Drukarka 3D zrealizowana w nietypowej kinematyce

Pierwszym projektem, jaki chciałem przedstawić na tej stronie, jest drukarka 3D pracująca w modyfikowanej kinematyce cross-XY. Pomysł na opracowanie drukarki 3D od podstaw narodził się w mojej głowie po analizie kilkudziesięciu rozwiązań drukarek 3D. Był to również mój wyraz swego rodzaju sprzeciwu wobec projektu drukarki Voron 2.4, która w moim mniemaniu jest przesadnie skomplikowana i przez to kosztowna, a zarazem, co należy obiektywnie stwierdzić: szybka, elegancka i dopracowana.

Wynik prac w postaci niniejszego urządzenia służy mi obecnie jako podstawowa drukarka 3D.

Uzyskane parametry druku

• prędkość około: 250 mm/s
• przyśpieszenie: 2000 mm/s^2
• obszar druku: szerokość x wysokość x głębokość: 210 x 190 x 200 mm.

Zanim przystąpiłem do projektu, postanowiłem poczynić kilka założeń

• możliwie szybka praca drukarki,
• jak najlepsze wykorzystanie objętości roboczej, czyli jak najlepszy stosunek obszaru druku to rozmiaru drukarki,
• zewnętrzne gabaryty pozwalające zmieścić drukarkę na półce regału Kallax z IKEA: szerokość 33 cm, wysokość 33 cm, głębokość około 40 cm, przy zachowaniu możliwości zwiększenia gabarytów – postanowiłem jednak, że to będzie mój punkt wyjścia,
• zamknięta komora,
• kinematyka cross-XY z modyfikacjami, o których napiszę poniżej,
• magnetyczny stół od Prusy MK3 lub podobny, ciche stepsticki, niwelowanie krzywizny stołu (zwane poziomowaniem stołu),
• software w postaci Marlina, z którym się zapoznałem a’propos modyfikacji moich poprzednich drukarek,
• extruder typu Direct, klon Bondtech z przekładnią 1:3.

Szczegółowy opis drukarki wraz z dokumentacją fotograficzną znajduje się na stronie elektroda.pl:

https://www.elektroda.pl/rtvforum/viewtopic.php?t=3990756

Podczas konstruowania drukarki przyświecało mi kilka pomysłów i założeń. Sprawdzenie ich sensowności było moją najsilniejszą motywacją w niniejszym projekcie.

1. Obudowanie całego mechanizmu ruchu głowicy drukarki wokół sześcianu / graniastosłupa.
2. Ruch w osi Z zapewniony za pomocą pasków wprawianych w ruch za pomocą pojedynczego silnika
3. Kompaktowość konstrukcji i maksymalne upakowanie elementów.

Skrótowo odniosę się do każdego z powyższych punktów

Ad. 1

Rama drukarki składa się z dwóch poziomych prostokątów wykonanych z profili V-SLOT, stanowiących górę oraz dół drukarki, połączonych są ze sobą pionowymi wałkami liniowymi. Razem tworzy to przybliżeniu krawędzie graniastosłupa.

Na zewnętrznych stronach ramy, na wspomnianych pionowych wałkach, rozpięty jest mechanizm zapewniający ruch głowicy w osi X i Y, który działa analogicznie jak w drukarkach Zortrax albo Ultimaker. Wałki mechanizmu ruchu w osiach X i Y stanowią zarówno prowadnice liniowe dla ruchu głowicy, jak i elementy napędowe. Jako że prowadnice liniowe się obracają, to wykluczone jest zastosowanie łożysk liniowych, stąd wałki przekazujące ruch na głowicę przesuwają się wzdłuż nich za pośrednictwem tulejek mosiężnych. Nieco obawiam się trwałości tego rozwiązania i czas pokaże, czy połączenie roli prowadnicy liniowej i wałka napędowego to dobry pomysł. Role te można oczywiście rozdzielić, ale drukarka stanie się wyższa.

Teraz przechodzę do opisu pierwszego z moich pomysłów. Wałki napędowe, te które pełnią rolę prowadnic liniowych, nie są trwale związane z ramą. W zamian – są na nie nasunięte łożyska, których zewnętrzna część (zewnętrzna część bieżni) toczy się po pionowych wałkach. Związanie mechanizmu ruchu głowicy w osiach X/Y zapewniają paski napędowe X/Y, których naciąg powoduje zwartość konstrukcji i tak jakby ściągnięcie całego mechanizmu “do siebie”. Idea ta nie zadziałałaby bez odpowiedniego podwieszenia całego mechanizmu w osi Z, bo bez ustalenia wysokości wszystkich rogów mechanizmu cała ta konstrukcja jest wiotka w osi Z.

Podsumowując: jedynie paski zapewniają tutaj zwartość konstrukcji (dociskają mechanizm do pionowych wałków).

Ad. 2

Dla zapewnienia poprawnej bezluzowej pracy wymagane jest jeszcze podparcie wszystkich rogów mechanizmu X/Y tak, by nie kosił się on podczas ruchu w osi Z. Postanowiłem, że i tutaj dokonam transferu ruchu z silnika napędowego osi Z za pomocą pasków (podobnie, jak ma to miejsce w osiach X i Y). Co więcej – wykorzystam tylko jeden silnik do napędu wszystkich naroży. Transfer ruchu zapewniony jest za pomocą dużych pętli z pasków napędowych po prawej i lewej stronie drukarki. Każda pętla zapewnia podparcie (w zasadzie podwieszenie) mechanizmu X/Y zarówno z przodu, jak i z tyłu drukarki. Obie pętle napędzane są za pomocą wspólnego wałka, który jest obracany poprzez pojedynczy silnik sprzężony z wałkiem za pomocą przekładni pasowej 16:60 (celem uzyskania wyższej precyzji pracy w osi Z).

Pętle napędowe wkomponowane są w profile V-SLOT, przez co nie dodają objętości drukarce. Można powiedzieć, że paski zapewniające napęd w osi Z “ściskają” górę i dół drukarki w sposób analogiczny, jak paski napędowe osi X i Y ściskają jej boki.

Ad. 3

Wisienką na torcie było dla mnie wkomponowanie elementów drukarki w taki sposób, by zmarnować możliwie mało miejsca w objętości drukarki.

• Silnik napędowy osi Z znajduje się nad zasilaczem, który umieszczony jest pionowo w pobliżu tylnej ścianki. Z kolei płyta główna drukarki znajduje się pod zasilaczem.
• Silniki napędzające głowicę w X i Y, które przemieszczają się w pionie wraz z całym mechanizmem X/Y, mieszą się na szerokość obok zasilacza i łańcuchów prowadzących kable.

• Zadbałem o umieszczenie prowadnic kablowych tak, by nie kolidowały z wentylatorami i ekstruderem, jak również zmodyfikowałem trochę ekstruder poprzez przeniesienie śruby naciągającej rolki napędowe filamentu tak, by nie wystawała poza obrys ekstrudera.

Poniższe zdjęcia przedstawiają:

• pokrywę – jej uchwyt magnetyczny i zawiasy,
• rączkę,
• ułożyskowany mechanizm prowadzenia rurki na filament,
• front – obudowę na ekranik i włącznik.

Po zamontowaniu drzwiczek i pokrywy, drukarka prezentuje się następująco.

Konkluzje – słowo końcowe

• Obecnie drukarkę o porównywalnych albo lepszych parametrach można kupić za 2000 zł. Tym samym, odkąd chińscy producenci weszli na wyższy poziom zaawansowania technicznego swoich konstrukcji zachowując niską cenę, projekt tego typu nie ma sensu ekonomicznego. Pozostaje walor dydaktyczny.
• Jak do tej pory poczynione przeze mnie założenia się sprawdzają. Drukarka przedrukowała już kilkanaście kilogramów filamentu, pozostając dość szybką, cichą i niezawodną.
• Na wałkach liniowych – poziomych, czyli tych, które służą jednocześnie jako prowadnice liniowe i napęd X/Y – pojawiają się ślady zużycia (wytarcie powierzchni). Na razie nie wpływa to na pracę drukarki, ale spodziewam się narastania hałasu w trakcie postępu zużycia. Nie powinno to wpływać na luzy ze względu na bliskość wałka i punktu mocowania paska napędowego.
• Szalenie ważne jest zachowanie równoległości i prostopadłości wszystkich elementów ramy. Pozostałe niedokładności można skalibrować poprzez dostosowanie pozycji pasków napędowych.
• Wykonanie drukarki o takiej samej kinematyce, ale o większym polu roboczym, nie stanowi problemu i szczerze mówiąc, żałuję, że nie zrealizowałem drukarki o większym polu roboczym.
• Ciekawego psikusa wywinął mi stół podgrzewany. Okazuje się, że zastosowanie pojedynczego termistora (służącego do pomiaru temperatury stołu), szczególnie jeżeli jest on umieszczony na środku, rodzi problem z lokalnym wychładzaniem stołu (widoczne w przypadku małych wydruków), co prowadzi do “thermal runaway” i błędu drukowania. Rozwiązaniem jest zastosowanie większej liczby termistorów umieszczonych w pewnym oddaleniu od siebie.

Aktualizacja

Niniejsza drukarka to projekt, który żyje, a zatem ewoluuje. Jak pisałem, mimo że ma status prototypu, to jest stale w użytku, przez co pojawiają się usterki, jak również pomysły na usprawnienia. Oto aktualizacje, które w międzyczasie udało mi się zaimplementować:

Modyfikacja stolika grzanego

Jak wspomniałem wyżej, stolik grzany z pomiarem temperatury za pomocą pojedynczego termistora stwarza ryzyko “thermal runaway”, jeżeli wydruk z nadmuchem robiony jest w okolicy miejsca zamocowania termistora, czyli np. wydruk na środku i termistor również na środku. Rozwiązaniem jest zastosowanie większej liczby termistorów łączonych szeregowo albo równolegle, albo też w jakiś mieszany sposób. Co ciekawe, ze względu na silnie nieliniową zależność rezystancji termistora od temperatury, sposób połączenia termistorów (szeregowo / równolegle) ma tutaj znaczenie. W przypadku połączenia szeregowego, rezystancja łańcucha termistorów jest zdominowana przez element o niższej temperaturze. Z kolei w przypadku połączenia równoległego – rezystancja zdominowana jest przez element o wyższej temperaturze. Drugie rozwiązanie uznałem za bardziej bardziej korzystne w mojej sytuacji. Modyfikacja wymaga oczywiście korekty parametru R_n (rezystancja nominalna), którą należy podzielić przez dwa. Inne parametry pozostają bez zmian. Modyfikacja była prosta i póki co spełnia założenia chroniąc przez “thermal runaways”.

Powiększenie pętli przewodu do ekstrudera

Kabel łączący ekstruder z płytą główną zaczął tracić kontakt na jednej z linii, co nastąpiło po przedrukowaniu przez drukarkę mniej więcej 10 kg filametu. Utrata kontaktu nastąpiła na zgięciu pętli, kiedy głowica znajduje się mniej więcej w części centralnej stołu (pętla przesuwa się wraz z głowicą).

Pętle są 3: każda z stowarzyszona z ruchem w jednej osi: X, Y oraz Z. Pętla Z jest najciaśniejsza, ale zmiana pozycji Z następuje pewnie z 1000 razy rzadziej niż dla pozostałych osi, stąd ryzyko uszkodzenia jest minimalne. Z kolei pętla dla X ma trochę mniejszy promień niż pętla Y i to właśnie tam nastąpiło rozwarcie. Wymieniłem przewód – udało się wysunąć stary kabel i wsunąć nowy bez rozpinania łańcuchów prowadzących. Dodatkowo powiększyłem promień pętli X o około 2 cm, zrównując go z promieniem pętli Y.

W roli przewodu zapewniającego kontakt z ekstruderem użyłem kabla LIYY 16 x 0.14 mm². Spośród dwóch typów kabla, jakie przetestowałem, wybrałem ten bardziej elastyczny. Prawdopodobnie nie zachowałem średnicy gięcia, gdzie wg. producenta, przy pracy dynamicznej, średnica gięcia to co najmniej 10x średnica kabla, czyli nie mniej niż 70 mm, stąd też kabel uległ uszkodzeniu.

Artefakty w osi Z

Eksperymentując z szybkością pracy drukarki natknąłem się na poważny problem – na osi Z zaczęły mi się pojawiać periodyczne artefakty. Były trochę zależne od szybkości druku, ale nawet przy powolnym druku nie znikały.

1. Zauważyłem, że okresowość wynosi mniej więcej 2 mm w osi Z. Można to powiązać z rozstawem zębów paska GT2. Kiedy jednak przyjrzałem się bliżej artefaktom, okazało się że okresowość trochę się zmienia: czasem wynosi jakieś 1.5 mm, czasem zwiększa się powyżej 2 mm. Przeczy to hipotezie, że artefakty mogą mieć związek z pracą w osi Z (gdzie mam napęd paskiem GT2).
2. Następnie zauważyłem, że artefakty nie mają związku z przesunięciem warstw, ponieważ wybrzuszenie i wklęśnięcie dotyczy całych warstw, zatem wiązać to można z nierównomierną pracą w osi Z. To dobrze, bo pole do wystąpienia problemu się zawęża. Obawiałem się mianowicie, że gdyby problem dotyczył mechanizmu X-Y, to mogłoby to następować na skutek niedoskonałości łożysk, albo (gorzej) z powodu nietypowego sposobu ich użycia przeze mnie. To drugie mogłoby oznaczać nierozwiązywalny w mojej konstrukcji problem.
3. Następnie chciałem sprawdzić, czy problem dotyczy całego mechanizmu pracującego w osi Z, czy też może tylko jednej z pętli napędowych. W tym celu drukowałem kostki testowe jednocześnie po prawej i lewej stronie. Wyniki były niejednoznaczne, ze wskazaniem, iż to cały mechanizm stwarza problem.
4. Tutaj się niestety zawiesiłem. W związku z brakiem pomysłóww postanowiłem zreferować problem Chatowi GPT. Zasugerował kalibrację przyśpieszeń (okazało się to niewłaściwym tropem) oraz przyjrzenie się ekstruzji. I to był strzał w dziesiątkę. O ile zmiana przyśpieszenia ekstruzji nie miała dużego wpływu na artefakty, ponieważ była bliska zaleceniom producenta ekstrudera, o tyle problemem okazała się zbyt duża retrakcja, wynosząca u mnie 2 mm. Jako że nie robiła problemów, to niej zapomniałem. Zmniejszenie retrakcji do 0.5 mm zmniejszyło artefakty o powiedzmy rząd wielkości. Zapewne można jeszcze zoptymalizować momenty, kiedy retrakcja w ogóle występuje, godząc się z większym nitkowaniem, ale na razie zostaje jak jest, a mi pozostaje cieszyć się odzyskanym zdrowiem drukarki.

Drzwiczki

Modyfikacja niewielka, ale ułatwiająca konstrukcję mechaniczną, bez straty dla funkcjonalności. Pojedyncze wrota są łatwiejsze do wykonania niż dwa wrota.

Do zrobienia: Klipper

Nie chce mi się męczyć z odnajdywaniem częstotliwości rezonansowych mojej drukarki po omacku (jak miałoby to miejsce w Marlinie), natomiast Klipper, ze wsparciem w postaci czujnika z akcelerometrem, rozwiązuje ten problem automatycznie. I to jest dla mnie powód do zmiany oprogramowania.

Tagi: druk 3D, drukarka 3D, mechanika