Дима прикрыл глаза, размышляя, и едва не проехал свою остановку. По пути домой, он продолжал размышлять — размеренные шаги задавали ритм, помогая привести мысли в порядок.
'Так... а что, если попробовать отойти от привычной конструкции? Перенести моторы прямо на печатающую головку, и пусть она ездит по направляющим, как тележка? Поможет? Не особо, столик всё равно надо двигать, а направляющие к чему-то крепить... Вот бы их чем-то заменить? Очень высокая точность для деталей больших размеров не нужна, корпусные детали и рычаги можно и с погрешностью в миллиметр напечатать, а для точных небольших деталей сделать аппарат поменьше... Перенести моторы на печатающую головку?... В этом что-то есть... Но головка тяжёлая получится, и кабель от ЭВМ будет мешать, внося погрешности... Подвести кабель к головке сверху, подвесив его на чём-нибудь? Но головка будет смещаться, надо сделать так, чтобы кабель не запутался.'
Подходя к дому, он по привычке посмотрел на окна дома Иры — они были освещены, Ира была уже дома. С улицы окон было почти не видно, только кусты, освещённые падающим из них светом. Высокий купол двухэтажного дома, непривычно круглый, выделялся среди типичных домиков в три окна. Круглый... круглый... Какая-то мысль крутилась на периферии сознания, пока не оформившись в идею. Круглый...
За ужином он продолжал обдумывать свою идею, погрузившись в мысли настолько, что Ира даже спросила:
— Дим, ты чего сегодня такой замороченный? Не получается что-то?
— Да... крутится тут одна мысль, как сделать своё домашнее устройство для трёхмерной печати, причём большое, чтобы можно было напечатать, к примеру, садовую скамейку, столик или кресло... — пояснил Дима.
— Ого! А разве эта штука может такой большой предмет напечатать?
— Ну, установка для непрерывного разлива бетона вон, целые дома печатает. Тут проблема в том, что головка должна ездить по рельсам, а рельсы надо крепить жёстко на стенках корпуса, и всё это выходит громоздко и дорого, потому что надо соблюдать горизонтальность и перпендикулярность рельсов, — ответил Дима.
— У-у... ясно. Ты отвлекись немного, дай мыслям в голове утрястись и уложиться, — посоветовала Ира.
— Может, ты и права... — он кивнул, отложив учебник.
— Мы тут вчера с Ленкой ходили из универа в ДК связи, проходили по Исаакиевской площади, — рассказала Ира. — Ну, и в собор заглянули. Я там ни разу не была ещё. А что там за штука под куполом висит и качается? В самой середине?
— Маятник Фуко, — ответил Дима. — Физический опыт, иллюстрирующий вращение Земли. На маятник действует сила Кориолиса, ну, та, что в ванне вытекающую воду закручивает... и под её действием плоскость качания маятника сдвигается. Видела, какие он на полу фигуры описывает?
— Ага... Ой, спасибо, хоть объяснил, а то мы вчера смотрели на него, как две дуры. Народу почти не было, да и мы спрашивать постеснялись, — хихикнула Ира.
— Висит и качается... и описывает фигуры на полу... — медленно произнёс Дима. — Иришка, ты гений...
— Чего? — удивилась Ира.
— Головку надо подвесить к потолку! И к стенам! На растяжках! Ну, или к каким-нибудь стойкам... Смотри! — Дима взял лист бумаги и начал набрасывать эскизы.
По мере того, как он рисовал, до Иры начал доходить смысл идеи. Она уже видела работающие образцы 3D-принтера, когда Дима приводил её, Лену и сестру Лены Марину на кафедру в Политех, и примерно знала, как он устроен — головка ездит по полированным металлическим направляющим, а двигают её шаговые двигатели с зубчатыми ремнями. То, что сейчас рисовал Дима, выглядело совершенно иначе — плата с несколькими моторами, с довольно большими шкивами-катушками, подвешенная под потолком, и печатающая головка в центре треугольника с блоками на углах, подвешенного на длинных растяжках из тонкой проволоки.
(абсолютно реальный, работающий 3D-принтер конструкции Торбьёрна Людвигсена см. https://www.hangprinter.org/ и https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/455184/ видео работы https://www.youtube.com/watch?v=lzQKi99RikY)
— Погоди... — протянула Ира, глядя на потолок купола своего дома, плавно закругляющийся на высоте около 9 метров — купол восьмиметрового диаметра стоял на метровом восьмигранном цоколе. — Это какого же размера штуку он сможет напечатать?
— Ну... смотря где подвесить... Я хотел у себя в комнате повесить, там потолок два с половиной метра, значит, где-то полметра на полметра максимум, может, чуть больше, — ответил Дима, не отрываясь от эскиза.
— Да зачем? А если его здесь повесить? Под куполом? — спросила Ира.
— Под куполом?
Дима оторвался от бумаги и тоже посмотрел вверх. Потом огляделся по сторонам.
— Ну... если прямо тут повесить, можно хоть корпусную мебель печатать... Но это же долго будет очень. Тебе будет мешать ходить.
Они ещё не успели разгородить внутреннее пространство купола на комнаты, лишь установив кухонное и сантехническое оборудование, и загородили только ванную и туалет. Спальня была оборудована на галерее второго этажа, а практически всё пространство посередине оставалось свободным. Все деньги были потрачены на строительство, и на мебель ещё предстояло заработать и накопить.
— Да что я, не обойду, что ли? — пожала плечами Ира. — Пусть он хоть месяц висит и печатает, тем более — если печатать мебель. Зато покупать не надо! А твоя ЭВМ с этим справится? Ты же говорил, что она трёхмерку не потянет?
— А вот тут у меня есть одна идея.
Дима порылся в сумке и вытащил справочник по математике, полистал его и нашёл нужную страницу. Ира увидела какие-то многоэтажные формулы.
— Ничего себе... Это что?
— Это формулы для построения многоугольников в полярных координатах, — пояснил Дима. ('Как нарисовать звезду и не только в полярных координатах' https://habr.com/ru/post/519954/)
— Не поняла... А чем это поможет?
— Ну, большинство домашней утвари и посуды — круглые, большинство образцов мебели, если смотреть сверху — прямоугольные или квадратные, — пояснил Дима. — Вместо того, чтобы строить полноценную трёхмерную модель, можно вбить такую вот формулу в программу, и в цикле подставлять в неё нужные параметры из массива данных, для каждого прохода. Или заранее рассчитать по формуле координаты точек и подставлять их из массива данных, считывая его с магнитной ленты. В зависимости от того, что окажется быстрее. Вот, например, вот это — формула прямоугольника, — он ткнул в одну из жутковатых формул в книге.
— То есть, по этой формуле можно нарисовать любую прямоугольную мебель?
— Вроде того. Подставляя в неё нужные значения на каждом проходе. Причём рассчитывать можно только координаты точек поворота, а по прямой между точками головка будет двигаться автоматически — промежуточные точки рассчитывать не надо. Это называется 'векторная графика', — Дима начертил прямоугольник в полярной системе и ткнул ручкой в углы. — По сути, нам нужны координаты углов на плоскости и по высоте. Если где-то нужно сделать проёмы — появятся дополнительные точки, в которых подача материала будет отключаться. Моменты включения и выключения подачи тоже надо задавать. На самом деле, конечно, получится сложнее и поворотов будет много, придётся вводить дополнительные рёбра жёсткости, иначе конструкция будет жидкая, как медуза. Нам придётся делать что-то вроде сотовой конструкции, — он нарисовал внешнюю и внутреннюю стенки, соединив их множеством треугольников. — Но векторная графика сэкономит память и в этом случае.
Первый образец Дима собрал из деталей металлического детского конструктора, дополнив их гнутыми деталями из кусочков жести от консервных банок. В качестве роликов он использовал колёса от конструктора и катушки от бобинного магнитофона. Шаговые двигатели широко применялись в станках с ЧПУ и уже не были дефицитом, их можно было купить в магазине 'Юный техник'. (АИ частично, обыкновенные моторчики постоянного тока в реале продавались свободно, к этому времени уже производятся станки с ЧПУ, поэтому в АИ шаговые двигатели не должны быть дефицитом)
Намного более серьёзной проблемой оказалось управление. Микро-ЭВМ 'Электроника-64' была, разумеется, однозадачной. Печать крупных объектов, вроде мебели, обещала быть продолжительной, и сидеть неделю или две без ЭВМ Диме вовсе не хотелось. Для начала он написал крошечную резидентную программу на ассемблере, которая сидела в памяти постоянно и считывала координаты с магнитофона, подключённого к ЭВМ, управляя им самостоятельно, а затем посылала команды на двигатели. В программе можно было задать коэффициент масштабирования, чтобы проверить модель, построив её в уменьшенном размере. Ошибиться было очень легко — в отсутствие 3D-редактора модель приходилось прорисовывать послойно на множестве эскизов, вычисляя координаты точек по ним. Из-за этого приходилось ограничиваться только самыми простыми формами.
Маленький принтер Дима поставил у себя в спальне, на столе, привернув управляющий блок моторов к потолку, а растяжки прикрепил к стене и деревянной стойке, привёрнутой к столешнице. Сложнее всего оказалось вбить в программу многоэтажную формулу без ошибок. Дима поделил её на простые элементы и вынес в подпрограмму. На первых прогонах принтер печатал с ошибками, теряя начало координат, прямоугольники получались незамкнутые, приходилось вбивать в программу множество проверок, что усложняло и затягивало расчёт. Дима потратил не один вечер и извёл не один десяток метров пластиковой нити, пока принтер не начал печатать правильно. Ира старалась не мешать, понимая, что сейчас его нельзя отвлекать. Когда аппарат, наконец, заработал, она с огромным интересом наблюдала, как головка принтера летает над столом, подвешенная на тонких стальных струнах, а под ней постепенно вырастает уменьшенная модель кухонного шкафа.
— Обалдеть... Дим, она работает!
Она обняла сзади сидящего за столом над листом миллиметровки Диму. Он устало выпрямился:
— Да уж... Кому действительно надо поставить памятник из чистого золота, так это Пифагору. Мало того, что он все эти треугольники считал без ЭВМ, так он всё это ещё и придумал!
Наблюдая, как медленно машина строит модель, Ира задумалась, как бы ускорить этот процесс.
— Дим, а ведь можно не строить шкаф целиком, а нарисовать его стенки и дверцы, а потом собрать их, как обычно, на винтиках? — предложила она. — Если все стенки разложить на одном чертеже и строить одновременно? Слоёв будет меньше, считать меньше — стенки же боковые одинаковые, верх и низ одинаковые, дверцы тоже.
— Если всё на один лист разложить — стенки будут одинаковые, но координаты у них всё равно будут разные — они же в разных местах листа лежат, — объяснил Дима. — Но слоёв действительно меньше будет, это ты хорошо придумала. И ещё один плюс — если положить на пол стекло — таким способом будет легко получить гладкую внешнюю поверхность стенок — стекло же гладкое.
Он проверил идею Иры на следующей модели. Теперь принтер построил не модель шкафа целиком, а нарисовал на подложенном стекле стенки и дверцы по отдельности. Поверхность их действительно получилась гладкой, как полированная, когда Дима отлепил готовые стенки от стекла. Внутренняя поверхность оставалась неровной и была усилена сеткой сот, но Иру это не смущало:
— Это же внутри шкафа будет. Ну и пусть. Пыль соберётся — выгрузим всё из шкафа и пропылесосим изнутри.
— Можно ещё лучше сделать — вставить внутрь стекло или фанеру, вырезав в размер стенки, — предложил Дима.
— Можно, но стекло и фанера тоже денег стоят. Я думаю, можно и без них обойтись, если стенки выйдут достаточно прочные.
— Они могут гнуться, пока не собраны вместе, а когда соберу — поставлю усиления по углам, будет крепко.
Следующей проблемой оказался подбор материала для печати. Пока Дима строил маленькие модели, бутылок из ПЭТФ со свалки, нарезанных и пропущенных через экструдер, хватало для экспериментов. Посчитав количество бутылок, требующихся на один полноразмерный шкаф, он понял, что нужно искать что-то другое.
Ира тоже помогала подбирать подходящий материал, высказывая разные предложения:
— А что, если смешивать, например, опилки с каким-нибудь клеем, в густую массу, и продавливать её через дырочку?
— Теоретически — можно, вопрос — с чем смешать? — отозвался Дима, возившийся с блоком управляющих двигателей. — Эпоксидка довольно дорогая, да и двухкомпонентную смесь готовить не так просто. С бакелитом не хотелось бы связываться — будет долго вонять фенолом. Вообще реактопласты не хочется использовать. Если вдруг отключат электричество — состав полимеризуется внутри печатающей головки, и её тогда разве что на выброс. Термопласты в этом отношении удобнее, их хоть выковырять можно, разогрев головку.
— Понятно... А что, кроме ПЭТФ, ещё годится? — спросила Ира из ванной.
— АБС, но его так просто, в виде гранул или прутков не купишь. Ещё нейлон, но он даёт сильную усадку.
Ира вышла из ванной с тазом белья и направилась на улицу, повесить выстиранное на просушку. Заодно она поменяла сгнившую старую бельевую верёвку на новую синтетическую. Концы верёвки разлохматились, и она, чиркнув спичкой, прижгла их. Глядя на образовавшуюся капельку на конце полипропиленовой верёвки, Ира вдруг сообразила, что верёвка тоже плавится, значит, может сгодиться.
— Дим! — окликнула она, открыв дверь в дом. — А верёвка вот такая не подойдёт? Смотри, она плавится. И стоит копейки. В хозмаге я вот такие здоровые катушки видела! — она показала руками размер катушки.
Дима с интересом подошёл, посмотрел верёвку:
— Полипропилен... надо попробовать, хотя, думаю, усадка будет большая.
— У тебя же пластик выдавливается такой ниточкой?
— Прутком, — кивнул Дима. — Полтора миллиметра фильера.
— А если в середину пропустить стекловолокно? — спросила Ира. — Или те же опилки замешивать?
— Стекловолокно, боюсь, будет запутываться, хотя попытаться можно. А вот с опилками стоит попробовать. Хотя они крупноваты, фильера будет засоряться.
— А если опилки смолоть в муку? Можно же придумать какую-то штуку, по типу кофемолки или ещё какой мельницы? — предложила Ира.
После нескольких опытов у них получилось смешать мелко смолотые опилки и полипропилен, подобрав подходящее соотношение. Получившийся материал в застывшем виде выглядел практически как дерево, но размягчался и формовался как обычный термопласт.
(https://союзархстрой.рф/prochee/zhidkoe-derevo-dostoinstva-i-primenenie-materiala.html)
Ролики и прочие детали для полноразмерной машины Дима тоже напечатал на маленьком принтере, собранном из конструктора. (набор деталей аналогичного принтера см. https://www.hangprinter.org/doc/v3/). Оставалась проблема дешёвого устройства управления. Цеплять полноценную ЭВМ к принтеру всё-таки не хотелось, учитывая, что он будет работать целыми днями, а то и неделями.
— Так... — задумался в очередной раз Дима. — Допустим, сама конструкция печаталки у нас выходит несложная — четыре шаговых моторчика, да относительно простая схема для раздачи на них командной последовательности. Ну, и обслуживание для начальной заправки и выгрузки прутка... ну, термостат ещё. Но вот эту последовательность надо откуда-то брать. С перфоленты? Она дешёвая, конечно, но, в условиях производства считай что одноразовая. На станках с программным управлением используют магнитофон. Но там лента на 90 минут, а печатать может несколько часов, а то и дней. Зато множество контуров у нас повторяется от одного слоя к другому, значит, их можно считать один раз и повторять на нужное количество слоёв. Тогда надо переделать магнитофон для работы с пониженной скоростью, и сделать плату управления им, с буфером для кода текущего слоя.
