Печать сферической АС на 3D-принтере

Приветствую читателей «Датагора»! Хочу рассказать вам о создании акустической системы с применением технологии 3D-печати. С помощью 3D-принтера мне удалось построить необычную акустическую систему в форме шара, а также решить ряд дополнительных задач, возникающих при изготовлении акустики.
Хочу заметить, что я вовсе не пропагандирую применение пластмассы в качестве основного материала для построения АС.

Ещё со студенческих времён была у меня мечта — сделать колонки в форме шаров. Но доступные в те времена для меня методы создания корпуса нестандартной формы никак не вдохновляли меня. И вот, спустя много лет, я обзавелся 3D-принтером.

↑ Несколько слов о «виновнике торжества»

Мой 3D-принтер — что это за зверь и откуда он у меня взялся? Тут всё просто. Технологии 3D-моделирования и печати давно манили меня своими возможностями. И вот пару лет назад на свой день рождения я решил порадовать себя покупкой 3D-принтера. Фирменные аппараты сильно кусаются по цене, а вот у китайцев можно было поискать приемлемый вариант.

Я поискал и нашёл: Large Printing Area 260×260×350 mm Aluminium Frame 3D-Printer kit with Auto-Leveling and Heated
По ссылке вы найдете три версии принтера, мой под названием «normal kit», то есть самая простая версия, в ней нет тач-дисплея и экструдер одиночный. Короче, конструктор «сделай сам».

Заказал, недели через две курьерской доставкой привезли увесистую коробку прямо на порог. Коробка оказалась полна разных неведомых деталей. Но это не страшно, продавец приложил картридер с SD-картой, на которой было всё, от описания сборки до программного обеспечения и руководства по эксплуатации. На той же карточке я нашел STL файлы с тестовыми моделями для пробы печати. Это был болт М10 и гайка того же размера. В комплекте шли две небольшие катушки с пластиковым прутком разного цвета.

Через несколько дней сборки, наладки и настройки первые болт с гайкой были напечатаны.

Что я получил в итоге? 3D-принтер на алюминиевой раме, с достаточно большой областью печати 260×260×350 мм, алюминиевый стол с подогревом, возможность печати большинством видов пластика. Экструдер один с одним соплом, соответственно и цвет одновременной печати тоже один, мне это не принципиально. Когда-нибудь куплю мультиэкструдер, а пока мне и этого хватает.

Диаметр используемого прутка 1,75 мм, диаметр сопла экструдера 0,4 мм, но можно устанавливать и другие, от 0,1 мм и выше. Многие детали принтера изготовлены при помощи той же технологии 3D-печати, это так называемая «REPRAP инициатива» (от англ. Replicating Rapid Prototyper — самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов).

В качестве недостатков данного аппарата могу отметить некоторую расхлябанность конструкции, видимо связанную с узлами крепления рамы, всё-таки такая конструкция должна иметь бОльшую жесткость.
Я проблему решил своеобразно, прикрутил основание рамы принтера к тяжеленному советскому напольному сейфу, который без надобности занимал место у нас на складе, заодно и подставка удобная получилась. Зафиксировав таким образом четыре нижние планки рамы я свёл к минимуму люфт всего принтера.
Подогрев стола немного не доделан, 12 V хватает для нагрева его до 55-60°C, надо греть отдельным блоком питания.

Я остался доволен приобретением, ни секунды не пожалел о потраченных деньгах. Очень полезный инструмент в арсенале самодельщика. Чего только не печатал я на нём! Корпуса для моих самодельных устройств, различные кронштейны, подставки, приборные панели, пластмассовые детальки друзьям для автомобилей, игрушки сыну… Однажды даже колеса для «пенсионерской сумки на колесах» печатал.


После полутора лет освоения 3D-принтера я дозрел до осуществления почти забытой мечты. Максимально возможный диаметр шара, который ограничен областью печати, менее 260 мм. Дело за малым — попробовать. Решил для пробы печати сферических объектов распечатать маленький шар диаметром 10 см с толщиной стенки 3 мм. Всё получилось, шар распечатался, теперь можно приступить к большому шару.

↑ Пять сфер для домашнего кинотеатра

Я задумал собрать акустические системы для домашнего кинотеатра «5.1». Должны получиться две фронтальные колонки, две тыловые и одна центральная. Печать сабвуфера не планирую по понятным причинам.
Колонки должны быть в форме правильного шара, для каждой колонки должно быть предусмотрено крепление к стене с большим диапазоном регулировок поворотов и наклонов. Так как комната, для которой все это делается имеет небольшие размеры, наводить колонки придется под большими углами. Ну и цвет, цвет должен быть ярко фиолетовым, так как комната у нас в фиолетовых тонах.

Над выбором динамиков для фронтальных колонок долго не задумывался, купил пару автомобильных динамиков «Pioneer 1001I». Это 4-дюймовые коаксиальные, широкополосные динамики.


Проверено, они имеют достаточно хороший звук для их размера, уровня и стоимости. Данные динамики около пяти лет эксплуатируются в моей настольной акустической системе, они установлены в корпуса из ламинированного ДВП от какого-то музыкального центра, объемом по 3 литра. Прекрасно себе играют, хорошие верха, чёткая серединка, неплохие для их размера НЧ. Разумеется, ценители глубоких, бархатных низов должны обратиться к динамикам совсем другого калибра.
Немаловажный для тестового проекта момент: пара таких динамиков стоит в магазинах моего города около 1000 руб.

Сразу скажу, что расчет акустической системы по параметрам не делался, размер акустики выбирался исходя из возможностей печати. Выбрал внутренний диаметр шара 200 мм и толщину стенки 10 мм. В общей сложности наружный диаметр получился 220 мм, с учетом узла крепления кронштейна общая ширина заготовки получается 235 мм.
По максимуму делать пока не рискнул, просто не хотел загонять головку принтера в максимальные положения при столь длительной печати.

С указанными выше размерами, и с учетом удаления сегмента шара, занимаемого фланцем для динамика, объем шара получился 4,1 литра. Неплохо, под такой объём в закрытом корпусе можно использовать почти любой 4-х дюймовый динамик.

↑ 3D-печать корпуса АС

С размером определился, модель отрисовал. Кстати, все модели я рисую в бесплатной онлайн программе «Tinkercad». Очень удобная программа, встроенное обучение. В принципе, за 10 — 20 минут можно научиться создавать элементарные вещи. Для меня возможностей этой программы хватает выше крыши.

Настал момент вывода на печать. И вот на этом этапе я испытал лёгонький шок. Мало того, что программа-слайсер больше часа готовила G-код для печати, так ещё в результате я получил цифру с 5 нолями в миллиметрах, означающую необходимое количество прутка для печати, и 38 часов 20 минут время печати! Немногим менее двух суток!

Сразу в голову лезут неприличные мысли: а хватит ли пластика на бобине, а не отключат ли электричество во время печати? А не случится ли ещё что-нибудь непредвиденное? Максимальное время непрерывной работы принтера до этих пор не превышало десяти часов. При этом я всё время находился в соседней комнате и периодически контролировал ход печати. В данном же случае мне придется оставлять работающий 3D-принтер в одиночестве.

Глаза боятся, а руки делают. Запустил процесс.



Как и обещал мне слайсер, через 2 дня печать завершилась. Первый блин не комом, все получилось отлично. Даже лучше, чем я ожидал. Заготовка получилась крепкая твердая, ни трещин, ни провалов.

↑ Кронштейн для крепления АС на стену

На фото в нижней части корпуса видна белая пупырка — это узел крепления кронштейна к колонке, он не случайно сделан в форме полусферы диаметром 30 мм. По центру этой полусферы, радиально к центру корпуса колонки сделано отверстие диаметром 7 мм. Сквозь это отверстие продевается болт М6×60, с потайной головкой, с наружной стороны болт фиксируется гайкой М6, которая при затягивании утапливается в полусферу кронштейна.



В последствии на этот болт одевается и затягивается кронштейн.


На фото виден торчащий из кронштейна болт, с навернутым на него барашком, это было сделано в пробном варианте. В окончательном варианте болт был отпилен на необходимую длину, и вместо барашка используется красивая колпачковая гайка.
Первый вариант кронштейна меня не устроил по следующим причинам: полусфера кронштейна изначально была расположена неправильно, задирать ось динамика вверх никто не собирался, а с учетом установки колонок на высоте 2 м, даже прямо ей не быть.
В нужном мне положении, когда колонка направлена на слушателя, угол наклона колонки на кронштейне был таков, что колонка отстояла от стены более чем на 10 см, выглядело это некрасиво, поэтому пришлось изрядно укоротить кронштейн, и достаточно сильно наклонить вниз.


В таком варианте ось динамика уже не направишь горизонтально полу, не хватает градусов 5, но при этом колонка замечательно наклоняется вниз, сохраняя приемлемое расстояние от стены, и поворачивается вправо-влево. На этом и остановился.

↑ Внешняя отделка корпуса АС

Дизайнером экстерьера в данном проекте выступила моя супруга. Так как мы только что закончили ремонт в спальне, для которой собственно и делается домашний кинотеатр, и главным цветом в спальне стал фиолетовый, то и шары обязательно должны быть фиолетовыми.

На некоторых фото можно заметить гранёный рельеф колонок. Эта гранёность поверхности появилась в результате ограниченности программы Тинкеркад в плане создания тел вращения. Любая такая фигура, будь то цилиндр, шар, труба, тор или конус, создаётся с настраиваемым количество граней, до 64-х граней максимум. Соответственно для шара эти грани идут и вдоль, и поперек, как меридианы и параллели. Вот их то мы и видим. Для довольно крупного объекта (шар 22 см) 64 грани — это маловато.

Прикладываю скрин из Тинкеркада, где отчетливо видна прямоугольная сетка. Как нарисуешь, так и печатает принтер. Слайсер просчитывает G-kod с учетом этой сетки.

Изначально я не хотел обрабатывать поверхность вообще. Думаю, пыльну балончиком шарик и всё. После долгих обсуждений с друзьями, которые убедили меня однозначно шпаклевать перед покраской, а заодно снабдили минимальным запасом знаний техпроцесса, я отправился в магазин автоэмалей и купил шпаклевку для пластика, разные обезжириватели, грунты, краску цвета «гранат», кучу разных салфеток, шкурок и прочих расходников.

Опыта по выравниваю и окрашиванию деталей сложных форм у меня не было. Результатом моих трудов в области шпаклевания стал темно-серый астероид неопределенной формы и размера. Жуть.

Я потом наверное неделю вокруг него ходил и думал, как мне его теперь шлифовать. Шпаклевка окрепла моментально и стала очень прочной, шкурить вручную вообще нереально. Хорошо один товарищ предложил мне дельтошлифовальную машину. С её помощью часа за два я ошкурил поверхность.
Для того чтобы колонка была точно круглая без выпираний и провалов, выступающие грани я использовал как маяки.


На тщательно подготовленную и обезжиренную поверхность была нанесена шпаклевка для пластиковых деталей автомобиля, затем я обработал поверхность наждачкой при помощи виброшлифовальной машинки. После этого поверхность колонки была покрыта заполняющим акриловым грунтом, и затем уже покрашена краской в 5-6 слоев из баллончика.


На ощупь поверхность ровная и гладкая. После обработки адгезионным грунтом и покраски, после высыхания, все артефакты проступают наружу, как черное на белом.

Надеялся избавится от эффекта гранёности применяя другой тип пластика, но увы, вторая колонка распечатанная ABS-пластиком повела себя абсолютно также, да ещё добавились круговые трещинки по поверхности. Никаких больше отличий ABS от PLA не заметил.



На подходе тыловые и центральная колонка. Попробую зашпаклевать всю поверхность без выступания пластика без изменения рельефа.
Но могу сказать, что установленные на стену колонки выглядят лучше, чем на фото — просто ровная глянцевая поверхность.

↑ Демпфирование и сборка АС

И без того звонкий и немузыкальный пластик, распечатанный на 3D-принтере, он ещё и не монолитный, а с сотами-пустотами, возможно и не герметичный. Необходимо свести к возможному минимуму влияние всех этих недостатков на звук.
Для заглушения внутренней полости колонок я использовал материал «Вибропол Флекс». Это по сути строительный герлен, с улучшенными свойствами. В работе материал не сложен. Я нарезал его полосами, и, разогревая феном колонку изнутри и сам «Вибропол», наклеивал его внутри шара. Образовавшиеся стыки, щели и прочие неприятности залеплял пальцем.


Обработанный таким образом корпус моей колонки стал менее звонким. При простукивании звук напоминает звук постукивания по корпусу из МДФ. Напоследок я на треть заполнил шар синтепоном.

Для крепления динамика к колонке я купил фирменные винты с прямоугольными головками и пазом под звездочку. В качестве прокладки между динамиком и корпусом колонки использовал пластилин.


Все подготовительные работы были завершены, настал волнующий момент установки динамика, прогрева и тестового прослушивания.


Первый запуск прошел нормально. Шарик заиграл. Погонял динамик несколько часов на средней громкости, затем попробовал на громкости близкой к максимуму. Никаких посторонних шумов и призвуков не было. Всё по плану, всё хорошо и проект имеет право на жизнь.

↑ Гриль на магнитах

Осталась одна маленькая деталь, без которой облик колонки остался бы незаконченным.
Очень хотелось, чтобы динамик был закрыт красивой решеткой обтянутой тканью, мелкой почти гладкой, однородной и акустически прозрачной. Думаю, ни для кого не открою секрет, что для этих целей отлично подходят женские колготки. Мне лично понравились черные, однородные, плотностью 80 Den.

Нужные мне куски я вырезал из верхней части, где самая плотная ткань. Саму решетку (на деле это получилось кольцо) я тоже распечатал на 3D-принтере. С внутренней стороны решетки я предусмотрел колечки с углублениями под магниты.

Магниты использовал неодимовые, диаметром 8 мм и толщиной 2 мм. Вклеил их суперклеем «Космофен». Просто положил магнитики ровно в специально предназначенные места и залил их клеем.

Магнитики на решетке расположены таким образом, чтобы совпасть с саморезами крепящими динамик. Хватка у этих крошечных магнитиков не шуточная, просто так их не оторвешь.
После этого аккуратно натянул ткань на решетку, завязал ее с внутренней стороны в пучок, края с внутренней стороны проклеил «Космофеном», и после того как клей схватился острым ножом обрезал излишки ткани.

Все, фирменная решетка готова.

↑ Выводы

К моменту завершения статьи была готова вторая фронтальная колонка. Обе колонки заняли предназначенные для них места и даже были подключены к телевизору и прослушаны.
Колонки хорошо вписались в интерьер комнаты и прекрасно заменяют скудный звук динамиков телевизора.

Полученный результат воодушевил меня на создание пары тыловых колонок и центральную. Но об этом я расскажу в следующей статье.

В заключение хочу сказать, что, использование 3D-печати в колонкостроении вполне возможно и востребовано. Даже если делать акустику по всем канонам и использовать исключительно акустически правильные материалы, то изготовление таких необходимых вещей как фазоинверторы, порты, грили, кронштейны, прочие аксессуары и элементы декора облегчается в разы.

↑ Файлы

🎁Архив 3-d проекта колонок — stl.zip  1.14 Mb ⇣ 38

↑ Ссылки

• Кит 3D-принтера на алюминиевой раме с большой областью печати 260×260×350 mm, автовыравниванием и подогревом
• Разнообразные по цвету материалы PLA 1.75mm для 3D-печати с доставкой
• Детали, запчасти, прилады для 3D-принтеров

Спасибо за внимание!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации