Самодельный принтер на SCARA механике
Что было не так
Что было не так c предыдущим принтером:
- Шум — заглушал телевизор
- Размеры — 40×30x80 на стол не поставить (не влез даже на балкон, точнее влез, но катушка с пластиком уже не влазила)
- Вес — 8 кг (частично из за Nema23 и тяжелых мебельных щитов)
Что мне хотелось
Шум — убрать шум на минимум (в идеале только звук шаговиков в 32 микрошаговом режиме). Один из самых громких источников шума в дельта механике это линейные направляющих и линейные подшипники, в природе лечится рельсовыми направляющими или нехитрой конструкцией с алюминиевым профилем и подшипников скольжения одетыми в оболочку (Kossel). Как по мне, в вертикальном состоянии линейные подшипники и линейные направляющие работают не в правильном режиме.
Размеры — хочется принтер который легко умещается на стол с творческим беспорядком. Далее — размер печатной области должен быть не меньше чем 10×10x10+.
Почему я решил пожертвовать размерами печатной области —, а потому что за полгода почти каждодневной печати мне не разу не понадобилось напечатать что то больше, чем 10×10. Я принял решение что мне этой области хватит с головой и даже останется.
Также, на прогрев области 10×10 надо в 4 раза меньше мощности блока питания, а это позволяет использовать обычные внешние блоки питания — я влез всего в 60ватт (с подогреваемой платформой), у меня 8.5A 12v. Большим плюсом является внешний блок питания, который лежит под столом и не занимает место.
Вес — предыдущий параметр уже позволяет серьезно уменьшить вес, плюс укороченные Nema17 (меньший момент, но это не проблема). Cтруктурная сложность для небольших конструкций достигается легче и легкими материалами.
Механики которые я рассматривал
XY Gantry
Не подходила по размерам — шаговик + каретка по одной оси это минимум 10+ сантиметров пространства, структурная стабильность также вызывала сомнения. Линейные подшипники должны быть разнесены (на мой взгляд ~7–9 сантиметров не используемого пространства.
HBot and CoreXY
Размер чуть меньше чем в предыдущем варианте. Структурная стабильность тут тоже также вызывала сомнения, плюс добавляется сложность с созданием перекосо-устойчивости (для данной механики это очень важно) так и с равномерным натягом ремня.
Delta
Один у меня уже был, но даже в уменьшенном виде размеры меня бы не устроили — три Nema17 длиной 71 мм (47+24) ориентированные под 60 градусов и 10×10 см рабочая область явно превышали 20 сантиметров в диаметре.
Articulated arm
Это моя мечта —, но явно есть технические сложности с geabox без люфтов — пробовал печатать многие типы и всеми остался недоволен — последняя надежда на Harmonic drive (именно такой тип используется в промышленном оборудовании)
Polar
Тоже интерсная механика, даже проделал небольшую работу (на самом деле не то чтобы чистая полярная, в интернете встречал название «биполярная»), но отложил на будущее. В основном из за того что была найдена механика которая показалась мне несколько более перспективней. Из минусов полярной — сложность масштабирования, дополнительные затраты на передачу сигналов на вращающуюся платформу, структурная сложность одной из «оси».
SCARA
Вот на этом и остановился, точнее на варианте который в интернете имеет название — 5 bar parallel robot (хотя в википедии он описан в SCARA).
Тут меня устроило все:
- Вес
- Размер
- Шум
- Масштабирование — изменил длину рычагов и размер платформы и вот мы имеем большую область печати
- Возможность использовать aliexpress-стандартные детали
- Структурная сложность выглядела достижимой
- И хотелось чего то футуристического
Разработка
Вооружившись OpenScad я начал разработку.
Вся разработка opensource и найти её можно на github.com/pavlog/sscara
Далее я опишу ключевые моменты данной механики и выскажу свои мысли почему было сделано именно так или почему так делать не надо.
Редуктор
Самое важное в любом принтере это точность печати. Расчетная длина рычагов у меня получалось 150 см —, а это давало на максимальном радиусе длину хорды в 4.712 мм (без микро шага, для 1.8deg шаговика). При использовании микро шага 32 (DRV драйверы позволяют это сделать) получалось уже 0.147 мм, что в принципе еще нельзя можно назвать достаточным для хоббийного принтера (я считаю что максимум это 0.1mm. Также внушало опасение, что потеря крутящего момента шаговика на таком микро шаге будет приводить к проблемам. Было решено что оси будут крутится не напрямую, а через редуктор.
Перепробовал очень большое количество всяких схем и типов — все не подошло — в основном из-за люфтов, либо шансов на появления люфтов из за износа. Как оказалось — чем проще, тем лучше. А самым простым вариантом оказалась ременная передача. Просто и без люфтов.
Выбрав передаточное отношение 1 к 5 (и 32 микро шаг) у меня получилось худшая точность позиционирования равная 0.029 мм (чего более чем достаточно).
Рычаги
SCARA может иметь как два рычага так и 4. От схемы с двумя отказался сразу — вешать шаговик на вынос это неправильное решение (в таких решениях используются двигатели постоянно вращения с энкодерами, также жесткость явно не для пластика). А вот четырех рычаговая система выглядела достижимой и не очень сложной.
Как выглядело сначала
Хот енд
Экструдер пришлось переделать — вариант с пружинкой (на две фотографии выше) хоть и прикольно смотрится, но явно не работает (не хватает прижимной силы), использовал стандартную схему.
Собрав данную конструкцию и приступив к тестирования сразу стало понятно что Хот энд из PTFE (фторопласт) жить долго не может — рано или поздно его выдавливает из нагревательного блока, осложнялось это еще и тем, что 10 мм отверстие, где соединялись рычаги не подходило к стандартным китайским экструдерам. Придумывая все более и более замысловатые экструдеры, я понял, что это путь в никуда. Решил решать задачу не силойб, а умом, а именно — подходить должен любой экструдер, который можно купить, значит должна быть планка крепления экструдера любой формы. Добавил небольшое ответвление от одного из рычагов и повернув его на десяток градусов — проблема решилась, но пришлось еще немного модифицировать прошивку (прошивка в директории Software/Marlin).
Как получилось
Прикрутил аналог E3DV5 — и все заработало. В процессе калибровки выяснилось, что толщины рычага явно не хватало, они прогибались — был утолщен рычаг, а для силовых рычагов были сделаны двойные рычаги с возможностью регулировки натяжения.
Двойные рычаги
И настройка натяжения
Z Ocь
Самое грустная часть повествования. Тут я допустил все ошибки, которые можно было допустить. Основная — это использования одного линейного подшипника на каждую линейную направляющую. Правильно — по два на каждую. Ну и в общем, ось z немного болтается —, но так как платформа связана с осями рычагов — то болтаются они как одно целое и болтание не дает проблем.
Ось Z это то, что надо переделывать полностью. В процессе эксплуатации вылез z wobbling. 4 линейных подшипника и система натяжения ремня должны помочь. Крепление должно быть модульное — сейчас, чтобы добавить или улучшить что то, надо разбирать пол верхней части.
Электроника
Ramps 1.4+DVR8825+HC05 уже зарекомендовавший себя тандем (вот только ардуиновский регулятор на 5в явно слабый — был заменен на lm7805).
LCD модуль — RepRapDiscount Smart Controller — грустно, но все репраповские модули очень большого размера и их втискивание — самое большая сложность дизайна (c учетом того, что все что есть можно было уместить в 1.5 раза меньшую площадь).
Блок питания — внешний с разъемом DC Jack — 12v 8.5A. Потребления больше 60 ватт зарегистрировать не получилось (это с нагреваемым столом).
Подогреваемый стол — 12×12cm. На алюминиевую пластину, с помощью каптонового скотча, было приклеено 80cm 0.4 нихрома и накрыто 4 мм стеклом. За 5 минут нагрева дают ~95 градусов (по показаниям термистора). Этих градусов и обезжиривания достаточно, чтобы печатать ABS (на видео была температура 60 и сахарный сироп, сейчас просто спиртом протираю перед печатью).
Рядом с 13» Macbook.
Прошивка и исходники
Все на GitHub. Модифицированный Marlin в директории Software/Marlin)
Что надо переделать/улучшить
- Ось Z
- Передаточное число (думаю 6–9 максимум)
- Ремень крепить прямо к большим шестерням, и вывернутым на изнанку
- Модульность
- Немного жесткости
- Уменьшить размер —, но сохранить параметры рабочей области
- Уменьшить вес — чуть тоньше Nema17 (-1 см)
Цена
51$ — 5 Nema17 (1 про запас останется)
32$ — Ramps 1.4+5 Dvr8825+LCD (1 drv8825 остается про запас)
7$ — E3DV5(китайский) под боуден, c метровой трубкой (пол метра останется про запас)
2$ — шестерня для экструдера
6$ — шестерни для gt2 ремня и gt2 ремень
5$ — 6 мм направляющие (2×20 см) и 12 линейных подшипников (а надо 4)
~8$ — подшипники качения+нихром+крепеж+алюминиевые уголки+мелочевка
10$ внешний блок питания 8.5A 12V
Итого: 120$ (с учетом блока питания, но без учета пластика для печати — ориентировочно ~200 грамм)
P.S. Не просите примеров печати — Z wobbling портит всю картинку (по XY все очень качественно) — когда закончу v2 сделаю обзорный тест качества (и возможно даже сравню с M3D). V1 — это Proof of Work.
P.S.2 До сих пор не получил свой M3D.
