3D принтер RepRap. Часть 3 - механика

Эта статья о сборке механической части 3D принтера RepRap Prusa Mendel. В ней будет описана сборка каркаса, установка двигателей, каретки, подвижного стола и т.п. Все что касается электронной части будет описано в следующей статье.

Сразу оговорюсь, что я не буду давать детальных пошаговых инструкций по сборке принтера. Во первых, это уже сделано до меня. Во вторых, подобные инструкции могут существенно отличаться в зависимости от комплектующих и конкретной модели принтера (например, если у вас комплект пластиковых деталей для Prusa Mendel iteration 2, то инструкции для iteration 1 вам не совсем подойдут). Вместо этого, я постараюсь описать процесс сборки в целом, а также некоторые трудности и подводные камни, с которыми столкнулся я сам.

Детальные инструкции по сборке можно найти на сайте проекта RepRap, например здесь (Prusa Mendel Iteration 1) и здесь (Prusa Mendel Iteration 2). Но т.к. RepRap является открытым, поддерживаемым сообществом проектом, то даже на официальном сайте (Вики) нередко можно найти ошибки, опечатки, и просто куски скопированной несогласованной информации. Поэтому здесь как нельзя кстати поговорка про "семь раз отмерь, один раз отрежь", так что перед тем как что-нибудь делать, не поленитесь перепроверить размеры лишний раз.

И на всякий случай напомню, что модель принтера которую собирал я - RepRap Prusa Mendel Iteration 2 (с небольшими изменениями), поэтому все размеры описанные в статье относятся только к ней.

Каркас (frame)

Каркас принтера состоит из стержней с резьбой диаметром 8мм, скрепленных с пластиковыми деталями с помощью гаек M8. Прежде чем начать собирать каркас нужно нарезать стержни до нужной длины (обычно стержни продаются кусками длинной в 1м, и легко режутся обычной ножовкой по металлу). Всего нужно 15 стержней:

• 6 стержней для боковых треугольных рамок (frame triangles).
• 2 верхних стержня, на которые крепятся моторы оси Z (top rods).
• 4 нижних стержня - два передних и два задних (lower rods for front and back side).
• 1 нижний центральный стержень, к которому крепятся направляющие оси Z (low center rod).
• 2 стержня которые используются как червяки для перемещения каретки по оси Z (Z rods).

Первым делом собираются две боковых треугольных рамки:

Боковая треугольная рамка

На этом этапе не стоит затягивать гайки, пусть все свободно болтается, выравниванием каркаса и затягиванием гаек займемся позже.

Далее, нужно подготовить пару передних и пару задних стержней, которые скрепят треугольные каркасы.

Передние стержни

Задние стержни

Скрепляем две треугольных рамки с помощью этих пар стержней:

Скрепление треугольных рамок

Устанавливаем два верхних стержня с площадками под моторы:

Установка верхних стержней

Теперь нужно установить нижний центральный стержень, но перед этим сделаю небольшое отступление. Есть два очевидных варианта установки этого стержня - снизу и сверху. Обычно вариант "снизу" более предпочтителен, т.к. стержень будет дальше от ремня, приводящего в движение стол. Однако, я был вынужден выбрать вариант "сверху", т.к. длины имеющихся у меня направляющих стержней для оси Z было недостаточно для варианта "снизу". Ремень оси Y действительно касается центрального нижнего стержня, но трения практически не возникает, поэтому не думаю что это является проблемой.

Установка центрального нижнего стержня

Теперь самое время выровнять каркас и затянуть гайки. Подробно этот процесс описан в вики RepRap как Tightening The Frame. Если вкратце, суть его состоит в коррекции (с помощью гаек) расстояний между вершинами боковых треугольников, и между самими треугольниками, так что бы оно максимально точно соответствовало необходимому. Что бы не возиться с линейкой, лучше заранее заготовить два куска деревянной реи (или чего-то другого, главное - прямого) необходимой длины (в RepRap Wiki эти приспособления называют jigs). Один будет использоваться для измерения расстояния между вершинами треугольников, второй - между самими треугольниками. Торопиться с этим процессом не стоит, т.к. кривой каркас может доставить много проблем.

Устанавливаем направляющие стержни оси Y. Если у Вас есть подшипники типа LM6UU то не забудьте одеть их на стержни перед установкой.

Установка линейных направляющих оси Y

Далее, необходимо собрать ось X. Сначала крепим подшипник к детали, которую обычно называют "X end idler":

X end idler с подшипником

И одеваем X end idler и X motor holder на направляющие стержни (не забываем про подшипники):

Сборка оси X

Теперь нужно собрать ось Z. Сперва необходимо выровнять принтер и центральный нижний стержень. Детально этот процесс описан, например, здесь, поэтому опишу только в двух словах.

С помощью строительного уровня подкладывая кусочки бумаги под ножки устанавливаем принтер полностью горизонтально (в двух плоскостях, не в одной). Далее, с помощью отвесов выравниваем центральный стержень оси Z так, что бы нить отвесов проходила точно через центры хомутов:

Сборка оси Z

Теперь продеваем направляющие оси Z через подшипники оси X, и крепим их с помощью зажимов (сверху) и хомутов (снизу):

Сборка оси Z

Следующий шаг в сборке оси Z - установка двигателей. Здесь есть небольшой нюанс: т.к. стержни с резьбой, которые используются как червяки для оси Z, могут быть не идеально ровными - при вращении их может заклинить. Что бы этого избежать я установил двигатели не жестко, а на небольших шайбах из шланга для аквариума (прозрачный силиконовый шланг диаметром около 5мм). Это дает двигателям немного свободы, и таким образом предотвращает заклинивание.

После установки двигателей нужно установить на место червяки оси Z. Процедура следующая (она одинакова как для X end idler так и для X motor holder, я опишу на примере X end idler): помещаем гайку снизу в шестигранный канал X end idler, сверху в шестигранный канал кидаем пружинку, и на нее кладем еще одну гайку. В верхнюю гайку вкручиваем стержень (который будет играть роль червяка), сжимаем пружинку с небольшим усилием,и продолжаем вращать стержень до тех пор, пока он не пройдет сквозь нижнюю гайку. Таким образом, пружина останется в немного напряженном состоянии, это помогает устранить нежелательный люфт.

Сборка оси Z

Последний шаг это соединение червяков с валами двигателей. Муфты, которые используются для этой цели, бывают разных конструкций. Мне достались вот такие:

Муфта для оси Z

Но ставить муфту на голый металлический вал не стоит, т.к. коэффициент трения у пластика с металлом небольшой - возможно проскальзывание, а оно приведет к очень плохим последствиям. Поэтому конец червяка я покрыл тонким двусторонним скотчем, а на вал двигателя одел все тот же шланг для аквариумов, предварительно нагретый с помощью фена.

Соединение червяка оси Z и вала двигателя

На этом сборка оси Z завершена:

Сборка оси Z

Осталось немного: установить двигатели осей X и Y, установить каретку, и натянуть ремень оси X. Ремень нужно натягивать так что бы он не провисал и не было люфта каретки, но, в то же время, натяжение ремня не должно затруднять движение каретки.

Установка каретки, двигателей, и натяжение ремня оси X

На этом сборка каркаса завершена.

Здесь я ничего не упомянул про сами двигатели, но они будут описаны в следующей статье, посвященной электронике RepRap.

Стол с подогревом для печати

В простейшем варианте стол для печати (print bed) может представлять собой квадратный лист металла или стекла, перемещающийся на подшипниках по направляющим оси Y, и приводимый в движение шаговым двигателем с помощью ременной передачи. Но, как правило, стол делают "двухэтажным". Первый "этаж", обычно выполненный из дерева, МДФ или композитных панелей, жестко закреплен на подшипниках. Второй этаж, на котором, собственно, и идет печать, удерживается болтами и пружинами над первым.

Подвеска стола

Такая подвеска позволяет легко варьировать высоту стола, а также выравнивать его положение относительно сопла экструдера.

Теперь о том зачем нужен подогрев стола. В RepRap Wiki подогрев стола представлен как необязательное улучшение, но я бы настоятельно рекомендовал его использовать, т.к. добиться приемлемого качества печати без подогрева стола может быть очень тяжело.

Подогрев стола необходим по двум причинам. Во первых, он повышает адгезию пластика к поверхности стола. Первый слой модели печатается прямо на поверхности стола, и необходимо что бы горячий пластик хорошо приставал к поверхности стола, а не тянулся за соплом экструдера. К нагретой поверхности пластик пристает существенно лучше чем к холодной. Во вторых, подогрев стола позволяет уменьшить разницу температур в разных частях печатаемой модели, и, таким образом, предотвратить её деформацию. Дело в том, что при печати модели (особенно большой) на холодном столе, её нижние слои начинают остывать еще до завершения печати (когда верхние слои еще горячие), а это приводит к тепловой деформации и выгибанию модели. При использовании подогрева стола температуру модели можно поддерживать высокой до завершения печати, после чего модель сама постепенно остынет, целиком.

Существует множество конструкций стола с подогревом, с некоторыми из них можно ознакомиться здесь. Самой популярной считается конструкция где в качестве нагревательного элемента используется специальная печатная плата, а в качестве поверхности для печати - стеклянный лист. Но мне такая конструкция не нравится. Во первых, такую печатную плату довольно тяжело изготовить в домашних условиях и от её качества сильно зависит равномерность нагревания, и то будет ли она греть вообще (т.к. сопротивление дорожек должно быть строго определенным, будет меньше - может сгореть блок питания, будет больше - не будет достаточно нагреваться). Во вторых, стекло - не самый подходящий материал для поверхности стола для печати, оно хрупкое, его легко разбить, да и от перепадов температуры оно может легко расколоться. Кроме того, стекло обладает плохой теплопроводностью, да и обеспечить хороший контакт между стеклянной пластиной и печатной платой - тоже непростая задача. Ну и в третьих, один из компонентов текстолита - эпоксидная смола - не самый полезный продукт, особенно при нагревании.

Немного поэкспериментировав, я остановился на следующем варианте. В качестве поверхности на которой идет печать я использовал лист алюминия толщиной в 3мм:

Алюминиевый лист с отверстиями под винты. Толщина 3мм.

Помимо очевидных преимуществ по сравнению со стеклом, таких как прочность, алюминий также обладает теплопроводностью на два порядка выше чем у стекла.

В качестве нагревательного элемента используются резисторы в алюминиевом корпусе (aluminium clad resistor):

Резисторы сопротивлением в 4.7 Ом

Обычно стол нагревают током в 10 ампер при 12 вольтах напряжения. Поэтому для нагрева стола можно взять 4 резистора емкостью в 4.7 Ома подключенных параллельно. Конкретно я использовал вот эти резисторы. Т.к. пайка алюминия это очень непростая задача, то для крепления резисторов к алюминиевому листу я использовал теплопроводный клей "Радиал", выдерживающий температуру до 300 градусов и, по заверениями производителя, не токсичный. Им же в центр стола приклеен термистор B57560G1104F.

Стол с подогревом

Есть небольшой нюанс с креплением проводов к резисторам. В процессе работы контакты резисторов могут нагреваться до температуры выше 200 градусов, поэтому если провода к ним просто припаяны обычным припоем - они отвалятся. Тугоплавкого припоя у меня не было, поэтому я использовал смесь скрутки и пайки - провода продеты в отверстия в контактах резисторов, скручены, и пропаяны. При нагревании припой размягчается, но провода не отваливаются, а припой обеспечивает хороший контакт.

Нижний "этаж" стола представляет собой лист MDF толщиной около 6мм. Как оказалось, купить MDF розницу у нас невозможно. Зато можно купить MDF панель для облицовки, снять рисунок, отшлифовать, и получить аккуратный кусочек MDF:

Кусок MDF для стола

После вырезания MDF нужных размеров нужно просверлить в нем отверстия для второго этажа стола, для крепления подшипников, для крепления ремня, флажка концевика оси Y (если вы используете оптический концевик), и отвода проводов. Непосредственно перед установкой нижнего этажа стола нужно обязательно выровнять направляющие оси Y так что бы они были строго параллельны друг другу.

Установка стола на направляющие

Теперь крепим флажок для концевика (я для вырезал флажок из текстолита, и прикрепил его на кронштейне из стальной проволоки):

Флажок для оптического концевика оси Y

И устанавливаем сверху, на пружинках, алюминиевый лист с резисторами:

Стол с подогревом

На этом пока работа над столом с подогревом завершена.

Экструдер

Экструдер является одним из самых важных компонентов, и, наверное, больше всего влияет на качество печати. Условно его можно разделить на две части: холодную (cold-end) и горячую (hot-end). Задачей cold-end является дозированная подача пластикового прутка в hot-end. А hot-end, в свою очередь, плавит этот пруток и выдавливает расплавленный пластик тонкой струйкой через свое сопло. Вариантов экструдеров очень много, некоторые можно посмотреть здесь и здесь.

В основном экструдеры рассчитаны на использование пластикового прутка диаметром 3мм или 1,75мм. Какой диаметр прутка лучше я затрудняюсь ответить. Сам я использую 3мм, поскольку его обычно проще достать. Главное - будьте внимательны и подбирайте cold-end и hot-end для прутка одного диаметра (3 или 1,75 мм). Если поставить hot-end рассчитанный на пруток 1,75 на cold-end рассчитанный на пруток 3мм - работать это не будет.

Итак, начнем с cold-end. Как я говорил, вариантов масса, но принцип везде используется один и тот же: шаговый двигатель через редуктор вращает вал с зубцами, к которым пружиной прижимается пластиковый пруток. Зубцы врезаются в пруток и при вращении вала проталкивают его в hotend. На момент написания этой статьи самым популярным был Wade's Geared Extruder, и его улучшенная модификация - Accessible Wade's Extruder (также именуемая Greg's Accessible Extruder). В мой комплект пластиковых деталей входил именно Greg's Accessible Extruder, поэтому и использовал я его. Он состоит из четырех пластиковых деталей (которые можно напечатать), также вам понадобятся три подшипника типа 608ZZ, небольшой (длиной около 1,5см) кусок стержня с резьбой, диаметром 8мм, болт с зубцами диаметром 8мм (о том как его сделать читайте ниже), гайки и шайбы M8.

Детали cold-end части экструдера

Теперь подробнее о болте с засечками (hobbed bolt). Его можно купить в магазинах комплектующих 3D принтеров, или сделать самостоятельно. Второй вариант мне кажется более разумным, т.к. болт имеет срок службы (засечки стираются), и лучше бы уметь делать болты самостоятельно, что бы без проблем менять их по мере надобности. Засечки можно нанести разными способами, о некоторых можно прочесть здесь. Самое главное - соблюдать технику безопасности при работе с инструментами, а особенно - с дрелью!

Я наносил засечки следующим способом. Сперва закрепил болт в дрели (как сверло), включил дрель, и приложив кусок старого полотна от ножовки по металлу, сделал небольшую царапину, глубиной где-то в 0,3мм. Затем, приложив к этой царапине круглый надфиль во время вращения дрели, сделал канавку, глубиной около 1,5мм. После этого, я зажал в тисках два подшипника 608ZZ на расстоянии примерно 3-4см друг от друга, вставил в них болт с канавкой, закрепил его гайкой, и прижал к канавке метчик диаметром 3мм который вставлен в дрель в качестве сверла (дрель была включена до прижимания метчика к канавке, в противном случае она сильно вырывается из рук при включении). Вращение метчика приводит к вращению болта и нарезанию аккуратных зубцов:

Болт с засечками

Когда болт готов остается только собрать cold-end:

Собранный Greg's Accessible Extruder (в открытом виде)

Теперь перейдем к hotend. С ними все намного разнообразнее - они сильно отличаются конструкциями, используемыми материалами, наличием или отсутствием активного охлаждения и т.п. Условно hotend можно разделить на четыре части (хотя некоторые части бывают объединены):

• Крепление к cold-end. Это та часть за которую hotend крепится к каретке или cold-end. Иногда на эту часть устанавливается пассивное (радиатор) или активное (куллер) охлаждение, во избежание плавления пластиковых деталей каретки или экструдера.
• Термобаръер (thermal break). Часть предназначенная для минимизации передачи тепла от нагревательного элемента вверх по hotend-у (к экструдеру). Часто изготавливается из PTFE (тефлон) или PEEK.
• Зона плавления (или зона перехода, или нагревательный блок). Часть hotend в которой происходит плавление пластика. Обычно представляет собой металлический блок с резистором в качестве нагревательного элемента и термистором, для контроля температуры.
• Сопло (nozzle). Обычно коническая деталь из металла, с отверстием из которого выходит расплавленный пластик. Диаметр отверстия сопла варьируется от 0,2 до 0,5 мм. Более предпочтительным является диаметр в 0,3-0,4 мм.

Рассматривать все варианты hotend-ов я не буду, на это нужна как минимум отдельная статья (с некоторыми вариантами можно ознакомиться здесь). Расскажу только про два варианта.

Есть класс hotend-ов в конструкции которых используются только металлические детали (обычно их называют all metal hotend). Представителями этого класса являются, например, E3D Hotend и Arcol Hotend. Как мне кажется, подобные hotend-ы наиболее перспективны: они более надежны, могут выдерживать более высокие температуры, и не содержат PTFE или PEEK в своей конструкции. Последнее для меня особенно важно, поскольку PTFE при нагревании выше 200 градусов выделяет токсичные соединения в воздух (но это не является проблемой если вы собираетесь печатать только PLA, температура плавления которого около 180 градусов).

Второй класс hotend-ов называется J Head. На самом деле это всего лишь разные версии одного hodend-а, но их настолько много что сейчас J Head это скорее некий класс hotend-ов. Конструктивно J Head устроен достаточно просто - нагревательный блок объединен с соплом, и выполнен в виде цельнометаллического куска фрезерованного из латуни или алюминия. Внутрь обычно вставляется трубка из PTFE (liner), с целью уменьшения трения прутка о стенки и предотвращения его преждевременного плавления. Термобаръер и крепление к cold-end тоже объединены и выполнены из PEEK. На момент написания этой статьи J Head был самым распространенным и проверенным hotend-ом, и отчасти поэтому я выбрал его (если быть точнее - J-Head Mk V-B). Для крепления к каретке я использовал вот это крепление фрезерованное из куска алюминия.

В качестве нагревательного элемента в hotend обычно используется резистор сопротивлением 5.6 или 6.8 Ома и мощностью 3-5 Ватт. В качестве термистора я использовал все тот же B57560G1104F.

J-Head, крепление, резистор, термистор, трубки из PTFE для изоляции

Собрать hotend несложно. Сперва приклеиваем на место резистор и термистор (я использовал все тот же теплопроводный клей Радиал). Затем одеваем изоляцию в виде PTFE трубок. На выводы резистора и термистора я обжал клеммы типа BLS и склеил их между собой.

Собранный J Head

Устанавливать hot-end и cold-end пока не нужно, сперва нужно будет откалибровать подачу прутка (об этом я напишу в следующих статьях).

Заключение

На этом пока всё. Следующая часть будет посвящена электронной части RepRap, а именно - управляющей плате, двигателям, концевикам (endstops), блоку питания и подключению всего этого. Возможно, такой стиль изложения выглядит несколько непоследовательным (ведь в этой статье я использовал двигатели, о которых речь пойдет только в следующей статье), но он мне кажется более структурированным и наглядным. Если о чем-то нужно рассказать более подробно - пишите в комментариях.