GreenMaker V1.0 - Zaawansowana drukarka 3D - Część 2

[greenmagic]

Na starcie chciałbym podziękować wszystkim, którzy we mnie nie wierzyli - w was moja siła!

Spis treści:

Część 1:

• 1. Wstęp
  2. Założenia
  3. Mechanika ruchu
  4. Dlaczego nie CoreXY?
  5. Ostateczny kształt "krzyża"
  6. Toolchange - system zmiennych narzędzi
  7. Parking głowic

Część 2:

• 8. Oś Z
  9. Stół
  10. System mocowania stołu
  11. Rama główna i pomocnicza oraz jej wzmocnienia, komora
  12. Elektronika
  13. Nad czym obecnie pracuje?

Część 1

1. Wstęp

Moja zabawa z drukiem 3D rozpoczęła się od zakupu drukarki Ender 5 Plus, która sama w sobie jest bardzo poprawna i polecam ją na początek, lecz z czasem, gdy poznawałem jej wady i zalety zacząłem ją przerabiać, zaczęło się od elektroniki, potem prowadnice liniowe i ostatecznie jestem zadowolony z efektów, lecz ograniczeniem stała się już sama konstrukcja.

W międzyczasie w ramach jednego z przedmiotów na studiach poznałem program do projektowania 3D - SOLIDWORKS i postanowiłem, że chcę nauczyć się jego obsługi, ale do tego potrzebna jest mi motywacja - więc zaprojektuję drukarkę 3D, taką jaką chciałbym mieć.
Projekt rozpoczął się około połowy roku 2020.

2. Założenia

1. Pole robocze 400x400x400
2. Dwa ekstrudery
3. System wymiennych narzędzi (kwestia rozwojowa)
4. Mechanika kartezjańska - nie CoreXY (poniżej wyjaśnię dlaczego)
5. Zero rolek - tylko prowadnice liniowe MGN12
6. Stół na 230V
7. Komora
8. Sterowanie przez Raspberry Pi 4
9. Prędkość drukowania >300mm/s
10. Możliwie lekka głowica

3. Mechanika ruchu

Początkowo mechanika miała być identyczna jak w UltiMaker - wałki liniowe o średnicy 8mm tworzące krzyż a na środku zawieszony hotend Chimera, lecz pierwsze analizy statyczne w programie SOLIDWORKS pokazały, że wałki liniowe o długości 60cm są zbyt elastyczne i pod obciążeniem testowym 300g na środku ugną się o przeszło 0.2mm a tyle wynosi jedna warstwa - nie do zaakceptowania. Rozwiązanie było proste - zastosować prowadnice liniowe MGN12 zamiast wałków.
Tak oto powstała pierwsza wersja:

Strzałki pokazują jak odbywa się "transmisja" ruchu jednej osi. Druga jest identyczna, obrócona o 90°

Oś X i Y

Oś X i Y

Przeniesienie napędu z silników na wałki

źródło: https://www.youtube.com/watch?v=cks0Qfwi6PQ

4. Dlaczego nie CoreXY?

Cały czas miałem dylemat czy dobrze robię stosując mechanikę kartezjańską zamiast CoreXY. Przed CoreXY skutecznie odstraszyło mnie to jak precyzyjnie musi być zaprojektowany układ ażeby precyzyjnie działał. Poza tym CoreXY opera się na paskach, których w moim przypadku byłoby wiele metrów. Na takie paski działa temperatura, która sprawia, że paski stają się podatne na rozciąganie pod wpływem akceleracji. Poza tym paski wymagają idealnie równoległego prowadzenia - bez tego okrąg staje się owalem a to jest ciężkie do eliminacji i wykrycia.
Stwierdziłem, że system kartezjański jest bardziej przewidywalny i prostszy do zaprojektowania.

5. Ostateczny kształt "krzyża"

Ten etap sprawił mi bardzo dużo problemów, gdyż skoro krzyż to na środku miejsca nie ma a tam trzeba zmieścić głowicę drukującą

To zdjęcie najlepiej pokazuje w czym problem - O ile przykręcić hotend to nie problem to jakoś trzeba przeprowadzić rurki doprowadzające filament.

Rozwiązałem to poprzez obrócenie prowadnic o 90° co pozwoliło mi zastosować element spajający to w formie kątownika i rozsunięcie wózków prowadnic, dzięki temu nad ekstruderem mam pustą przestrzeń co pozwoliło na swobodne poprowadzenie rurek bowden doprowadzających filament.

Zdjęcie to pokazuje o czym będzie kolejny punkt , lecz wcześniej
dodam jeszcze, że znajomi podpowiedzieli mi, że przy prędkościach >300mm/s, które planuje osiągnąć same prowadnice mogą okazać się niewystarczająco sztywne, więc "krzyż" został wzmocniony profilami Tslot 2020.

Rozwiązało to kolejny problem, którego sam jestem powodem
Podczas zamawiania prowadnic liniowych zamiast zamówić 7x 500mm + 2x 600mm zamówiłem 9x 500mm. Profil pozwolił mi przykręcić prowadnice na środku a wózki i tak nie dojeżdżają do jej końca.

6. Toolchange - system zmiennych narzędzi

Jest to jeden z elementów tej drukarki, który pojawił się w trakcie z racji przebudowania głowicy. Stwierdziłem, że jeśli jest możliwość to czemu nie spróbować Mało jest drukarek, które posiadają taką możliwość.
Ciężko jest znaleźć informacje jak to zrobić, jakie są wady i zalety danego rozwiązania itp.
Tak na prawdę na rynku dominuje jedno rozwiązanie - e3d tool changer

Jeśli chodzi o sposób pozycjonowania to jedynym sensowny rozwiązaniem jest tzw. Kinematic Coupling (nie mam pojęcia jak to po polsku nazwać).
Bazuje to na sześciu wałeczkach (kołki walcowe norma DIN 7) i trzech kulach.
Dzięki temu po dociśnięciu jednej części do drugiej zawsze są idealnie w tej samej pozycji względem siebie.

Kolejną kwestią było blokowanie narzędzia w uchwycie (blokowanie i dociąganie). Początkowo planowałem system bloczków i linek jak na filmiku poniżej:

źródło: https://www.youtube.com/watch?v=ibJpjYAcjaM

Blokowanie głowicy systemem "krążkowym"

Ostatecznie okazało się, że jest to trochę przekombinowane i ostatecznie użyję serwomechanizmu modelarskiego. Można nim sterować bezpośrednio z płyty głównej, jest mały i lekki, zna swoje położenie i ma wysoki moment obrotowy.

Niestety dodany do prowadnicy profil 2020 uniemożliwił mi montaż serwa jak na zdjęciu powyżej, więc
musiałem dodać małą przekładnię kątową - początkowo planowałem wydrukować ją, lecz w tak małych detalach druk 3D jest mało precyzyjny, ale okazało się, że idealnie pasuje zębatka LEGO 6589.
Mocowanie serwomechanizmu zaprojektuje później, po uruchomieniu drukarki w wersji podstawowej.

Sporą niewiadomą dla mnie jest jeszcze system dociągania głowicy do uchwytu.
Mocno mi pomógł znajomy z rosyjskiej społeczności druku 3D.
Poniższe zdjęcie pokazuje, że krążek posiada dwie powierzchnie w kształcie podwójnej helisy. W momencie obrotu pręcik jednocześnie dociąga i blokuje narzędzie.

Czy serwo da radę? Nie wiem
Jeśli macie jakiś pomysł jak to rozwiązać to będę wdzięczny!

Co planuje za narzędzia?

• Chimera hotend
• Laser 2.5W
• Pisak
• Wrzeciono (coś małego, głównie do frezowania płytek drukowanych)
• Możliwe, że dołożę hotend z dużą dyszą np 0.8mm do wypełnień, wewnętrznych obrysów ścian itp.

7. Parking głowic

Jest to część, której rozwój chwilowo wstrzymałem, na razie mam jakiś pomysł na to, lecz sukces poprzednich punktów decyduje o tym jaki będzie końcowy kształt.
Z tyłu każdej głowicy przymocuje wydrukowany element posiadający dwa otwory w kształcie dystansów jakie są używane do mocowania PCB w obudowach. Dwa takie pręciki będą umieszczone na parkingu i na nich spocznie głowica.

źródło: https://www.youtube.com/watch?v=oMsJ6JwUVcQ

Dalszy ciąg opisu w drugim poście

[greenmagic]

Na starcie chciałbym podziękować wszystkim, którzy we mnie nie wierzyli - w was moja siła!

Spis treści:

Część 1:

• 1. Wstęp
  2. Założenia
  3. Mechanika ruchu
  4. Dlaczego nie CoreXY?
  5. Ostateczny kształt "krzyża"
  6. Toolchange - system zmiennych narzędzi
  7. Parking głowic

Część 2:

• 8. Oś Z
  9. Stół
  10. System mocowania stołu
  11. Rama główna i pomocnicza oraz jej wzmocnienia, komora
  12. Elektronika
  13. System chłodzenia wydruku sprężonym powietrzem
  XX. Nad czym obecnie pracuje?

Część 2
Link do części 1

8. Oś Z

W mojej drukarce oś Z składa się z trzech niezależnych "systemów" - Z0, Z1, Z2.
Każda z nich składa się z śruby trapezowej Tr8x8 o długości 500mm, silnika Nema17, nakrętki bezluzowej oraz prowadnicy liniowej MGN12 500mm.
Połączenie silnika i śruby jest zrealizowane za pomocą paska GT2 (identyczny jak w przypadku osi X i Y), dzięki czemu wyeliminowałem sprzęgła, które często są źródłem bicia osiowego.

Początkowo dałem tylko jedno łożysko KP08, lecz słusznie stwierdzono, że naciąg paska spowoduje wyginanie się śruby, więc dodałem drugie łożysko nad zębatką.

Pozwala mi to na sztywne przymocowanie stołu i poziomowanie wyłącznie elektroniczne - oparte o BLTouch, czyli czujnik dotyku oparty o sensor halla i magnes na końcu pręcika. Daje to idealną dokładność i powtarzalność.

9. Stół

Stół został wycięty dla mnie na zamówienie z płyty aluminium G.AL C250, czyli wylewanego aluminium AW 5083, obustronnie frezowanego i odprężanego termicznie. Dzięki temu wypaczenie po nagrzaniu powinno być możliwie małe względem aluminium walcowanego.
Stół ma wymiary 440x440mm i grubość 8mm.
Waga samego aluminium to około 4.5kg, do tego szkło hartowane na górę i masę całego stołu szacuję na 6kg.

Poniżej analizy odkształceń

• Obciążenie: grawitacja

  

• Obciążenie: grawitacja + 1kg o wymiarach 10x10cm (symulacja wydruku)

  

• Obciążenie: grawitacja + 1kg o wymiarach 10x10cm + podgrzanie do 100°C

  

  

Stół jest oczywiście podgrzewany. Od spodu jest przyklejona grzałka sylikonowa o wymiarach 400x400mm i mocy 1300W zasilana 230V. Celowo stół jest większy ażeby móc po obwodzie przymocować ramę z profili 2020 jeśli okaże się to konieczne.

Poniżej testy wykonane kamerą termowizyjną Fluke Ti95 pokazujące jak rozchodzi się temperatura. Na stół przykleiłem taśmę papierową, gdyż stół skutecznie odpija promieniowanie i jest niewidoczny dla kamery termowizyjnej.
Link do postu ze zdjęciami

10. System mocowania stołu

Z racji tego, że stół będzie poziomowany elektronicznie to musi mieć możliwość obrotu względem każdej z osi Z, teoretycznie wystarczą trzy przeguby kulowe, lecz w praktyce podgrzanie stołu z 20°C do 100°C spowoduje rozszerzenie się jego wymiarów w wymiarze X i Y o 0.8mm. Jeśli zastosować sztywne mocowanie to wzrostu wymiarów spowoduje wypaczenie stołu.

Z tego powodu zastosowałem system podobny jak w mocowaniu głowicy, czyli również sześć wałeczków i trzy kule.

30.jpg (17.88 KiB) Przejrzano 1604 razy

Dzięki temu mam zachowaną możliwość obrotu oraz w przypadku wzrostu temperatury po prostu kulki "rozjadą" się po wałeczkach.

Kolejną zaletą takiego rozwiązania jest możliwość przechyłu stołu i ciekawi mnie wizja drukowania "non planar" lub na przykład redukcji liczby supportów, gdyż kąt zwisu można zmniejszyć przechylając stół.

źródło: https://www.youtube.com/watch?v=9gQXTSDuOHU

Problem jest tylko jeden, zaznaczyłem na środku stołu kropkę i identyczną na środku ramy nad stołem.
W momencie przechyłu stołu kropki zaczynają się "rozjeżdżać" w osi X i Y aż do około 2mm.
Macie problem czy można to jakoś rozwiązać?

11. Rama główna i pomocnicza oraz jej wzmocnienia, komora

Początkowo planowałem użyć profili Vslot 2020, lecz potem okazało się, że tańsze i bardziej wytrzymałe są profile Tslot.
Wymiary zewnętrzne drukarki to 750x640x640mm.
Waga całości wg SOLIDWORKS to 40.3kg, lecz nie mam dodanych elementów typu śruby (dodałem może z 50 śrub i mimo tego na ten moment złożenie ma 997 komponentów), więc ostatecznie waga będzie około 50kg.

Z powodu stosunkowo cienkich profili aluminiowych każdy narożnik został wzmocniony narożnikiem ze stali czarnej o grubości 3mm, które zostaną wycięte na laserze i wygięte za pomocą giętarki CNC, podobnie jak elementy z aluminium (elementy ruchome są z aluminium w celu redukcji masy a reszta to stal)

Komora:
Komora w drukarce 3D ma zapewnić wysoką temperaturę, która otacza wydruk w celu minimalizacji skurczu materiału, który powoduje pękanie i paczenie się elementów. Źródłem ciepła w komorze jest grzałka sylikonowa przymocowana do stołu. Ściany komory planuje wykonać z płyt spienionego polwęglanu o grubości 5mm, który dobrze izoluje ciepło a dodatkowo od środka wykleję to gąbką akustyczną, która wygłuszy całość oraz poprawi izolacje termiczną.

12. Elektronika

Elektronika jest podzielona jest podzielona na dwie skrzynki, jedna 230V a druga z "logiką".

Wewnątrz tej pierwszej znajdują się zabezpieczenia nadprądowe całości, stołu oraz zasilacza buforowego 24V 300W, przekaźniki odpowiedzialne za wyłączanie elektroniki z poziomu Raspberry Pi oraz drugi odpowiedzialny za przycisk awaryjny (grzybek), zasilacz standby 24V 0.5A podtrzymujący przekaźnik od grzybka oraz przekaźnik SSR sterujący grzałką stołu.

Do drugiej skrzynki dochodzi jedynie napięcie 24V a wewnątrz znajduje się płyta główna SKR 1.4 TURBO wraz z modułem BTT EXP-MOT. Taki zestaw pozwala na sterowanie 8 silników krokowych, lecz w tym przypadku użyte zostało 7 silników (3x Z, X, Y + 2 ekstrudery) i każdy z nich ma stwój sterownik TMC2209. Silniki osi X i Y mają kąt obrotu 0.9°, czyli 400 kroków, reszta to standardowe 1.8°.
Sterowniki te pozwalają na powrót do pozycji zerowej (homing) metodą zwaną "sensorless homing", czyli braku potwierdzenia prawidłowego kroku przez sterownik, ponieważ silnik osiągnął krańcową pozycję i zaparł się o ramę.
Czy użyję tej funkcji czy użyję krańcówek optycznych jeszcze nie wiem.

W międzyczasie udało mi się nabyć płytę SKR GTR, która opiera się na układzie STM32F407IGT6 i prawdopodobnie użyję ją, gdyż posiada kilka razy więcej GPIO niż tamta płyta a brakowało mi między innymi jednego portu PWM do sterowania serwomechanizmem a dodatkowy moduł BTT M5 pozwala na łączne sterowanie 11 silnikami.

Płytą sterować będzie Klipper Firmware, które chyba jako jedyne nadaje się do tak rozbudowanej maszyny.

Klipper do funkcjonowania oprócz płyty "wykonawczej" potrzebuje części obliczeniowej, którą pełnić będzie Raspberry Pi 4 w wersji 4GB ram.
Do RPi podłączony jest za pomocą gniazda DSI wyświetlacz dotykowy o przekątnej 5" a samo RPi z płytą główną łączy się na pomocą UART.

Jedną z ciekawych funkcji klippera jest np obsługa akcelerometru ADXL345 i pomiar wibracji głowicy i częstotliwości rezonansu i dobór akceleracji w taki sposób ażeby do niego nie doprowadzić.

Jeśli chodzi o firmware wewnątrz RPi to jest to Mainsail + nakładka graficzna Fluidd.

Jako gniazda łączące drugą skrzynkę ze światem użyłem gniazd GX12 oraz GX16 dla akcelerometru. Pozwala to na szybkie odpięcie przewodów i wymianę danego podzespołu.

13. System chłodzenia wydruku sprężonym powietrzem

Z racji małych wymiarów głowicy (45x45mm) nie udało mi się zmieścić wentylatora 5015 bez zwiększania nadmiernie wymiarów zewnętrznych.
Postanowiłem przenieść "napęd" poza głowicę i wykorzystać pompę powietrza zwaną berd-air, którą umieszczę obok elektroniki.

Jest to membranowa pompa powietrza zasilana silnikiem 555 na 24V o wydajności 15L/min. Dzięki temu do głowicy doprowadzę jedynie wąż sylikonowy o średnicy ~6mm.

Z racji, że sprężone powietrze przyda się nie tylko do chłodzenia wydruku, ale między innymi do usuwania dymu w przypadku grawerowania laserowego drewna to rozważam zrobienie rozdzielacza, sterowanego serwomechanizmem tak ażeby móc doprowadzić powietrze do głowic, które to potrzebują i sterować do której w danym momencie jest podawane powietrze.

Jest to rurka miedziana o średnicy zew 6,4mm i ściance o grubości 0,8mm używana w systemach klimatyzacji.
Ma ktoś pomysł jak wygiąć ją pod tak ostrymi kątami bez załamania?
Podgrzać ją palnikiem?
Zalać wodą z mydłem i zamrozić? (robiłem tak, ale z grubszymi)
Końcówki oczywiście będą zasklepione i wylot powietrza będą pełnić jedynie rurki o średnicy 2mm.


źródło: https://www.youtube.com/watch?v=lc7T6qFRDC4

XX. Nad czym obecnie pracuje?

W końcu po wielu miesiącach projektowania i obliczeń przeszedłem do budowy.
Na ten moment złożyłem ramę i zamówiłem części wycięte na laserze.
Cała reszta podzespołów czeka w kartonach na montaż, lecz wstrzymuje mnie brak wyciętych elementów.

Poza tym kończę już obudowy z elektroniką

Wraz z postępem prac będę aktualizować ten opis, poza tym na pewno o wielu rzeczach na ten moment zapomniałem, więc zachęcam do zerkania czy pojawił się jakiś EDIT

Jeśli ktoś z was zna rozwiązanie problemów z wytłuszczonym tekstem to proszę o informacje.

Zapraszam do dyskusji, konstruktywnej krytyki, rad, wskazówek.

[Pjoter]

Krytyka - poproś admina aby oba posty umieścił w jednym temacie. Na forum i tak nie ma możliwości edycji pierwszego posta (z kilkoma wyjątkami). Zobacz mój buildlog (link w stopce).

[Mati]

Jak się sprawuje ta pompka (punkt 13)? Głośna jest w porównaniu do turbiny 5015?

[marek91]

Skleiłem jeden wątek z dwóch.