Budując drukarkę 3d dobrze jest mieć jakieś pojęcie, jak działa to urządzenie. Każdy budujący zapewne wie czym jest technologia FDM, polegająca na modelowania obiektu z roztopionego tworzywa sztucznego, przeciśniętego przez dyszę. Być może warto wiedzieć też do czego służą poszczególne części drukarki, co ułatwi nie tylko składanie, ale przede wszystkim późniejsze diagnozowanie problemów. Korzystając z okazji, że części powoli docierają do mnie, opiszę, jak to wygląda w przypadku Grabera i3, którego budowę rozpoczynam. Wiele z części jest na tyle uniwersalnych, że są wspólne dla większości urządzeń. W szczególności Graber i3 jest bardzo zbliżony dla całej rodziny opartej na Prusa i3 – z dokładnością do konstrukcji ramy i liczby części drukowanych. Mam nadzieję, że każdy, kto chciałby zbudować drukarkę 3d, a nie do końca jeszcze wie jak się do tego zabrać, znajdzie w dzisiejszym wpisie coś dla siebie.
Rama
Rama to główny element konstrukcyjny drukarki, utrzymujący jej sztywność. To do ramy są przymocowane pozostałe części drukarki. Rama może być wykonana z różnych materiałów – drewna, metalu, tworzyw sztucznych, w różnych połączeniach i ilości. Rama mojego Grabera i3 została wycięta z płyty MDF o grubości 6mm. Graber charakteryzuje się tym, że większość elementów konstrukcyjnych (jak uchwyty silników, podstawa stołu, uchwyty do silników, czy wózek/karetka głowicy) wykonane są z tego samego materiału co rama. Przeczy to trochę idei „samopowielalności” drukarek (która i tak jest fikcją), natomiast mi to odpowiada.
Aby zabezpieczyć ramę i pozbyć się przykrego zapachu palonego MDFu, pomalowałem ją wodorozcieńczalną emalią Beckers Designer Universal w kolorze „melon”. Kolor został zdeterminowany przez wyprzedaż w lokalnym sklepie, a do jej producenta – Tikkurili mam zaufanie. Farba nie śmierdzi, szybko schcnie, narzędzia myje się wodą, a dodatkowo nie chciałem nic łatwopalnego. Pierwsza warstwa kryje słabo, natomiast należy ją traktować jako podkład (zgodnie z sugestiami producenta), natomiast każda z kolejnych daje już właściwy efekt. Ja pomalowałem 2-4 warstw (zależnie od elementu) głównie wałkiem, najmniejsze elementy pędzlem. Cała operacja wymaga sporo cierpliwości ze względu na liczbę części, natomiast przebiegła bezproblemowo.
Koszt ramy – 161 zł z wysyłką, koszt farby – 15zł za 0,5l (zużycie około 0,25l)
Silniki krokowe
Silniki krokowe poruszają głowicą nad drukowanym obiektem. A będąc bardziej precyzyjnym – w przypadku mojej konstrukcji poruszają głowicą w osi X (prawo-lewo), stołem w osi Y (przód-tył) i prowadnicami głowicy w osi Z (góra-dół). Silnik krokowy to taka odmiana silnika, w której odpowiednie impulsy elektryczne powodują obrót wirnika o określony kąt. Dzięki temu prędkością obrotową silnika można precyzyjnie sterować, szybko go wyhamować czy zmienić kierunek obrotu. Co więcej silnik może się zatrzymać i pracować w tej pozycji z pełnym momentem, zapobiegając obracaniu. Istotnymi parametrami silnika jest jego prąd znamionowy, który ma wpływ na to jak bardzo obciążony będzie zasilacz i wszystkie elementy sterujące, moment trzymający, określający na jaką „siłę” silnika możemy liczyć, a także kąt obrotu przy jednym impulsie. Nie bez znaczenia jest także rozmiar silnika i mocowanie, natomiast tutaj sytuacja wygląda dobrze, dzięki organizacji NEMA, która określa standardy. Dzięki temu dla typowych konstrukcji kupujemy po prostu silnik NEMA17 (lub inny, określony przez projekt) i mamy gwarancję, że wielkość silnika, jak i rozstaw otworów mocujących będą takie, jak trzeba.
Koszt jednego silnika krokowego – 55 zł, kupione 4 sztuki – 220 zł (piąty silnik będzie użyty do ekstrudera)
Sterowniki silników krokowych
Elektronika sterująca działa zwykle z napięciem 5V, a wyjścia mikrokontrolerów dysponują niewielkim prądem. Silniki krokowe natomiast wymagają do działania zarówno wyższego napięcia, jak i większego prądu. Stepstick jest więc urządzeniem, które „tłumaczy” sygnały ze sterownika na odpowiednie impulsy prądowe poruszające silnikami krokowymi. Ponieważ przez układ mogą przepływać spore prądy, do stepsticków dołączane są często radiatory do naklejenia. Ja wybrałem najtańsze sterowniki silników krokowych, oparte na układzie A4988. Różne układy wytrzymują inne natężenia prądu, w różnym stopniu się grzeją, pozwalają na różną precyzję sterownia (mikrokroki), jak i zapewniają różną kulturę pracy silników krokowych (głośność). Stepsticki są więc ważnym elementem elektroniki sterującej drukarką 3d.
Koszt 5 sztuk z radiatorami i przesyłką z Chin – 17 zł
Arduino Mega 2560
Arduino czytelnikom bloga nie trzeba przedstawiać. Pisałem o nim już 4 lata temu, a wersja Mega 2560 steruje wieloma urządzeniami w moim domu, kotłowni i garażu. Najkrócej rzecz ujmując, to platforma edukacyjna, która stała się z czasem czymś więcej. Powstają na niej nie tylko prototypy, ale jest też podstawą do budowy wielu urządzeń, czego drukarki 3d są najlepszym dowodem. Oczywiście Arduino nie jest jedynym wyborem. Istnieje wiele różnych sterowników do drukarek. Część z nich jest powieleniem platformy Arduino z dodatkami na jednej płytce, część jest dużo bardziej rozbudowana, oparta o 32-bitowe procesory. Dla mnie jednak Arduino, z racji doświadczenia było naturalnym wyborem. Chociaż nie bez znaczenia był też fakt, że wolne Mega 2560 miałem w szufladzie, a co za tym idziej, nie musiałem go kupować.
O wyborze „firmware” dla drukarki napiszę przy innej okazji, natomiast sam proces programowania układu już opisywałem.
Ramps 1.4
Ramps, to nic innego, jak nakładka (shield) do Arduino Mega. Idea nakładek jest prosta – na układ bazowy nakładamy warstwowo kolejne specjalizowane dodatki – taki był zamysł twórców Arduino. Opisywałem nawet tworzenie własnego shilelda. Mamy więc Ramps 1.4, który rozszerza możliwości Mega 2560 o sterowanie drukarką 3d, w tym silnikami krokowymi, które wymagają dodania stepsticków. Tworzy nam się więc rodzaj „kanapki”.
Co zawiera Ramps z punktu widzenia użytkowego? Styki do podłączenia zasilania, silników krokowych, termistorów, grzałek, krańcówek. Ma też złącza dla wyświetlacza LCD z czytnikiem kart SD i przyciskami. Całością oczywiście nie steruje Ramps, tylko Arduino, które z kolei można podłączyć do komputera przez USB, jak tradycyjną drukarkę. Mając jednak czytnik kart SD można drukować także bez komputera, co jest bardzo dobrym wyborem.
Cena Ramps 1.4 z przesyłką z Chin – 18 zł
Głowica
Głowica jest bardzo istotnym elementem dla jakości druku 3d. Nie dziwi więc, że wybór jest duży, a ceny zróżnicowane. Ja na razie wybrałem tanią, chińską głowicę, z założeniem, że być może w przyszłości wymienię ją na polski produkt – Lamę 3d. Do czego służy głowica? W skrócie – do stopienia materiału z którego drukujemy. Dzieje się to w temperaturze do nawet 260 stopni Celsjusza, zależnie od materiału. Następnie stopiony filament przeciskany jest przez dyszę i tworzy wydruk. Dużym wyzwaniem dla głowicy jest też to, żeby filament stopił dopiero w końcowej części głowicy. Wcześniejsza część (zimny koniec) nie może się za bardzo rozgrzać, żeby tworzywo nie stopiło się za wcześnie i nie zatkało głowicy. Stąd też w nowych konstrukcjach występują duże radiatory i wentylatory chłodzące początkową ich część. Za rozgrzanie gorącego końca odpowiada grzałka – rezystor grzejny. Bardzo ważne jest utrzymanie stałej temperatury bloku grzejnego, dlatego trzeba także mierzyć temperaturę – służy do tego termistor.
Wybierając głowicę trzeba zwrócić uwagę na kilka parametrów:
- dla jakiej śrenicy filamentu (materiału, z którego drukujemy) jest przeznaczona – w tej chwili standardem jest 1,75mm, choć dostępne są też wersje 3mm
- jaka jest średnica dyszy – ja wybrałem 0,5mm
- jakie jest mocowanie głowicy – czy jest przystosowana do ekstrudera bezpośredniego (np. Wade), do którego montowana jest głowica, czy ekstruder jest montowany dalej, na końcu elastycznej rurki teflonowej (Bowden)
Chińska głowica z grzałką, terminstorem, dyszą i wentylatorem – 23 zł
Ekstruder
Filament sprzedawany jest w zwojach nawiniętych na szpulę. Żeby drukarka drukowała, musi być jakoś dostarczony do głowicy drukującej. Służy do tego ekstruder, czyli wytłaczarka. Jest on wyposażony w silnik krokowy, dzięki któremu ma dostarczyć dokładnie odmierzoną ilość filamentu do głowicy. Konstrukcje ekstruderów, jak i materiał wykonania są bardzo różne. Ja prawdopodobnie zdecyduję się na popularny, drukowany ekstruder Wade, ale jeszcze niczego nie przesądzam. Tego elementu jeszcze nie zamówiłem.
Stół grzejny
Grzanie stołu, skurcz materiału, klejenie się wydruku do stołu i jego odklejanie po zakończeniu to tematy nieśmiertelne i poruszane bardzo często na forach dyskusyjnych. Stół, na którym drukujemy, podgrzewa się, żeby zminimalizować skurcz i odkształcanie rozgrzanego materiału z zimną powierzchnią. Dodatkowo wpływa to na trzymanie się pierwszej warstwy obiektu, co bezpośrednio wpływa na jakość (a nawet powodzenie) wydruku. Temperatura stołu powinna być dopasowana do materiału, z którego drukujemy i nie wszystkie rodzaje filamentu tego wymagają. Stół MK2B, bo taki kupiłem, przykrywa się jeszcze szybą, którą planuję zamówić u szklarza.
Stół MK2B z przesyłką z Chin – 26 zł
Wyświetlacz LCD z dodatkami
Wyświetlacz LCD w drukarce nie jest elementem obowiązkowym, jednak bardzo zalecanym. Do drukowania wystarczy komputer ze złączem USB. Ekran LCD pozwala śledzić parametry wydruku, a poza tym zwykle jest wyposażony w pokrętło, przyciski, głośnik i czytnik kart SD. Dzięki temu możemy też zmieniać parametry wydruku a nawet drukować bez użycia komputera. Jest to bardzo praktyczne, bo wydruk może długo trwać, a dodatkowo, co może być nieco zaskakujące, transmisja przez USB nie zawsze jest w 100% płynna, co może wpływać na jakość wydruku.
LCD dla Ramps z przesyłką z Chin – 31 zł
Wyłączniki krańcowe
Gdy włączamy urządzenie, nie ma ono informacji w jakiej pozycji (x, y, z) znajduje się głowica drukująca. Aby to sprawdzić, drukarka uruchamia silniki krokowe aby dotrzeć do pozycji zerowej. Skąd wiadomo gdzie ona jest? Na końcu każdej z osi zamontowane są tzw. endstopy, czyli urządzenia, które przekazują elektronice sygnał o dotarciu do krańca osi. Od punktu zerowego drukarka może już ustawić głowicę w dowolnym punkcie, z dużą precyzją.
3 sztuki wyłączników krańcowych z przesyłką – 4 zł
Termistory
Termistor to rodzaj termometru – ma przekazać elektronice informacje o temperaturze głowicy (hot-endu) i stołu. Pozwala to dostosować energię dostarczaną do grzałek dla utrzymania wymaganej temperatury. Warto zaznaczyć, że grzanie nie odbywa się już z użyciem tradycyjnego termostatu i strategii włącz gdy za zimne, wyłącz gdy za ciepłe. Używany jest zwykle algorytm PID, który dostosowuje poziom grzania do aktualnego zapotrzebowania na energię i różnicy od temperatury zadanej.
Termistor działa na bardzo prostej zasadzie – zmienia swoją oporność w zależności od temperatury. W jaki sposób i jakie są wartości rezystancji, to już zależy od typu termistora. Dlatego oprogramowanie sterujące musi mieć informację, jakie termistory zostały użyte. Pomiar temperatury wykorzystuje mechanizm prostego podzielnika napięcia, przy znanym jednym z oporów (drugim jest termistor) i pomiarze napięcia wynikowego. Z tego względu jakość pomiaru temperatury zależy (poza jakością samego termistora) od jakości/przewidywalności napięcia referencyjnego.
5 termistorów z przesyłką z Chin – 6 zł
Prowadnice, śruby trapezowe, pręty gwintowane, łożyska, paski
Poza ramą, głównym elementem konstrukcyjnym są prowadnice (gładke pręty), po których poruszają się wózki i stół na łożyskach liniowych. Napęd z silników krokowych przekazywany jest albo przez zębatkę i pasek (osie x i y) albo przez pręt gwintowany/śrubę trapezową i nakrętkę (oś z). Ten temat z pewnością pojawi się jeszcze w kolejnych wpisach przy relacji z budowy.
12 łożysk liniowych LM8UU z przesyłką z Chin – 24 zł
5 łożysk 608ZZ z przesyłką z Chin – 8 zł
2m paska GT2 i 2 koła zębate do silników krokowych z przesyłką z Chin – 12 zł
Wałki liniowe z pocięciem i przesyłką – 83 zł
Zasilacz
Najpopularniejszym napięciem wykorzystywanym do druku jest 12V, choć na znaczeniu zyskują też rozwiązania oparte o 24V (do grzałek). Dlatego do drukarki 3d potrzebny jest wydajny zasilacz dostarczający około 20 amperów prądu o napięciu 12V. Początkowo popularne były zasilacze komputerowe ATX, ze względu na dostępność i cenę. Potem pojawiły się dedykowane zasilacze o wydajności 20-30A. Ja wybrałem zasilacz DA-2 firmy Dell, mający do zaoferowania 18A prądu, a służący pierwotnie do podłączenia małych komputerów stacjonarnych tej firmy. Powinno wystarczyć.
Zasilacz DA-2 12V 18A – 31 zł z przesyłką
Podsumowanie
To chyba wszystkie ważniejsze elementy, z których zbudowana jest drukarka 3d. Pozostały na pewno drobiazgi jak przewody, osłonki, śruby, itp. W tej chwili czekam na dotarcie śrub (bo z wygody zamówiłem je on-line). Nie doszły też jeszcze wszystkie elementy z Chin, natomiast to śruby chwilowo wstrzymują dalsze prace.