью максимального уплотнения монтажа выбирают номинальным).

Значение диаметра монтажных отверстий для дальнейшей установки в них выводов радиоэлементов определяют по формуле:

D=dэ + r, (3.1)

где dэ — максимальное значение диаметра вывода навесного элемента, установленного на ПП, мм;

• r — разность между минимальным значением диаметра отверстий и максимальным значением диаметра выводов установленного элемента (принимается равным 0,2 — 0,3), мм.

Диаметр монтажных отверстий под ИМС и транзистора IRFZ24N

d1=0,5+0,2=0,7мм

Диаметр монтажных отверстий под резисторы, электролитические конденсаторы, и других элементов

d2=0,6+0,2=0,8мм

Проводники, полученные на фольгированном диэлектрике должны иметь допустимую в производстве ширину, минимальное значение которой определяется, прежде всего, атгезионными свойствами материала основания и гальваностойкости фольги.

Номинальное значение ширины проводника рассчитывается по формуле:

t=tмд + |?tно|, (3.2)

где tмд — минимально допустимая ширина проводника, мм;

• ?tно — нижнее предельное отклонение ширины (0,2мм с покрытием).

Номинальное значение ширины проводника:

t=0,6+0,2=0,8мм

Расстояние между печатными элементами зависит от заданного сопротивления изоляции при рабочем напряжении или требований технических условий на ПП; фактическое расстояние между элементами на плате зависит от шага элементов, их максимальных размеров и точности расположения относительно заданных координат.

Номинальное значение расстояния между соседними элементами проводящего рисунка рассчитывается по формуле:

S=Sмд+?tво, (3.3)

где S _мд -минимально допустимое расстояние между соседними элементами проводящего рисунка, мм;

• ?tво — верхнее предельное отклонение ширины проводника (0,15-0,25).

Номинальное значение расстояния между соседними элементами равно:

S=0,6+0,15=0,75мм

Контактные площадки являются частью проводящего рисунка и расположены на поверхности слоев ПП. Они соединяются с металлизированными отверстиями и используются для монтажа навесных элементов.

Расчет минимального диаметра контактной площадки производится по формуле:

D=d+2b+c, (3.4)

где d — диаметр монтажного отверстия, мм;

• b — минимально допустимая ширина пояска контактной площадки, зависящая от класса точности, мм;

— с — коэффициент, учитывает изменения диаметров отверстий, контактных площадок, межцентровых расстояний, смещение слоев и других погрешностей, неизбежных в процессе изготовления платы. В общем случае его можно принять 0,3-0,5 мм, в зависимости от класса точности.

Минимальный диаметр контактной площадки:

D1=0,7+2*0,3+0,3=1,6мм

D2=0,8+2*0,3+0,3=1,7мм

Расчет минимального расстояния для прокладки n-го количества проводников между двумя отверстиями с контактными площадками диаметром D1 и D2 производится по формуле:

L= (D1+D2)/2+t*n+S(n+1), (3.5)

где n — количество проводников.

Минимальное расстояние для прокладки одного проводника:

L=(1,7+1,6)/2+0,8*1+0,75*(1+1)=3,95мм

принтер устройство конструкция печатный плата

4. Технологическая часть

4.1 Разработка печатной платы устройства

Печатная плата данного устройства односторонняя. Применение данной печатной платы в разработке объясняется легкостью её проектирования и простотой изготовления.

Проектирование печатной платы выполнено с помощью компьютерной программы Corel Draw.

В первую очередь, необходимо установить у края платы LPT-порт. Выходы управления шаговыми двигателями также необходимо установить у края платы. Далее необходимо расставить детали в соответствии технологическими требованиями и развести дорожки. Нужно установить все необходимые элементы ( резисторы, конденсаторы, диоды).

Основным требованием на данном этапе, является максимальная компоновка элементов и уменьшение габаритов платы.

4.2 Описание технологии изготовления устройства

Рассмотрим в последовательности технологические операции для изготовления печатной платы управления шаговыми двигателями:

Технология изготовления включает следующие этапы:

• Изготовление фотошаблона. Трассировка печатной платы была распечатана на фотобумаге, далее фотобумага обрезана до размеров платы.

— Подготовка печатной платы. Стеклотекстолит необходимо обработать. Обработка является весьма ответственным этапом изготовления ПП и должна выполняться с большой тщательностью. Обработка произведена в несколько этапов: получена заготовка, отпилен кусок необходимых размеров. Стеклотекстолит необходимо очистить при помощи губки, либо раствором ацетона.

— Термообработка. Далее фотобумагу следует приложить к стеклотекстолиту и подвергнуть термической обработке, в течении 15-20 минут. После этого, стеклотекстолит с прилипшей фотобумагой следует положить в горячую воду и ждать около 30-40 минут. Далее необходимо удалить фотобумагу, при этом дорожку останутся на стеклотекстолите. Рисунки должны быть четкими и ровными, без подтеков и наплывов эмульсии.

• Травление. Плата помещается в раствор хлорного железа. Плата травиться в течении 30-40 минут.
• Лужение. Произведено лужение платы оловом, при этом для достижения лучшего результата использован спиртовой раствор канифоли.
• Монтаж элементов. Произведен монтаж элементов на печатную плату согласно принципиальной схеме.

— Проведен выходной контроль платы. Осуществлен выходной контроль внешнего вида, инструментальный контроль геометрических размеров, а также оценка точности выполнения отдельных элементов.

5. Мероприятия по охране труда и противопожарной безопасности

5.1 Общие требования по охране труда

Задачей техники безопасности является создание безопасных условий труда, полностью исключающих возможность травматизма, источником которого, как правило, являются не случайные обстоятельства, а постоянно существующие на рабочих местах опасности, в отношении которых не были своевременно приняты необходимые меры по их устранению.

Безопасность труда обеспечивается комплексной системой мер защиты человека от опасностей, формируемых в рабочей зоне конкретным производственным (технологическим) процессом, техническим объектом.

Под охраной труда понимается система законодательных актов, социально-экономических, организационных, технических, гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий и средств, обеспечивающих безопасность труда, сохранение здоровья и работоспособности человека в процессе труда.

Большое значение в деле охраны труда имеет также соблюдение требований промышленной санитарии. Промышленная санитария — это система организационных мероприятий и технических средств, предотвращающих или уменьшающих воздействие на работающих вредных производственных факторов, возникающих в рабочей зоне в процессе трудовой деятельности.

К промышленной санитарии относится организация освещения и вентиляции на рабочих местах, очистка воздуха в рабочей зоне от вредных веществ, обеспечение оптимальных и допустимых параметров микроклимата (температуры, влажности, скорости движения воздуха) на рабочих местах.

5.2 Требований по технике безопасности при работе с ЭВМ

Операторы ЭВМ, операторы по подготовке данных, программисты и другие работники ВЦ еще сталкиваются с воздействием таких физически опасных и вредных производственных факторов, как повышенный уровень шума, повышенная температура внешней среды, отсутствие или недостаточная освещенность рабочей зоны, электрический ток, статическое электричество и другие. Уже разработаны множество комплексов организационных мероприятий и технических средств защиты, и имеется возможность добиться значительно больших успехов в деле устранения воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов. Однако состояние условий труда и его безопасности в ряде ВЦ еще не удовлетворяют современным требованиям.

Электрические установки, к которым относится практически все оборудование ЭВМ, представляют для человека большую потенциальную опасность, так как в процессе эксплуатации или проведении профилактических работ человек может коснуться частей, находящихся под напряжением. Специфическая опасность электроустановок:

— токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате повреждения (пробоя) изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждают человека об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании последнего через тело человека.

Исключительно важное значение для предотвращения электротравмотизма имеет правильная организация обслуживания действующих электроустановок ВЦ, проведения ремонтных, монтажных и профилактических работ.

В ВЦ разрядные токи статического электричества чаще всего возникают при прикосновении к любому из элементов ЭВМ. Такие разряды опасности для человека не представляют, но кроме неприятных ощущений они могут привести к выходу из строя ЭВМ. Для снижения величины возникающих зарядов статического электричества в ВЦ покрытие технологических полов следует выполнять из однослойного поливинилхлоридного антистатического линолеума. Другим методом защиты является нейтрализация заряда статического электричества ионизированным газом. В промышленности широко применяются радиоактивные нейтрализаторы. К общим мерам защиты от статического электричества в ВЦ можно отнести общие и местное увлажнение воздуха.

Перед началом и во время работы необходимо соблюдать следующие требования безопасности:

— работа на персональных электронно-вычислительных машинах (ПЭВМ) связана с повышенной опасностью, т.к. их питание осуществляется от сети напряжением 220 В. Несоблюдение правил техники безопасности может привести к травмам, поражению электрическим током. К работе на ПЭВМ допускаются лица прошедшие производственное обучение.

• перед началом работы ПЭВМ подключается к электрической сети. Розетки для подключения ПЭВМ должны быть правильно заземлены.
• желательно соблюдать следующий порядок включения устройств: монитор, принтер, системный блок.
• допускается временное отключение монитора.
• запрещается включать и выключать принтер при работающей ПЭВМ.
• запрещается работа на ПЭВМ при снятом корпусе или крышках устройств.
• запрещается оставлять ПЭВМ во включенном состоянии без наблюдения на длительное время.
• в случае неправильного функционирования какого-либо устройства следует поставить в известность руководителя подразделения.
• профилактику и модернизацию ПЭВМ следует производить только специалистам при отключенном питании.
• в случае появления посторонних шумов, запахов дыма или горелой изоляции необходимо немедленно отключит ПЭВМ, сообщить руководителю подразделения.

В случае аварийной ситуации необходимо:

• в случае появления дыма или огня необходимо немедленно отключить ПЭВМ от электрической сети, оповестить руководителя подразделения, приступить к тушению пожара, одновременно вызвать пожарную команду по телефону «01».
• в случае поражения электрическим током отключить ПЭВМ от сети, оказать первую медицинскую помощь и вызвать врача.

По окончании работ необходимо:

• привести в порядок рабочее место, закрыть окна.
• в случае необходимости выключить ПЭВМ или только монитор и внешние устройства.

5.3 Меры электробезопасности

Особую осторожность следует проявлять по отношению к электрическому току. Если человек попадает под напряжение (скажем, касается выводов выключателя питания), через его тело течет электрический ток. Опытами доказано, что ток около 0,01А уже вызывает легкое раздражение нервной системы и даже судороги. При увеличении тока до 0,03А мышцы могут потерять способность сокращаться, а при 0,06А наступает паралич дыхательных органов. Смертельным считается ток около 0,1А.

Сопротивление каждого человека различно. Оно зависит от влажности его кожи в данный момент, состояния нервной системы, усталости. У одного человека электрическое сопротивление тела большое и его может лишь слегка «ударить» током при касании провода, находящегося под напряжением. Другого же в этом случае парализует. Безопасным для человека в обычных комнатных условиях будет любой источник напряжением до 36 В.

Имеет значение и путь тока. Наиболее опасный — от руки до руки, поскольку он пролегает через область сердца. Менее опасен путь правая рука — левая нога, а затем правая рука — правая нога. Недаром опытные инженеры, проверяя установки с опасным для жизни напряжением, стараются держать левую руку свободной или вовсе убирать ее в карман, работая в напряженной ситуации только правой рукой.

Поэтому, при включении в сетевую розетку, например, паяльника, необходимо держать штепсельную вилку правой рукой так, чтобы пальцы не касались ее металлических штырьков. Сетевое напряжение будет на выводах обмоток трансформаторов, предохранителей, выключателей, других деталей изготовленных конструкций. При включении конструкций в сеть дотрагиваться до этих выводов нельзя. А перед первым включением необходимо проверить омметром качество изоляции между штырьками сетевой вилки и корпусом конструкции. Если оно менее 10 Мом при какой-нибудь (проверьте обе!) полярности подключения щупов омметра, отыщите неисправность и устраните ее. Такую проверку желательно периодически повторять в дальнейшем.

Проверяя в сетевых конструкциях режим работы деталей, необходимо подключать один из щупов измерительного прибора к общему проводу заранее, до включения конструкции в сеть. При необходимости заменить деталь или перепаять проводники необходимо обесточить конструкцию и вынуть вилку из розетки. При подборе режима, например, подстроечным резистором, следует пользоваться отверткой с хорошо изолированной ручкой.

Никогда нельзя работать усталым — электрическое сопротивление такого организма понижено, внимание ослаблено, реакция замедлена.

Электрические установки, к которым относится практически все оборудование предприятия информационного обслуживания, — большая потенциальная опасность для человека: в процессе эксплуатации или профилактических работ человек может коснуться частей под напряжением, а результат — травма, и даже гибель.

Специфическая опасность электроустановок в следующем: токоведущие проводники, корпуса стоек ЭВМ и прочего оборудования, оказавшегося под напряжением в результате повреждения (пробоя) изоляции, не подают каких-либо сигналов, которые предупреждали бы об опасности. Реакция человека на электрический ток возникает лишь при протекании тока через тело.

Для предотвращения электротравматизма большое значение имеет правильная организация обслуживания действующих установок на предприятиях информационного обслуживания, проведение ремонтных, монтажных и профилактических работ.

Особо следует выделить требования, предъявляемые к обеспечению электробезопасности пользователей, работающих с ВМ:

1) все узлы одной ВМ и подключенное к ней периферийное оборудование должны питаться от одной фазы электросети;

2) корпуса системного блока ПК и внешних устройств должны быть заземлены радиально с одной общей точкой;

3) для отключения оборудования ВМ должен использоваться отдельный щит с автоматами защиты и общим рубильником;

4) все соединения ВМ и внешнего оборудования должны производиться при отключенном электропитании.

Каждому необходимо уметь оказывать первую медицинскую помощь при поражении электрическим током.

О несчастном случае пострадавший или ближайший свидетель обязан немедленно сообщить руководителю работы или мастеру, после чего пострадавший сам или в сопровождении кого-либо направляется в медпункт. При необходимости вызывают врача на место.

Прикосновение к человеку, находящемуся под действием электрического тока, без применения мер предосторожности опасно для жизни оказывающего помощь. Поэтому первым действием должно быть быстрое отключение той части установки, которая воздействует на пострадавшего. При этом необходимо:

1) принять меры безопасности предотвращения падения пострадавшего, если он работает на высоте;

2) обеспечить аварийное освещение, не задерживая отключения установки и оказания первой медицинской помощи пострадавшему;

3) если отключение не может быть произведено достаточно быстро, необходимо принять меры к отделению пострадавшего от токоведущих частей: с помощью сухой тряпки, канатов, палки, т.е. используя сухой предмет непроводящий электрический ток.

5.4 Меры противопожарной безопасности

Пожар — это неконтролируемое горение во времени и пространстве; пожар наносит материальный ущерб и создает угрозу жизни и здоровью людей.

Опасными факторами пожара являются:

1) открытый огонь и искры;

2) повышенная температура воздуха и окружающих предметов;

3) токсичные продукты горения;

4) пониженная концентрация кислорода в воздухе;

5) обрушение и повреждение зданий, сооружений, установок.

Горение представляет собой сложное, быстропротекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением большого количества теплоты, как правило, свечением. Для возгорания необходимы наличие горючего воздуха (окислителя; чаще всего кислорода) и источника воспламенения.

Пожарная безопасность — это система организационных и технических средств, направленная на профилактику и ликвидацию пожаров.

В современных ЭВМ очень высока плотность размещения элементов электронных схем. В непосредственной близости друг от друга располагаются соединительные провода, коммуникационные кабели. При протекании по ним электрического тока выделяется значительное количество теплоты, что может привести к повышению температуры отдельных узлов до 80 — 100°С. При этом возможно оплавление изоляции соединительных проводов, их оголение, и, как следствие, короткое замыкание, сопровождаемое искрением, которое ведет к недопустимым перегрузкам элементов электронных схем. Они, перегреваясь, сгорают, разбрызгивая искры.

Как известно, для отвода избыточной теплоты от ЭВМ служат системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Однако мощные, разветвленные, постоянно действующие системы вентиляции и кондиционирования — дополнительная пожарная опасность для предприятия информационного обслуживания, так как, с одной стороны, воздуховоды обеспечивают подачу кислорода — окислителя во все помещения, а с другой — при возникновении пожара быстро распространяют огонь и продукты горения ко всем помещениям и устройствам, с которыми они связаны.

5.5 Экология и охрана окружающей среды

Вредное вещество — это инородный нехарактерный для природных экосистем ингредиент, оказывающий отрицательное влияние на них и живые организмы, обитающие в этих экосистемах.

Многие химические вещества в различных состояниях, выделяемые в процессе изготовления ПП, сборочных и монтажных работах, представляют собой вредные для окружающей среды и организма человека факторы.

Существует три этапа загрязнений окружающей среды: физическое; химическое; биологическое. При выполнении всех вышеперечисленных работ происходит химическое загрязнение окружающей среды такими веществами как: свинец; медь; пары соляной и серной кислот; водород; хлорид меди; аммиак; пары флюсов, используемых при пайке и покрытии ПП и др.

Свинец относится к вредным мутагенным веществам, приводящим к нарушению генетического кода, изменению наследственной информации.

Водород, соляная и серная кислоты, хлорид меди — относятся к общетоксическим, т.е. вызывающим отравление всего организма или поражение отдельных систем: центральной нервной системы, кровеносных органов, печени, почек.

Аммиак относится к раздражающим вредным веществам, вызывающим раздражение слизистых оболочек, дыхательных путей, глаз, легких, кожи.

Обычно в качестве флюсов применяют канифольно-спиртовые флюсы или хлористый цинк. Канифоль раздражает кожу, может вызвать сыпь, а хлористый цинк может вызывать сильное раздражение, прожигать кожу и слизистые оболочки.

При выбросах данных веществ в окружающую среду они оказывают столь же отрицательное влияние на растительный и животный мир. Регулярные выбросы могут привести к загрязнению почв, атмосферы и водоемов, что в свою очередь может вызвать уменьшение количества видов животных и растений или их полное исчезновение. Химическое загрязнение природы, прежде всего, подавляет иммунную систему живых организмов (в том числе и человека), вызывая иммуннодефицитное состояние организма.

Для защиты окружающей среды от негативных факторов, возникающих при изготовлении ПП и сборочно-монтажных работах, необходимо обеспечить:

1) защиту от выбросов газов и паров, возникающих в процессе производства, в атмосферу;

2) защиту от попадания выбросов тяжелых металлов и их солей в почву и водоемы;

3) защиту от сливов в водоемы жидких отходов, не прошедших очистку и дезактивацию.

Всего этого можно добиться путем применения фильтров и очистных сооружений, а также замкнутых систем, т.е. систем, использующих собственные отходы для дальнейшего производства (например, кольцевое использование сточных вод в целях охлаждения или сбора вредных веществ, выделение из отходов производства веществ, которые могут использоваться повторно — свинец, медь и др.).

Для локальной очистки сточных вод применяются различные установки. Установка очистки промстоков ОПС-У применяется для очистки сточных вод гальванических цехов от ионов тяжелых металлов. Установка УР-1 предназначена для регенерации раствора, используемого при травлении меди, а установка «Лотос» — для очистки деталей в растворителях с одновременной его регенерацией.

Очистка выбрасываемого воздуха от органических растворителей и паров спирто-канифолевой смеси (флюс) производится адсорберами типа А-1 и А-6, в которых сорбентом является полиакрилонитрильное полотно, модифицированное активированным углем АГ-3. Очистку воздуха от паров кислот осуществляют фильтрами типа УИФ-2, где фильтрующим материалом служит ионообменный волокнистый материал типа вион, копан.

Для обеспечения индивидуальной защиты человека от негативных факторов производства необходимо точное соблюдение правил техники безопасности. Кроме того, на всех участках производства необходимо как усовершенствование систем очистки, так и расширение применения автоматизированных и механизированных систем, способных заменить собой человеческий труд.

6. Экономическая часть

6.1 Расчет затрат на материалы, полуфабрикаты, покупные изделия

Представленный в настоящем дипломном проекте расчет экономической части системы произведен в соответствии с международным стандартом на разработку 3D-принтера, а также нормой рабочего времени в Республике Башкортостан на 2011 год, установленной распоряжением Правительства Республики Башкортостан от 19 ноября 2008 года.

Исходные данные для расчета затрат приведены в таблице 6.1.

Таблица 6.1 — Расчет стоимости радиоэлементов, материалов, ПФ и ПКИ

Наименование	ГОСТ	Единица измерения	Количество	Цена за единицу, руб.	Сумма, руб.
1	2	3	4	5	6
Стеклотекстолит фольгированный СФ1-35Г 205*305*1,5мм	10316-78	шт	0,2	115	23
Припой ПОС-61 (14 г)	23931-76	шт	1	24	24
LPT-порт		шт	1	24	24
Микросхема К555ИЕ13	17461-88	шт	3	8	24
Микросхема К555ЛП5	17461-88	шт	1	10	10
Драйвер SMA7029M		шт	3	266	798
IRFZ24		шт	3	17	51
Резистор 1.1 кОм	10318-80	шт	7	5	35
Резистор 2.4 кОм	10318-80	шт	6	5	30
Резистор 47 Ом	10318-80	шт	6	10	60
Резистор 510 Ом	10318-80	шт	3	38	114
Резистор 100 Ом	10318-80	шт	3	20	60
Конденсатор 470 пФ	25949-83	шт	6	5	30
Конденсатор 2200 пФ	25949-83	шт	6	5	30
Конденсатор электролитический 1000мкФ 16V	12661-67	шт	1	6	6
Стабилизатор LM7805 (+5В, 1.5А) TO220		шт	1	80	80
Блок питания 220-230V 50/60Hz 12V 10-60W	Р 511318.14.1-99	шт	1	54	54
Шаговый двигатель EM-141		шт	3	577	1731
Арматура профильная	8639-82	м	3	53	159
Направляющая		шт	2	65	130
Шпилька		шт	2	49	98
Полозья		шт	2	57	114
Подшипник 18х6	3478	шт	4	50	200
Алюминиевый лист 4 мм	21631-76	кг	2,5	135	337,5
Итого	4222,5

Таблица 6.2 Расчет трудоемкости и заработной платы на изготовление устройств

Транспортно-заготовительные расходы составляют 10% от стоимости полуфабрикатов	422,25
Всего с транспортно-заготовительными расходами	4644,75

Наименование работ	Оклад, руб.	Трудоемкость работ, ч	Часовая тарифная ставка, руб.	Расценка, руб.
Изготовление печатной платы	4330	15	26,58	398,7
Формовка выводов элементов	4330	0,5	26,58	13,29