Dopo i primi approcci alla stampa 3d avvenuti con l'ottima Prusa I4 (che ritengo essere al momento la migliore stampante 3D in rapporto al prezzo), ed anche dopo avere appreso utilizzandola i rudimenti della piattaforma Arduino/Marlin per impostare certe caratteristiche personalizzate, è nata la voglia di provare ad autocostruire qualcosa di un po piu grande e meccanicamente stabile. In realtà questa categoria di macchine non ha bisogno di meccaniche ultra stabili e precise ma piu che altro di masse in movimento molto leggere poichè elettroniche e motori dedicati non supportano oltre alla taglia motore nema17 e correnti superiori a 2.0 Amp.
Dopo avere fatto un disegno di massima di come volevo realizzare la stampante e dopo avere acquistato le prime parti meccaniche (cuscinetti e guide a ricircolo, pattini e guide a ricircolo, profilati, viti a ricircolo...ecc) mi sono accorto che i pattini a ricircolo della Hiwin ad esempio andavano piuttosto duri nel loro movimento e che i cuscinetti lineari a causa della massa del loro supporto erano piuttosto pesanti...
Ho rifatto quindi tutto il progetto pensando di utilizzare dei motori nema 23 ed i loro appositi driver pilotati dalla scheda classica ramps 1.4 come sembrava potesse essere fatto, ma poi vedremo piu avanti nella descrizione i risultati di questa soluzione.
Prima di partire nella realizzazione tutta la parte elettronica è stata testata al banco con esito positivo per cui si poteva partire....
Il basamento e la struttura sono costituiti da profilati in alluminio, 30 x 90 mm per il basamento, 30 x 60 per il supporto dell'asse Y, 30 x 30 per le colonne dell'asse Z.
Il tutto è stato assemblato e messo in piano e squadro su un piano di riscontro di circa 60 kg gentilmente fornito dal caro cugino "Il Doc". Le dimensioni sono notevoli in relazione alla area di stampa sfruttabile ma questo tipo di costruzione permette di poter contenere entro la struttura tutto quanto serve (elettronica, alimentazione, ecc), senza occupare altro spazio fuori di essa.
Vista della parte posteriore della struttura ove si possono notare i pattini da 15mm Hiwin e le viti a ricircolo da 12mm
.
.
Gli angoli aperti dei profilati sono stati utilizzati per l'alimentazione, l'accensione e l'ingresso USB per la programmazione, il tutto previo stampaggio delle parti tramite la prusa I4.
Il carro asse Y in origine costituito da guide supportate da 12 mm e relativi cuscinetti regolabili, il motore è fissato su una apposita flangia fissata su una traversa al telaio di 8 mm di spessore. Il carro scorre molto bene e senza impedimenti, la flangia motore è predisposta per accogliere eventualmente anche un nema 23.
Particolare del serraggio della cinghia all'asse Y, la parte dentata è stata realizzata utilizzando una fresa per ingranaggi modulo 1 ed ovviamente con lo stesso passo della cinghia che in questo caso è una GT2.5mm
particolare del montaggio del motore asse Y, predisposizione per nema 23, puleggia 16 denti GT2.5. Il motore attualmente montato è un nema 17 ad alta coppia alto 60 mm da 0.65Nm e 1,5A di corrente.
.
Particola dei rinvii della cinghia asse Y di cui uno è regolabile permettendo il tensionamento.
I motori dell'asse Z sono montati su una flangia, anche essa predisposta per nema 23. La flangia si ancora al profilo laterale da una parte ed a una colonna che finisce sulla traversa inferiore. la flangia è regolabile di +/-2mm rispetto alla colonna consentendo l'aggiustamento in fase di montaggio. Il motore di questo asse è un nema 17 da 2,5A pilotato con 2A di corrente. Fra l'albero motore e la vite a ricircolo è presente un giunto di connessione rigido autocostruito. Il giunto è appoggiato ad una flangia entro la quele è presente un cuscinetto reggispinta da 8 mm il quale ha il compito di supportare tutto il peso degli assi Z e X. Questa soluzione impedisce che il peso gravi sui cuscinetti del motore scaricandosi sulla flangia di supporto.
.
Per la immobilizzazione dei montanti che costituiscono l'asse X-Z nel senso longitudinale sono stati fatti 2 tiranti con C40 rettificato da 12mm con relativi terminali regolabili e fissaggi ai profili.
Una vista degli assi Z e X. Il motore è stato posizionato al centro in modo che il suo peso sia uniformemente distribuito fra gli assi. Si tratta in questo caso di un nema 17 provvisorio ma che sarà poi identico a quello dell'asse X ovvero con un corpo da 60 mm e una coppia di 0.65Nm a 1,5A. Uno dei 2 rinvii della cinghia è fisso ed uno regolabile in modo da poter tensionare la stessa. Un profilato ad L porta il moto al cuscinetto lineare da 15mm dell'asse X, anche i cuuscinetti dell'asse Z sono su guide da 15 mm.
Particolare della flangia che ancora il motore X, la stessa flangia può accogliere un nema 23. Il motore montato al momento non è quello definitivo ma un comune 48 mm da 0,4 Nm.
La vite a ricircolo da 12mm x 4 di passo è ancorata alla traversa con una flangia realizzata con CNC così come molte parti di questa stampante. In principio avevo scelto di utilizzare viti a ricircolo da 8mm con passo 2, ma il loro costo era improponibile, circa 300 eur per 2 viti (skf o thk), quindi visto il basso costo mi sono deciso a provare di utilizzare delle comuni viti cinesi di classe C7 che si sono dimostrate ottime per questo impiego, perfettamente dritte ma soprattutto senza alcun gioco avvertibile ad un prezzo di 60 eur. Utilizzando delle comuni viti da stampante con profilo a trapezio e chiocciola in bronzo sarebbe stato probabilmente un errore in questo caso poiche la resistenza di movimento che hanno i cuscinetti lineari Hiwin non consentono di fare appoggio sulla chiocciola nemmeno con il peso di tutto l'asse Z-X, per cui nei piccoli movimenti di 0.075 mm che avvengono durante una ritrazione del filo di stampa l'asse sarebbe probabilmente rimasto alto (il gioco di queste viti è notevolmente superiore a questa misura).
Vista del ponte superiore asse Z-X. Ai profili da 30 mm oltre alle squadrette di fissaggio è stato avvitata una piastra a doppia T per irrigidire la struttura nel senso trasversale. In cima alle viti sono poste 2 pulegge ed una cinghia di interconnessione fra le viti stesse. Questa soluzione, già adottata sulla prusa I4 si è dimostrata di una enorme utilità in quanto non consente in primo luogo alle due viti di desincronizzarsi (i motori quando vengono spenti si muovono leggermente fino al loro punto magnetico piu vicino) mandando fuori livello l'asse,ed in secondo luogo consentono facilmente una regolazione "al volo" della distanza dell'ugello dal piano durante il primo livello così da correggere in fretta durante i primi cm di movimento di estrusione una eventuale non corretta altezza.
Particolare di una delle due pulegge con il tensionatore per la cinghia (cuscinetto doppio di un hard disk riciclato).
L'alimentatore di tutta la stampante, si tratta di un comune switching da 24V 15A. E' stata utilizzata questa tensione per il pilotaggio di driver esterni e di eventuale piano riscaldato classico da 24V. trova posto comodamente entro la struttura.
Dal lato opposto dell'alimentatore ho sistemato la parte elettronica ovvero una classica ramps 1.4 + arduino mega. si tratta di una soluzione classica per quanto riguarda le stampanti 3D oltre che economica. Come si puo notare al posto dei driver Pololu classici nelle sedi X e Y si trovano dei piccoli circuiti di interfaccia per driver. Essi sono dei circuiti che permettono di utilizzare driver piu grandi esterni.
Al centro della struttura trovano posto il driver per l'asse Y, il riduttore di tensione da 24 a 12V, il relè statico per il controllo del piano caldo che funziona a 220V.
Il fine corsa dell'asse Z è stato realizzato in un primo tempo in questo modo, una lamella di carbonio da 2 mm è ancorata sull'asse e un micrometro regolava l'altezza del sensore.
In seguito poichè il micrometro mi serviva per altra apllicazione ho realizzato questa soluzione che si è mostrata anche migliore. Il dispositivo di regolazione ha un passo di 0.5mm a giro, la testina graduata ha 50 divisioni per cui ad ogni movimento di una tacca si ha una regolazione di 1 centesimo. La punta della vite entra nella forcella del sensore ottico ed è molto precisa in quanto a ripetibilità, meglio sicuramente dei classici fine corsa con microswitch. Per utilizzare il fine corsa ottico occorre disabilitare il relativo pull-up nel firmware e invertire la logica di funzionamento.
.
I fine corsa degli assi X e Y sono stati realizzati con classici micro a leva lunga, nel primo caso mi sono ancorato a 2 fori liberi in una vite a ricrcolo, nel secondo una struttura a se mantiene il micro nella giusta posizione. Per gli assi X e Y non è necessaria precisione per cui vanno bene i classici micro a leva.
Il piatto di stampa è in alluminio (ergal 7075) da 3 mm, ad esso è applicato un riscaldante specifico per stampanti da 500W a 220V che funziona in maniera eccellente, molto rapido e preciso. Le dimensioni dell'elemento riscaldante sono di 20 x 30 cm mentre quelle del piano di 25 x 33cm.
Il letto di stampa si ancora al carrello tramite 6 punti regolabili come questo in foto, le manopole zigrinate e le molle sono sempre DIY.
Sopra al piano in alluminio invece del classico vetro viene utilizzata una lastra di fibra di vetro da 2 mm che si è rivelata una ottima soluzione sia per quanto riguarda l'adesione dei materiali sulla stessa che per la praticità di pulizia e non ultimo il suo basso costo in confronto al vetro specifico.
Per il pannello di controllo ho utilizzato il classico full graphic controller, il contenitore è stato stampato con prusa I4 e scaricato da thingiverse. Il contenitore in realtà è poco pratico in quanto lo slot scheda è poco accessibile ed anche il contenitore stesso un po di dimensioni eccessive rispetto al circuito, ma in compenso è orientabile. Il pannello frontale ho preferito realizzarlo con cnc in ergal piuttosto che con PLA.
Come estrusore sto utilizzando al momento un comune MK8 che avevo di scorta, ma conto di farmene presto uno DIY con riduzione del tipo sempre diretto. L'unica carenza di questo estrusore è che di origine non consente di stampare gomma o fili morbidi poichè ha una discreta distanza fra il pignone spingifilo e l'entrata del filo nel condotto di estrusione.
Tutti i fili che servono al funzionamento dell'estrusore sono stati connessi ad una classica presa D-sub da 15 poli, quelle comunemente utilizzate nei pc su porta giochi. Ogni contatto di questi connettori supporta 2A massimi per cui per la cartuccia scaldante sono state utilizzate 2 coppie di contatti. La mia cartuccia funziona a 24v ed ha 40W per cui vi circolano circa 1,6A, sarebbero stati sufficienti anche solo 2 contatti ma poichè ne avevo di liberi ho preferito utilizzarli per maggior sicurezza di passaggio corrente.
Sui montanti asse Z-X ho trovato posto anche per l'illuminazione utilizzando 2 lampade piatte a led da 30 cm a luce calda che fanno molto comodo.
Sopra alla scheda elettronica è stata posizionata una ventola con relativa protezione. In effetti non ho notato che ce ne fosse bisogno, ma il mio laboratorio in questo periodo ha al massimo 12-13° di temperatura per cui magari nel periodo estrivo viene comoda.
Bene, ora arrivano le note dolenti: come si puo vedere dal risultato delle prime prove di stampa il risultato era indecente. Il cubo stampato con funzione "spirale" ha una finitura orribile ed inoltre è inclinato sia in X che in Y !! Ed il piccolo dado diventa subito shiftato ! Mi sono detto ironicamente che siccome tutti stampano la torre Eiffel io avrei potuto stampare quelle di Pisa e senza nemmeno disegnarle storte.
La ricerca di questo problema non è stata troppo lunga ma molto deludente in quanto al progetto generale della stampante. Purtroppo la ramps 1.4 + interfaccia specifica + driver esterni non hanno funzionato bene nel mio caso ed il motivo è causato probabilmente dalle interfaccie che perdono un impulso ad ogni movimento che avviene.
Per scrupolo ho connesso alla ramps i normali driver pololu 8825 e tutto ha iniziato a funzionare bene. A questo punto però ero preoccupato che i piccoli driver potessero pilotare i motori sulla mia struttura. Per prima cosa ho dotato gli stessi di radiatori 4 volte piu grandi di quelli originali, poi ho provato a dare 2-2,2A ai motori e incredibilmente tutto ha retto e regge tuttora senza alcun problema. E dire che non davo il valore di una cicca a quei driver.....
Di seguito ho riportato i valori di corrente a quelle necessarie sui motori e dopo ore di funzionamento i motori non superano i 30° per cui direi tutto OK.
Il piccolo dado a martello fermacavi finalmente si riesce a stampare.....PLA BQ a fine bobina che già dava cattivi risultati sulla prusa I4.
PLA di hobbyking da 13 eur al Kg sembra essere meglio, anche se è capitato si rompesse il filo stesso nello svolgersi del rotolo, ha infatti zone fragilissime che si alternano a pezzi di filo che anche piegandolo di 180° non si rompe...mah !!!
Una vite con testa a brugola da 10 X 20 sempre con il PLA hobbyking.
Una modifica resasi necessaria è quella visibile in foto, un convogliatore dulla ventola alimentatore che sparava aria sul letto raffreddandone una zona. E' vero che con 500W di potenza non c'erano troppi problemi ma perche buttare energia...buttiamo a fianco l'aria che è meglio !
Di seguito alla impossibilità di usare nema 23 sul carro Y progettato un po pesante come si vede in foto ho completamente rifatto lo stesso. Al posto delle guide supportate da 12 mm sono state utilizzate guide a pattino da 12 mm con 2 pattini, alleggerimento 250 grammi, poi al posto della struttura ad H da 4 mm è stato rifatto tutto e con molti alleggerimenti da 3 mm risparmiando altri 100 grammi. In totale sono stati tolti quindi 350 grammi che non devono fare piu avanti indietro. Mi spiace ma non ho una foto di questa nuova struttura, compenso con il relativo disegno cad di seguito.
Differenze.
La stampante finalmente completa e funzionante a dovere. Si possono notare le guide carro Y da 12 mm che hanno migliorato notevolmente la qualità di stampa sull'asse Y avendolo alleggerito di 350 grammi. Di seguito la parte superiore è stata coperta ove possibile con un foglio di lexan trasparente in modo che parti estranee che possono accidentalemente cadere non vadano in zone pericolose.
Conclusioni
Come in occasione di altre realizzazioni meccaniche questa esperienza è stata molto positiva. La progettazione e realizzazione causa ritardi di alcuni materiali è durata circa 3-4 mesi e non la ritengo conclusa, direi che ora la stampante ha iniziato a camminare ma che con il tempo verrà migliorata ove si evidenzieranno punti critici. Al momento vorrei solo comprendere le vere cause del malfunzionamento con i driver esterni poichè potendo utilizzare motori nema 23 si potrebbero sicuramente ottenere prestazioni migliori. La struttura si è mostrata altamente stabile tanto che sto allestendo varianti di progetto per utilizzarla per la realizzazione di piccole fresature per cui meccanicamente è sicuramente all'altezza. La qualità delle stampe mi pare equivalente a quella della prusa I4 per cui mi ritengo piu che soddisfatto...ora ha bisogno solo di un buon estrusore.
Area di stampa : 248 x 310
Asse X : Motore 0.65 Nm - driver 8825 regolato 0.750V - guide a pattino da 15 mm
Asse Y : Motore 0.65 Nm - driver 8825 regolato 0.750V - guide a pattino da 12 mm
Asse Z : 2 Motori 0.65 Nm - driver 8825 regolato 1 V - guide a pattino 15 mm + viti ricircolo 12mm passo 4
Estrusore: MK8 Motore 0.48 Nm - driver 4988 regolato 0.6 V
Firmware Marlin RC8 + Arduino mega + Ramps 1.4 + Full graphic controller
Peso totale 30 Kg
Spesa sostenuta circa 500 eur
Il nuovo estrusore è stato disegnato e realizzato in ergal tramite cnc, è dotato di un motore nema 17 da 0.18Nm che assorbe una corrente di 0.7A, la riduzione a ingranaggio (modulo 48) ha un rapporto di 4.5 per cui sul trascinamento si ha una forza equivalente di 0.8Nm con un motore piuttosto leggero. Tutte le connessioni elettriche finiscono in una presa sub-D da 15 poli, molto comoda in caso di smontaggio di tutto il gruppo o di parti di esso che debbano essere sostituite.
Il gruppo è assicurato all'asse X tramite 2 viti. La ventilazione del materiale estruso è assicurata da una ventola tangenziale motata a 45°, non è necessario portarla oltre il 50% della velocità per risultati ottimali. L'ugello è montato su un blocchetto di rame autocostruito. Grazie alla riduzione meccanica del trascinamento del filo si ottiene una estrusione piu lineare e regolare poichè il motore gira molto piu velocemente e senza piccoli scatti.