RepRap

RepRap (lühend ingliskeelsest mõistest replicating rapid prototyper) on projekt, mille eesmärgiks on välja töötada 3D-printer, mis suudab iseenda komponente valmistada. Kõik projekti käigus loodud kavandid on välja antud GNU GPL vaba tarkvara litsentsi alusel. Printeri enesekopeerimisvõime eristab seda teistest sarnastest projektidest nagu Fab@Home ja CupCake Makerbot.

Praeguseni on RepRapi projekt välja andnud kaks 3D-printerit: Darwin, välja lastud 2007. aasta märtsis, ja Mendel, välja lastud 2009. aasta oktoobris. Projekti arendajad on seadmed nimetanud kuulsate bioloogide järgi, kuna seadme idee seisneb paljunemises ja pidevas arengus.

Seadme enesepaljundamisvõime tõttu näevad selle loojad ette võimalust RepRap-printerite odavat levitamist erinevatele inimestele ja inimrühmadele, võimaldamaks neil keerukate toodete loomist (või Internetist hankimist) ilma kuluka tööstusliku infrastruktuurita. RepRapi loojad kavatsevad selle protsessi abil demonstreerida evolutsiooni ning eksponentsiaalselt suurendada ka juba olemasolevate printerite arvu.

Eesmärgid

RepRapi projekti eesmärkideks on puhtalt ennastpaljundava seadme valmistamine, mis võimaldaks inimestel asukohast olenemata ja minimaalse kapitali eest kasutada isiklikku tootmissüsteemi, millega igapäevaelus vajaminevaid tehisesemeid valmistada.

RepRapi projekti ennastpaljundav olemus võib vabalt kaasa aidata seadme kiirele levikule ning kaasa tuua ka laiatarbekauba arendus- ja tootmispõhimõtetes suure muutuse – patenteeritud toodete tööstusliku tootmise asemel hakkaks levima patenteerimata ja vabade spetsifikatsioonidega "personaaltoodang". Jättes tootearenduse ja reaalse tootmise üksikisikutele, peaks toodete täiustumisaeg kõvasti lühenema ning samas mitmekesistuma kitsatarbekaup ja selle tootmine.

Teoreetilisest vaatepunktist üritab projekt tõestada järgmist hüpoteesi:

Kiirtootearendus- ja otsetrükitehnoloogiad on piisavalt mitmekülgsed, et kasutada neid von Neumanni universaalkonstruktori loomiseks.

Taust

RepRapi asutas 2005. aastal dr Adrian Bowyer, kes on vanemlektor Bathi ülikooli masinaehitusteaduskonnas.

2010. aasta mai seisuga maksavad lihtsamad 3D-tootmisseadmed umbes 240 000 Eesti krooni, arvestamata algmaterjalide ja tahestusainete hindu, mis võivad küündida kuni 18 000 Eesti kroonini. Nende seadmete valmistatud prototüüpide tootmiskulu on ligikaudu 24 krooni/cm³. RepRapi projekt on valmistanud 3D-tootmisseadme ja sellega kaasneva GNU GPL-i avatud tarkvaralitsentsi alusel väljastatud tarkvara, mille koostekulu on ligikaudu 4800 Eesti krooni ning mis võimaldab toodete valmistamist tootmiskuluga 25 senti/cm³.

RepRap kasutab sadestusmodelleerimise tehnoloogiat.

Ajalugu

 23. märts 2005 – RepRapi ajaveebi sünd.
 13. september 2006 – RepRap 0.2 prototüüp trükkis edukalt iseenda esimese osa, mida kasutati, et vahetada välja osa, mis oli algselt valmistatud kommertsprinteri poolt.
 9. veebruar 2008 – RepRap 1.0 Darwin suutis edukalt kopeerida üle poole oma komponentidest.
 14. aprill 2008 – tõenäoliselt esimene RepRapi tehtud valmistoode – Ford Fiesta armatuurlaua külge kinnituv iPodi-hoidik.
 29. mai 2008 – Bathi Ülikoolis valmistas esimene teise põlvkonna printer paari minuti jooksul pärast valmimist esimese komponendi järgmise põlvkonna seadme valmistamiseks.
 2008. aasta 23. septembri seisuga on valmistatud vähemalt 100 seadet paljudes riikides. Seadmete täpne arv on teadmata.
 30. november 2008 – esimene tõendatud "kõrvaline" replikatsioon. Wade Bortz, esimene arendusmeeskonda mitte kuuluv isik, valmistas esimesena kellelegi teisele RepRapi täieliku koopia. Müük toimus vahetult pärast interneti kaudu kohtumist.
 20. aprill 2009 – kinnitati esimeste trükkskeemide valmistamine RepRapi poolt, kasutades automatiseeritud kontrollsüsteemi ning vahetatavat trükkotsikut, mis on võimeline trükkima nii plastikut kui elektrijuhtivusega joodist. Skeem paigaldati sama RepRapi külge, mis selle valmistas.
 2. oktoober 2009 – teise põlvkonna seade Mendel trükkis oma esimese komponendi. Mendeli üldkuju meenutab kuubiku asemel hoopis kolmnurkprismat.
 13. oktoober 2009 – valmib lõplikult RepRap 2.0 Mendel.
 27. jaanuar 2010 – Foresight Institute lõi Kartik M. Gada nimelise innovatsioonipreemia täiustatud RepRapi kavandamise ja valmistamise eest (preemiad vastavalt – 240 000 Eesti krooni ja 950 000 Eesti krooni).
 31. august 2010 – kolmanda põlvkonna kavand Huxley saab ametlikult nime. Huxley väljatöötamine tugineb Mendeli riistvara miniatuursel variandil, mille tootmismaht on 30% Mendeli seadme omast.

Riistvara

Iga kiirtootearendusseade, mille eesmärgiks on enesepaljundamine, on definitsiooni järgi RepRap, kuigi praeguse seisuga põhineb enamik seadmeid Darwini või Mendeli algsel kavandil. Kuna RepRap on avatud lähtekoodiga projekt, mis edendab iseenese paljundamist, eksisteerib seadmetest ka muid variante, sest kavandajatel on vaba voli modifitseerida juba olemasolevaid seadmeid. Üldiselt koosnevad RepRapi 3D-printerid termoplasti väljatõukeotsikust, mis on kinnitatud arvuti poolt juhitava kolmeteljelise liikuvplatvormi külge, mis omakorda on ehitatud trükitud plastikosadega ühendatud terasvaiadest. Kõiki kolme telge liigutavad samm-mootorid veorihmadega x- ja y-telgedel ning juhtkruviga z-teljel.

Termoplasti väljatõukeotsik

RepRap-printeri südameks on termoplasti väljatõukeotsik. Esimesed otsikud kasutasid käikudega elektrimootorit, mis surus kruvi abil plastjõhvi kõvasti vastu kuumutuskambrit ja kitsast väljatõukeavast välja. Sellel olid siiski vead: alalisvooluga elektrimootorid ei saa kiirelt käivituda ega peatuda, mis teeb seadme täpse juhtimise väga keerukaks. Hilisemad väljatõukeotsikud kasutavad samm-mootoreid, mis on mõnikord ka käikudega, et juhtida plastikjõhv kuullaagri ja soonestatud või karestatud võlli vahele.

Darwin

Darwinil, esimesel avalikustatud RepRapi mudelil, on x-y-telgedel liikuv trükkimisotsikuga raam, mille all on z-teljel liikuv trükkimisalus. Darwini z-telg on piiratud aluse nurkades paiknevate juhtkruvidega, mis on kõik omavahel rihmadega ühendatud, et pöörlemine oleks kooskõlas. Elektroonikaskeemid on paigutatud seadme välisraamistikul olevatele terastugedele ja põhjas olevale lisaplatvormile. Printeri mitteprinditavate komponentide ehk "vitamiinide" arvu vähendamiseks on seadme kõikidel telgedel trükitavad lükandlaagrid.

Mendel

Mendel asendas Darwini lükandlaagrid kuullaagritega, kasutades täpselt piiritletud kavandit, et vähendada hõõrdumist ning hakkama saada ka mitte täpselt kohakuti olevate komponentidega. Mendeli kavandis on ümber paigutatud ka teljed – trükkimisalus liigub ainult mööda y-telge ning trükkimisotsik mööda x-telge ja üles-alla. See viib Mendeli raskuskeskme allapoole ning muudab seadme Darwinist kompaktsemaks ja eemaldab ka liigse piiratuse, mis on tingitud Darwini neljast nurkmisest juhtkruvist. Mendeli valmistatava objekti maksimaalne laius ja pikkus on 200×200 mm (8" × 8") ja maksimaalne kõrgus 140 mm (5,5").

RepStraps

Muid 3D-printereid (nagu näiteks kommertsprinter Makerbot ja muudel viisidel valmistatud seadmed nagu Meccano) saab kasutada RepRap-protsessile kaasa aitamiseks ja kiirendamiseks, valmistades nendega RepRapi komponente. Paljud sellised seadmed põhinevad RepRapi kavanditel ja kasutavad RepRapi elektroonikakomponente. Nende seadmete koondnimetus RepRapi-kogukonda kuuluvate inimeste seas on RepStrap (inglise keeles bootstrap RepRap). RepStrap on igasugune seade, mis on oma olemuselt vaba kavandiga riistvaraga kiire prototüüpimise seade, millega saab valmistada RepRapi komponente ja mis on ise valmistatud viisidel, mis ei kuulu tehniliselt RepRapi projekti alla.

Mõned RepStrap-kavandid sarnanevad Darwini või Mendeliga, kuid neid on muudetud nii, et neid saab valmistada laserlõikusplekist või freesitud osadest. Teistel, nagu näiteks Makerbot, on ühiseid elemente RepRapi-kavanditega, eriti elektroonikaga, kuid on strukturaalselt täiesti muudetud.

Elektroonika

RepRapi elektroonika koosneb enamasti skeemidest, mis põhinevad populaarsel avatud lähtekoodiga platvormil Arduino, ja samm-mootorite kontrollimiseks mõeldud lisaskeemidest. Praeguse versiooni elektroonika kasutab Arduino-skeemidest tuletatud Sanguino emaplaati ja kohandatud Arduino-skeemi väljatõukeotsiku juhtimiseks. Taoline arhitektuur võimaldab kavandeid laiendada kasutamaks eraldi kontrolleritega lisaotsikuid.

Tarkvara

RepRap on kavandatud täielikuks kopeerimissüsteemiks, mitte lihtsalt riistvaraliseks seadeldiseks. Selle saavutamiseks kasutab RepRap-süsteem 3D-raalprojekteerimissüsteemi ning raalvalmistustarkvara ja -draivereid, mis muudavad RepRapi kasutajate kavandid täielikult RepRap-seadmele kõlbulikeks juhtnöörideks, mille abil seade kavandist reaalseid objekte teeb.

RepRapi jaoks on arendatud kaks komplekti raalvalmistustööriistu. RepRap Hosti nime kandva süsteemi kirjutas RepRapi põhiarendaja Adrian Bowyer programmeerimiskeelega Java. Teise süsteemi, Skeinforge, kirjutas omaalgatuslikult Enrique Perez. Mõlemad süsteemid on täiesti eraldi viisid 3D-mudelite arvjuhtimiskoodiks muutmiseks.

Praktiliselt iga raalprojekteerimis- või 3D-modelleerimisprogramm on sobiv RepRapiga kasutamiseks, kui see on võimeline väljastama stereolitograafilisi faile. RepRapiga tootmise protsessis osalejad kasutavad enamasti endale kõige tuttavamaid tööriistu, olgu selleks siis CAD-tarkvarapaketid nagu SolidWorks või avatud lähtekoodiga 3D-modelleerimisprogrammid nagu Blender.

Materjalid

RepRap trükib esemeid termopolümeeridest, nagu näiteks ABS või PLA.

PLA tehniliseks eeliseks on suur jäikus, vähene väändumine ja meeldiv läbipaistev värvus. Samuti on PLA biolagunev ja taimse päritoluga. 
Vastupidi laiatarbeprinteritele julgustab RepRap eksperimenteerima uute materjalide ja töötlemisviisidega ning saadud tulemusi teistelegi avaldama. Sel viisil on välja töötatud täiesti uusi vahendeid, et kasutada uudseid materjale (nagu näiteks keraamikat).

RepRap-projekti raames pole veel õnnestunud leida sobivat materjali, millega oleks võimalik valmistada praegu mitteprinditavaid tugistruktuuri komponente.

Elektrijuhid

RepRapi projekti suuremaks eesmärgiks on trükkplaatide valmistamine. See võimaldaks valmistada seadme enda jaoks sobivaid elektroonikaskeeme. Selle saavutamiseks on välja pakutud mitmeid võimalusi:
 Woodi metall või Fieldi metall – madala sulamistemperatuuriga metallsulamid, millega saab luua valmistatava komponendi külge elektriahelaid.
 Hõbetäidisega polümeerid – siiani laialdaselt trükkplaatide parandustöödes kasutatud polümeerid, mida kaalutakse sobivate materjalidena elektrit juhtivate radade loomiseks.
 Joodise otsene trükkimine.
 Elektrit juhtivad traadid – neid saaks valmistusprotsessi käigus valmiva osa sisse asetada otse traadipoolilt.

Enesepaljundamise piirangud

Kuigi tundub tõenäoline, et RepRap saab suurema osa oma komponentidest lähitulevikus madala taseme algmaterjalidest iseseisvalt valmistada, on selleks siiski vaja mitut eri tüüpi paljundamatuid komponente nagu näiteks sensorid, samm-mootorid ja mikrokontrollerid. Kindel osa nendest vahenditest tuleb RepRapi enesepaljundamisprotsessi väliselt valmistada. Eesmärgiks on siiski tulevaste edasiarendatud RepRap-kavandite abil võimalikult lähedale jõuda täieliku enesepaljundamisprotsessini.

Projekti algusest saati on RepRapi meeskond kaalunud igasuguseid võimalusi elektrit juhtivate vahendite tootmisprotsessiga integreerimiseks. Selle saavutamine peaks avama mitmeid võimalusi ühenduskaablite, trükkplaatide ja võib-olla isegi mootorite valmistamiseks, mida saab RepRapiga valmistatavate toodete loomiseks kasutada. Erinevaid elektrijuhte kasutades saaks luua tavalistest elektrit juhtivatest radadest erinevate funktsioonidega elektroonikakomponente, sarnaselt John Sargrove’i 1940. aastatel alguse saanud projektiga ECME.

Praegu töötatakse ka selle kallal, et luua isevalmistatud Sarruse ahelaid, millega muuta ringliikumist lineaarseks liikumiseks. See asendaks praegu kasutatavaid juhtvardaid ning suurendaks nende komponentide osakaalu, mida RepRap suudab ise valmistada.

Projekti liikmed

 Sebastien Bailard, Kanada Ontario provints
 Dr. Adrian Bowyer, vanemlektor Bathi ülikooli masinaehituse teaduskonnas
 Michael S. Hart, Project Gutenbergi looja, USA Illinoisi osariik
 Dr. Forrest Higgs, Brosis Innovations, Inc., USA California osariik
 Rhys Jones, Bathi ülikooli masinaehitusteaduskonna aspirant
 James Low, Bathi ülikooli masinaehitusteaduskonna tudeng
 Simon McAuliffe, Uus-Meremaa
 Vik Olliver, Diamond Age Solutions, Ltd., Uus-Meremaa
 Ed Sells, Bathi ülikooli masinaehitusteaduskonna aspirant
 Zach Smith, USA
 Erik de Bruijn, Holland

Vaata ka
 Automaatika
 Mehhatroonika

Viited

Välislingid
 Ametlik koduleht
 RepRap Twitteris
 RepRapi kasutajate kogukond ja wiki
 RepRap Official Blog – arendajate ametlik ajaveeb

Arvutitehnika