Часы на 3D-принтере: 21 модель — кварцевые, механические, светодиодные, турбийоны

Коротко: часы на 3D-принтере бывают трёх уровней сложности. Простые — настенные или настольные с готовым кварцевым механизмом: печатается только корпус и циферблат, сборка за 10 минут. Средние — цифровые светодиодные часы на адресной ленте и ESP32 с синхронизацией времени по сети. Сложные — полностью механические часы с маятником и печатными шестернями или кинетические часы с движущимися сегментами. Для механики нужна хорошая калибровка принтера, металлические оси и подшипники. Ниже — виды, материалы, советы по сборке.

Виды часов

Кварцевые

Самый простой проект: покупаете стандартный кварцевый механизм со стрелками, печатаете корпус и циферблат любой формы — геометрический, в стиле любимой игры, в виде шестерней, с объёмными цифрами. Отверстие под вал механизма делают по его размеру (обычно около 7–8 мм), толщина циферблата должна соответствовать длине резьбы механизма. Многоцветный циферблат печатают со сменой пластика или на системе смены цвета. Многоцветная печать.

• Wandering hour wall clock (19) — настенные часы с «блуждающим часом» на дешёвом кварцевом механизме: цифра часа плывёт по дуге вместо стрелки.
• Mid-Century Modern Desk Clock (68) — настольные часы в стиле середины века под кварцевый механизм.
• Perpetual Calendar Clock — часы с вечным календарём на кварцевом механизме: шестерни сами переключают дату.
• Collection of Clock Hands — набор стрелок разных стилей; надеваемые стрелки под стандартный механизм — Press-on clock hands.

Механические

Полностью печатные механические часы с маятником, анкерным механизмом и редуктором стрелок — серьёзный и очень интересный проект. Шестерни, анкер и колёса печатаются, оси — из стального прутка, в узлах — небольшие подшипники. Привод — гиря или пружина. Такие часы показывают время с точностью до нескольких минут в сутки после регулировки — это нормально для печатной механики. Главное — точность: эксцентричная шестерня или наплыв на зубе остановят механизм. Шестерни на 3D-принтере.

• Mechanical wall clock (139 отпечатков, 7 тысяч лайков) — полностью печатные механические часы в форме летящей птицы с гирей. Самый популярный проект механических часов на Printables.
• Pendulum Clock (16) — часы с маятником; более новый проект — 3D Printed Pendulum Clock.
• Mechanical Clock Escapement with Balance-Wheel — отдельный узел спуска с балансом: хороший первый проект, чтобы понять, как работают механические часы.

Цифровые светодиодные

Корпус с ячейками-сегментами, адресная светодиодная лента, микроконтроллер ESP32 с синхронизацией времени через интернет. Можно сделать цифры, стрелки из света, «словесные» часы (подсвечиваются слова «без пяти семь»). Рассеиватель — тонкий слой белого пластика. Светильник на 3D-принтере, умный дом.

• Giant Hidden Shelf Edge Clock (23) — огромные светодиодные цифры, спрятанные под краем полки, на Arduino Nano.
• Seven segment LED clock — семисегментные часы на ESP8266 и адресных светодиодах: время синхронизируется по интернету.

Кинетические

Механические сегменты, которые поворачиваются моторами и складываются в цифры; часы на зубчатых рейках; часы с катящимися шариками. Это сочетание механики и электроники — для опытных.

• Ball Clock (11) — часы, где время показывают шарики, накапливающиеся на рельсах.
• Geometric «kinetic art» wall clock — настенные часы-кинетическая скульптура.

Механизмы-игрушки и необычные часы

• Летающий турбийон (A26, 62 печати) — увеличенная модель самого сложного часового механизма, работает от заводной пружины.
• Мини-турбийон с тремя осями (A26, 16 печатей) — настольная кинетическая скульптура.
• Часы на шестернях (Luke’s 3D, 9 печатей) — открытый зубчатый механизм на кварцевом приводе.
• Часы с планетарной передачей (foglie0p, 5 печатей).
• Большие часы с зубчатым механизмом (nhchiu, 19 печатей) — лицензия GPL.
• Цифровые солнечные часы (Michal Potocký, 38 печатей) — тень от солнца складывается в цифры времени; лицензия CC BY.
• Модульные настольные часы (hellgy, 10 печатей).
• Кольцо с цифрами циферблата (JonS) — накладка на готовые часы или основа для своего циферблата, лицензия CC BY-SA.

Как устроены механические часы

Чтобы собрать печатные механические часы, полезно понимать четыре узла. Источник энергии — гиря на тросике или заводная пружина: она постоянно пытается провернуть механизм. Зубчатая передача делит обороты так, чтобы минутная стрелка делала оборот за час, а часовая — за 12 часов. Спуск (анкер с храповым колесом) отпускает механизм по одному зубу за такт — отсюда характерное тиканье. Регулятор — маятник или балансовое колесо — задаёт период этих тактов: чем длиннее маятник, тем медленнее ход. В печатных часах больше всего проблем со спуском: зубья анкера должны быть гладкими, без наплывов, иначе механизм останавливается. Поэтому их печатают тонким слоем и при необходимости полируют. Шестерни на 3D-принтере.

Светодиодные часы: что понадобится

• Плата ESP8266 или ESP32 — синхронизирует время по Wi-Fi, отдельные часы реального времени не нужны.
• Адресная светодиодная лента WS2812B — сегменты цифр или кольцо.
• Блок питания 5 В с запасом по току: каждый светодиод на полной яркости потребляет до 60 мА.
• Печатный корпус — сегменты из чёрного пластика, рассеиватели из белого или прозрачного тонкой стенкой 0,6–0,8 мм.
• Прошивка — готовые проекты с открытым кодом или WLED для простых вариантов.

Корпуса для электроники, умный дом.

Советы для механических часов

Перед проектом откалибруйте поток и проверьте размеры на тестовой детали. Слоновья нога делает нижние зубья шире — включите компенсацию или сделайте фаску. Шестерни печатают плашмя, с 3–4 стенками и сплошным ободом. Зубья зачищают от наплывов надфилем. Трущиеся пары можно немного смазать сухой смазкой (графит, PTFE) — жидкое масло собирает пыль. Слоновья нога, калибровка экструдера.

Материалы

Для часов с малыми нагрузками PLA подходит лучше PETG: он точнее печатается и жёстче. Нейлон нужен только при высоких нагрузках, которых в часах обычно нет.

Регулировка хода

Период маятника зависит от его длины: длиннее — медленнее. Если часы спешат, груз маятника опускают; отстают — поднимают. Регулировочную гайку на маятнике предусматривают в конструкции. Часы должны висеть ровно — проверьте «так-так» на слух: удары анкера должны быть равномерными. Неравномерный ход исправляют наклоном корпуса.

Время и стоимость

Кварцевые часы — несколько часов печати и стоимость механизма. Механические — десятки часов печати, подшипники, пруток и несколько вечеров на сборку и регулировку. Светодиодные — 10–20 часов печати, лента и контроллер. Это отличные подарки: часы с персонализированным циферблатом или механические часы ручной сборки впечатляют. Подарки на 3D-принтере.

Типичные проблемы механических часов

• Часы останавливаются через несколько минут — трение в осях или задевание шестерён; проверьте свободное вращение каждого колеса отдельно.
• Ход неравномерный — корпус висит не ровно или анкер настроен неточно.
• Шестерни проскальзывают — межосевое расстояние больше расчётного или зубья с наплывами.
• Маятник быстро затухает — не хватает импульса: увеличьте груз привода или уменьшите трение.

Отлаживайте механизм поэтапно: сначала редуктор без маятника, затем анкер, затем всё вместе. Так проще найти узел, который мешает.

Пример: настенные часы с кварцевым механизмом

Самый простой путь к своим часам. Покупается тихий кварцевый механизм с шагом стрелок «плавный ход» и стрелками под циферблат 30 см. Циферблат рисуется в Tinkercad: диск диаметром 300 мм толщиной 4 мм, рельефные метки часов, отверстие под шток механизма 8 мм. Диск не помещается на стол принтера — его делят на четыре сектора с пазами и печатают матовым PLA, метки — вторым цветом со сменой пластика по высоте. Секторы склеивают, сзади печатается кольцо-рамка с ушком для гвоздя и гнездом под механизм. Печать — около 9 часов, пластик — 350 г. Сборка — 15 минут. Получаются часы под интерьер, а механизм при поломке меняется за минуту. Сборка больших моделей, многоцветная печать.

Как выбрать проект по своему опыту

• Первые часы — корпус или циферблат под кварцевый механизм: успех почти гарантирован, а результат сразу висит на стене.
• Средний уровень — светодиодные часы на ESP8266 или ESP32: печать корпуса, пайка ленты и прошивка; время синхронизируется по интернету.
• Опытным — механические часы с маятником или турбийон: десятки деталей, точная калибровка принтера, сборка и регулировка хода на несколько вечеров.

Видео по теме

• Настенные часы на 3D-принтере: многоцветная печать через замену пластика.
• Настенные часы с маятником на 3D-принтере.
• Часовой механизм-игрушка: печатный спуск — как работает анкерный механизм.
• Я напечатал часы. 3D-печать в часовом мире — канал «Камни советов».
• Настольные часы, напечатанные на 3D-принтере — канал «У Павла!».
• Уникальные часы на 3D-принтере и Arduino своими руками — канал 3DIY.
• Большие самодельные LED-часы на Arduino, напечатанные на 3D-принтере.

Где брать модели

Ищите по запросам «wall clock», «mechanical clock», «pendulum clock», «LED word clock», «kinetic clock». Многие проекты механических часов публикуются с подробными инструкциями сборки и списком покупных деталей. Где скачать 3D-модели.

Частые вопросы

Можно ли напечатать часы?

Да: от корпуса и циферблата для кварцевого механизма до светодиодных и полностью механических часов с маятником. Проверенные модели всех видов — в подборке выше.

Сложно ли собрать механические часы?

Требует точной печати и терпения, но вполне реально: откалибруйте принтер, напечатайте шестерни из PLA тонким слоем, используйте стальные оси и подшипники и закладывайте несколько вечеров на сборку и регулировку.

Насколько точны печатные механические часы?

После регулировки длины маятника — несколько минут в сутки. Точность зависит от температуры и влажности: пластик слегка меняет размеры, поэтому механические часы — скорее красивый механизм, чем точный прибор.

Из какого пластика печатать шестерни для часов?

PLA: он точный, жёсткий и почти не усаживается. Нагрузки в часах маленькие, поэтому износостойкость нейлона не нужна, а его усадка мешает точности.

Какие оси использовать?

Стальной пруток или калиброванные оси диаметром 2–3 мм и миниатюрные подшипники: пластиковые оси изнашиваются и дают люфт.

Как сделать светодиодные часы?

Напечатать корпус с сегментами цифр, вклеить адресную светодиодную ленту, подключить её к ESP8266 или ESP32 и залить прошивку с синхронизацией времени по Wi-Fi. Готовые проекты с инструкциями — в подборке выше.

Какой кварцевый механизм купить для своих часов?

С «плавным ходом» — он не тикает. Длина штока подбирается под толщину циферблата (обычно 4–6 мм), стрелки — под диаметр: для циферблата 30 см минутная стрелка около 13–14 см.