Статья про объективы, фотографию

3D-Print технологии для изготовления самодельных корпусов для объективов. Часть 1. 3D-print технологии.

1. Введение

Своеобразным феноменом, с которым приходится мириться, является высокая доступность объективов (линзоблоков) без устройства фокусировки (корпуса или геликоида). Это могут быть объективы от кино и слайд-проекторов, линзы от фотоувеличителей или просто линзоблоки с поврежденным или утерянным корпусом.

Основная сложность их использования состоит в необходимости создавать или использовать готовое фокусировочное устройство (корпус). Есть несколько вариантов выхода из сложившегося положения:

1) используют так называемые «макромеха» (Рис. 1) - весьма дорогие и хрупкие устройства, отличающиеся неудобством использования из-за больших размеров и особенности конструкции. Так же, в большинстве случаев, получить бесконечность с использованием макромехов возможно только на объективах с большими рабочими отрезками.

Рис. 1. Объектив, присоединенный к камере с использованием макромеха.

2) вторым способом использования эрзац-объективов является монтаж их на нерегулируемый корпус, представляющий собой кусок трубы. (рис. 2). В данном случае фокусировка осуществляется «ногами», т.е. необходимо приближаться или удалятся от объекта съемки на расстояние, на которое рассчитана пара труба-объектив. 

Рис. 2. Объектив без возможности фокусировки.

3) Часто для таких объективов используют корпуса и геликоиды от других, максимально дешевых (в нашей стране это Гелиосы-44) объективов (Рис. 3). Из корпусов выбрасывают «потроха» донора (иногда сохраняя диафрагму) и вставляют необходимый линзоблок. 

Рис. 3. Пример использования геликоида от объектива-донора.

4) Изготавливают корпуса из всевозможных предметов с использованием токарных и слесарных навыков. Тут возможны варианты от деревянного корпуса до геликоида из куска стальной трубы. Чаще всего, дизайн и удобство пользования оставляют желать лучшего, хотя мастера-краснодеревщики могут изготовить и настоящее произведение искусства. Приходится городить корпус из подручных материалов. В данном случае получается весьма технопанковская пост-апокалиптическая конструкция. Правда, и тут изготавливать геликоид самому – сложная задача, чаще всего берут готовый (Рис. 4). Сколько 44-х гелиосов погибло, став донорами!

Рис. 4 Корпус объектива из «подручных» материалов.

Данная статья посвящена проектированию, изготовлению и эксплуатации корпусов одним из самых современных и развивающихся способов – методом 3Dпечати.

В результате получается пластиковый корпус (геликоид) вполне качественный для использования при фотографировании. На ощупь – блестящий пластик, немного скрипучий при приложении усилий. Изготовленные с использованием 3Dпечати корпуса имеют следующие положительные качества:

1) Дизайн. Свобода творчества напрямую позволяет разработать такой вид изделия, который отвечает эстетическим запросам автора (заказчика).

2) Свобода технических решений. Вы можете использовать формы и размеры не ограниченные возможностями токарного или фрезерного станка! С одинаковой простотой можно воспроизвести как тело вращения (деталь с осевой симметрией), так и деталь произвольной формы.

3) Возможность легко повторить напечатанный экземпляр вплоть до серийного производства.

4) Возможность обмена моделями.

5) Легкость механической обработки. Пластик – не металл! Коррекция легко производится надфилем или наждачкой.

При этом не стоит забывать и о недостатках:

1) Цена. При печати в коммерческих организациях цена может в десятки раз превышать стоимость линзоблока.

2) Необходимость учитывать технологические ограничения – минимальные толщины элементов, дискретность структуры и прочие.

3) Частая необходимость мехобработки – шлифовки или подгонки.

4) «Пластмассовость» подразумевает скрипучий корпус и возможность образования задиров в геликоиде. Владельцы Зенитара-М2 меня поймут. Хотя стоит отметить – у всех даже интенсивно эксплуатируемых объективов геликоид не портится, а по качеству хода намного лучше «Юпитера-9», у которого металлический геликоид быстро изнашивается и начинает заедать.

2. Технология

Типичный 3Dпринтер показан на рисунке 5.

Рис. 5. Любительский 3dпринтер.

В данной статье рассмотрена печать методом послойного наплавления термопластических полимеров (FusedDepositionModeling – FDM / FusedFilamentFabrication – FFF). Расплавленный материал экструдируется и последовательно наносится линиями, послойно формируя внешний контур и заполнение изделия. Диффузия и спекание наносимого материала с предыдущим слоем и соседними линиями обеспечивается за счёт его необходимой температуры и консистенции, после чего материал практически сразу охлаждается и отвердевает.

Толщина слоя и ширина печатной линии подбираются в зависимости от формы и размеров изделия, требований заказчика к эстетичности и точности поверхности, а также от особенностей применяемого материала и оборудования. В большинстве случаев оптимальной является толщина слоя 0,1…0,25мм, возможный диапазон от 0,1 до 0,8 мм. Ширина печатной линии в большинстве случаев определяется технологом при подготовке модели и обычно составляет 0,3…0,6мм (может различаться для разных структур в изделии).

В структуре изделия можно выделить три геометрических параметра: толщина «корки» в плоскости слоя, толщина «корки» по слоям, тип внутреннего заполнения и его относительная плотность.

– Для облегченных объемных изделий эти параметры могут выбираться исходя из требуемых характеристик прочности и жесткости, эстетичности, возможности экономии на массе изделия, а также, при использовании полупрозрачных или светопропускающих материалов, исходя из требуемых  оптических свойств.

– Для тонкостенных или объемных твердотельных изделий (со 100%-ным наполнением), эти параметры устанавливаются технологом.

3. Материалы и свойства

Печать корпусов объективов, состоящих из механически нагруженных деталей сложной формы, производится из АБС пластика. Применение ПЛА нежелательно из-за низкой температуры размягчения (50-55 градусов летом в солнечную погоду может быть в салоне автомобиля). УПС нежелательно использовать в движущихся деталях даже при наличии смазки. ПЭТГ - не допускает окраски, прозрачен, что недопустимо для корпусов оптических приборов, но возможно применение, например, в фотовспышках и другой светотехнике.

4. Технологические ограничения

1) В зависимости от оборудования, опыта и ответственности технолога (крайне редко, ещё и от стоимости изготовления) могут иметь место различные допуски на точность выполнения размеров изделия. Чаще всего коммерческие фирмы не упоминают об этом, но для упрощения собираемости и уменьшения последующей мехобработки это нужно иметь ввиду.

- допуск на толщину тонкостенных элементов от +-0,1 мм;

- допуск на линейные размеры +-0,1...0,25 мм на сторону;

- допуск на овальность окружностей от 0 до +-0,25 мм по радиусу (зависит только от типа оборудования);

- для небольших окружностей или отверстий Ф<10...15 мм допуск на радиус до +-0,25 мм.

Также стоит отметить, что разброс допусков по первым трём пунктам растёт при увеличении размеров детали, а допуск на радиус окружностей, наоборот, уменьшается.

2) При наличии нависающих элементов над плоскостью печати под них печатаются отделяемые или растворимые поддержки. В случае отделяемых поддержек из того же материала, что и изделие, это ухудшает качество поверхности и механические характеристики на толщине 1-2 слоёв от поддерживаемого контура, а также может приводить к увеличению допусков на его внешние размеры. Максимальный угол свеса от вертикали для печати без поддержек зависит от многих параметров и обычно составляет 35...60° для АБС и УПС, 35...50° для ПЛА и ПЭТГ. Эта проблема компенсируется возможностью разделения модели на несколько частей с последующей склейкой или холодной сваркой.

3) Максимальные габариты изделия ограничены размерами конкретного принтера.

4) На оборудовании низкого и среднего уровня для изделий из АБС и УПС высотой более 10 мм вероятно отклонение от плоскостности по поверхности основания. Выраженность эффекта снижается при уменьшении площади основания и скруглении углов.

5) Как следствие линейного способа нанесения расплава, в твердотельных частях изделий между линиями может возникать незначительная пористость, что выражается в снижении плотности изделия относительно исходного материала на 2…4% (в редких случаях до 6%).

Стоит отметить еще несколько технологических факторов. Один из них касается оборудования. Косвенным фактом может служить цена. Промышленный принтер (ценою от 3000$) при прочих равных выдаст лучший результат, чем любительская система за 300$. Двухголовочный принтер позволяет печатать деталь из двух разных материалов. Чаще всего второй материал применяется для печати водорастворимой или отделяемой поддержки, которая позволяет получить деталь более сложной формы, и удаляется после изготовления.

Но, по опыту заказа изделий, цена оборудования и работ не столь важна, как грамотный технолог, осуществляющий программирование, отладку и печать. Был прецедент, когда деталь была заказана в дорогой фирме, снимающей помещение в одном из знаменитых технических университетов Москвы. Цена изготовления не запредельная, но выше среднего, оборудование профессиональное. У фирмы была серьезная реклама и даже свои пакетики с логотипом. В итоге деталь получилась с недопустимым отклонением от цилиндричности, бочкообразная и с трещинами. Отклонения в линейных размерах достигали 0.5 мм. Обработка напильником и наждачной бумагой, конечно, позволило использовать эту деталь, но заняло непомерно много времени.

В итоге к моменту написания статьи 100% заказов на печать размещалось у энтузиаста с самодельным принтером. Оборудование не профессиональное, зато каждая деталь проходит технологическую проработку, отлаживается программное обеспечение. Точность размеров более чем удовлетворительная. Цена – в 1.5...2 раза ниже чем в среднем по Москве. Из недостатков – затягивание результата по времени из-за необходимости индивидуального подхода и печати нескольких (иногда до 5) отладочных образцов. Невозможность печати сложных деталей на одноголовочном принтере компенсируется расчленением деталей на несколько менее сложных производственных единиц с последующей сваркой или склейкой.

5. Разработка электронных геометрических 3D моделей.

Разработка электронных моделей возможна в программах инженерной графики (AutoCad, SolidWorks, Inventor, и т.д.) системах автоматизированного проектирования (NX (Unigraphics), Catia и т.д.), 3D моделирования (3DStuDio) и многих других. Для разработки рассмотренных в статье изделий использовался комплекс конечно-элементного моделирования Femap11.2, обладающий урезанными возможностями по работе с геометрией.

Условно, по опыту работы, процесс создания 3Dмодели можно разделить на следующие этапы:

1) Измерение линзоблока, для которого необходимо разработать корпус, определение плоскости байонета камеры для положения линзы в «бесконечности». Измерение проводились штангенциркулем и линейкой, хотя в промышленности встречаются 3D сканеры (лазерные), позволяющие автоматически получить модель, пригодную для точного измерения, но требующую до- или переработки для печати. Ошибка при определении плоскости байонета ведет к утере бесконечности. Данный этап очень ответственный и требует определенных навыков.

2) 3Dмоделирование линзоблока и плоскости байонета камеры для положения линзы в «бесконечности». Смоделированный линзоблок становится как бы скелетом, вокруг которого строится корпус. Пример объектива и его 3Dмодели представлен на рис. 6. На рис. 7 показана модель объектива с плоскостью, обозначающую присоединительную плоскость байонета в положении «бесконечность».

Рис. 6. Линзоблок и его 3Dгеометрическая модель.

Рис. 7. 3Dмодель линзоблока и плоскость байонета в положении «бесконечность».

3) Разработка идеи корпуса и геликоида, технологии сборки-разборки, диапазона перемещения линзы в пространстве. Самый творческий этап. Обычно на этом этапе полностью определяется конструктив, внешний вид, особенности объектива.

4) Разработка 3Dмодели согласно идее. Многочисленные примеры представлены в главе 7.

5) Технологическая проработка. Тут проходит проработка с целью упрощения конструкции и удешевления производства. Так же необходимо проработать зазоры для возможности сборки готового изделия и уменьшения количества возможной механобработки. Неподвижное положение деталей можно обеспечить посадкой в «натяг», подвижное должно осуществляться с зазором. Ошибки на этом этапе ведет к усложнению мехобработки или появлению люфтов в конструкции. 

6. Печать. Сборка.

Про саму печать на 3Dпринтере можно прочитать в интернете или специальных изданиях.

Но надо понимать, как тщательно бы не прорабатывалась конструкция и насколько совершенен не был бы принтер, некоторая механическая обработка, или притирка необходимы почти всегда. Необходимо «подогнать» детали друг к другу, зачистить или просверлить отверстия для крепежа, клеить адаптер байонета и детали между собой. Для обработки используются напильники, надфили, наждачная бумага. Прирабатывать детали можно с помощью обычного «притирочного» состава из автомагазина. Можно использовать пасту ГОИ растворенную в машинном масле. Главное тщательно промыть изделие от притирочных составов, иначе при дальнейшей эксплуатации ускоренный износ гарантирован.

В притирке или шлифовке главное не перестараться! Всегда можно дошлифовать, или приработать уже готовое изделие. В случае перебора – гарантированы люфты.

В большинстве случаев детали можно разработать таким образом, чтобы собирались они на всевозможных замках и защелках, напечатанных заодно с деталью. Эксперименты с защелками проводились, привели к определенным результатам. Однако, в качестве фирменной черты изделий, было принято решение фиксацию выполнять с использованием полированных медных гвоздиков или алюминиевых заклепок. Выбранный метод позволяет использовать многократную сборку и разборку. Несколько корпусов собираются с использованиемвинтов M3.

Использовать клей нужно осторожно. Для удешевления производства часто деталь печатается из нескольких частей, после чего склеивается или сваривается. В данном случае склейка (сварка) допустимы и оправданы. А вот склеивать изделие при сборке, тем самым отрезав себе путь к его разборке, недопустимо. Всегда может возникнуть необходимость разобрать корпус (для смазки, ремонта или апгрейда).

7. Примеры изготовления объективов с использованием 3D печати.

За неполные 2 года использования автором 3Dпечати для создания корпусов объективов произошла некоторая эволюция конструкторских решений. Чтобы описать процесс оптимизации конструкций, принятие новых и отсеивание не оправдавших себя решений описание разработанных к настоящему моменту времени объективов будет проходить в определенном порядке. Некоторый субъективизм в изложении позволит лучше передать удобство использования образцов и их недостатки.

Все объективы можно разделить на серии и подсерии. Объективы одной серии разработаны на одной концепции. Подсерии – означают значительное изменение в конструкции в рамках серии. Номер серии обозначается числом (1,2,3…), подсерии – буквой (А,В….). Всего изготовлено 11 объективов (рисунок 8).

Рис. 8. Изготовленные объективы. Номера соответствуют таблице 1.

nestor50 :: 28.03.2018 19:42:02 Ур. 1 (Lens-Learner)

Максим, а геликоиды к ОКС1-22 1, Индустару-90У, Индустару-100У не разрабатывались?

Цитировать :: Ответить

nikitosmax :: 31.01.2016 12:44:51 Никитин Максим РФ, Москва Ур. 5 (Lens-Expert)

Ответ для Nik_SSG (31.01.2016 12:16:46):
Максим, огромное спасибо за то что поделились! Одно маленькое замечание, среди рисунков есть фото с "Радоживы". Если автор не давал разрешения на публикацию, то лучше убрать от греха.

Ок, поправлю!

Цитировать :: Ответить

Nik_SSG :: 31.01.2016 12:16:46 Самарский Сергей Россия, Таганрог Ур. 7 (Lens-Guru)

Максим, огромное спасибо за то что поделились! Одно маленькое замечание, среди рисунков есть фото с "Радоживы". Если автор не давал разрешения на публикацию, то лучше убрать от греха.

Цитировать :: Ответить

nikitosmax :: 30.01.2016 11:50:18 Никитин Максим РФ, Москва Ур. 5 (Lens-Expert)

Ответ для ЕвгенийБеляев (29.01.2016 22:51:42):

Прошу прощения... КО140, если не ошибаюсь, очень близок к 35КП-140, на который я уже изготовил корпус. А к переделки у меня готовится 35КП-120...

Я готов изготавливать корпуса на заказ. Но именно касательно очень тяжелых стекол, таких как 35КП, хотелось сказать следующее:

1) Схема с перемещением стекла рейкой через редуктор себя оправдала, но является очен сложной и трудоемкой, на нее у меня ушел год...

2) Разработка новых схем черевата рисками, но необходима.

Цитировать :: Ответить

ЕвгенийБеляев :: 29.01.2016 22:51:42 Россия, Липецк Ур. 7 (Lens-Guru)

Ответ для nikitosmax (29.01.2016 22:33:17):

да, его ) очепятка)))

> salvo86@mail.ru

Цитировать :: Ответить

nikitosmax :: 29.01.2016 22:33:17 Никитин Максим РФ, Москва Ур. 5 (Lens-Expert)

Ответ для ЕвгенийБеляев (29.01.2016 22:20:58):

дас ист фантастиш! на ко104 я бы заказал такую штуку. не разорительно?

 

 

Вы имеете ввиду ко140?? Уже приобрел... Думаю, через 4 или 5 стекол будет он!

Цитировать :: Ответить

ЕвгенийБеляев :: 29.01.2016 22:20:58 Россия, Липецк Ур. 7 (Lens-Guru)

дас ист фантастиш! на ко104 я бы заказал такую штуку. не разорительно?

> salvo86@mail.ru

Цитировать :: Ответить