Mechatronics Exercises

Workspace Navigation

3D-tulostin

You are viewing an old version of this page. View the current version.

Compare with Current View Page History

« Previous Version 15 Next »

Akseli Kjellberg

Jaakko Majuri


Valitsimme projektiksemme yksinkertaisen 3D-tulostimen valmistamisen. Tavoitteena on rakentaa hyvä ja toimiva 3D-tulostin mahdollisimman halvalla. Päätimme raknetaa karteesisen tulostimen, eli tulostuspää liikkuu karteesista korrdinaatistoa käyttäen, sillä kyseinen tulostintyyppi on selkein ja helpoin toteuttaa ja kalibroida. Tulostusalueen tavoitekoko on 300 mm x 300 mm x 400mm. Motivaationa projektille toimii tarve saada toimiva 3D tulostin halvalla.

Projektin suunnittelu aloitettiin pohtimalla ohjelmistoalustaa, jolle tulostin rakennetaan. Päädyimme valitsemaan Marlin 3D ohjelman, sillä se on monikäyttöinen, helppo asentaa ja hyvin dokumentoitu. Sähköisenä alustana päätettiin käyttää Arduino Megaa RAMPS 1.4 shieldillä, sillä se soveltuu erinomaisesti Marlin ohjelmiston käyttöön. Runko rakennetaan 2020 alumiiniprofiilista, askelmottoreina käytetään NEMA 17 moottoreita, joita ohjataan A4988 askelmoottoriohjaimilla. Tulostuspääksi valitaan E3D V6, jota syöttää Titan ekstruuderi. Tulostuspää liikkuu x-akselilla hihnavedolla, samoin tulostusalusta Y-akselilla. Z-akselia ajetaan kahdella ruuvitangolla, joilla kummallakin on oma stepperi. Osa rakenteen tukipaloista tehdään itse, 3D-mallit näistä löytyy sivun tiedostoista.


Osat

Osan nimiHinta, €Muuta
Arduino, RAMPS, A4988 ja LCD21,33
5 x NEMA 17 stepperit31,42Max 1,5A
Tulostuspää E3D V68,3012V, 1,75mm tulostuslangalle
Titan ekstruuderi5,45Ilman moottoria
Lämmitetty tulostusalusta15,44300mm x 300mm, 12V
Virtalähde18,5312V 30A
Rajakytkimet 5kpl1,74
Hammastettu vetohihna2,345m pitkä, 6mm leveä
Hihnan väkipyörät 5kpl1,5920 hammasta, 5mm akselille, 6mm hihnalle
Lineaarilaakerit6,59Tulostuspedin liikuttamiseen, 8mm akselille
Liukutangot 2kpl8,40Tulostuspedin liikuttamiseen, Ø8mm, 550mm
Kytkentäpala 3kpl3,54Ø5mm → Ø8mm, yksi varalla
Moottorikiinnike 2kpl3,3390 astetta
Moottorikiinnike 3kpl3,87Suora
Kierretanko 2kpl11,902mm nousu, L=450mm, Ø8mm, lyijy
Kierretangon ohjainkiinnike3,51Ø8mm
2020 V-alumiiniprofiili41,293 x 450mm, 3 x 400mm, 2 x 550mm
Kulmakiinnike profiilille, 20kpl7,08
Tulostusspään kelkka6,96

V-ura profiilille

Muttereita, lajitelma8,76V-ura profiilille
Tukipyöriä 10kpl5,93V-ura profiilille
Tulostusalustan korkeudensäätöruuvit ja jouset1,07M3 uppokanta
Tulostuslanka20,841,75mm PLA 1kg
Yhteensä239,21


Yllä mainittujen lisäksi tulostimeen pitää itse valmistaa välilevy, johon lineaarilaakerit ja tulostuspedin kiinnikket kiinnittyvät, tulostuspään välipuomin Z-suuntaisen liikkeen mahdollistavat liitoskappaleet, rungon liitoslevyt tilattujen kulmakiinnikkeiden lisäksi, sekä kiinnikkeet liukutangoille. Alkuperäinen tarkoitus oli valmistaa itse tehtävät osat koululla 3D-tulostimella ja laserleikkurilla. Lisäksi tarvitaan kasa pultteja, prikkoja ja muita kiinnitystarvikkeita.


Osat tilattiin hyvissä ajoin Aliexpresistä Kiinasta, jotta printterin kasaus ja testaus voidaan aloittaa ajoissa. Kuitenkin koronatilanteen eskaloituminen johti siihen, että monen osan toimitus viivästyi, eikä kaikki ole vieläkään saapuneet. Näin ollen printteriä kasatessa jouduimme käyttämään runsaasti luovuutta ja tekemään osia itse, sekä soveltamaan. Virtalähteenä lopullisessa kokoonpanossa toimii tietokoneen ATX virtalähde, josta 12V linjat on otettu käyttöön ja ohjaus toteutettiin PSU_ON pinnin avulla RAMPSilla. Ohjauselektroniikka jouduttiin tilamaan Saksan Amazonista, sillä Kiinasta tullut lähetys hukkui matkalle. Lyijyruuvitangot korvattiin rautakaupasta ostetulla DIN 975 M8 ruuvitangolla, joka ei ole aivan ideaali, sillä sen pyörimiskitka lyijyiseen tankoon verrattuna on suurempi. Runsaalla öljyllä haitta kuitenkin saatiin minimoitua. Sileät terästangot ja lineaarilaakerit jouduttiin korvaamaan niin ikään rautakaupasta saatavilla alumiinitangoilla (8mm terästankoa ei ollut varastossa) ja vanerinpaloilla, joista varsinkaan jälkimmäinen ei ole optimaalinen ratkaisu, mutta toimiva. Alumiiniprofiileista emme myöskään saaneet kaikkia, 550mm profiilit korvattiin kotona mittaan höylätyllä koivupaloilla. Moottorien ja ruuvitankojen kytkentäpalat tehtiin itse terästangosta pylväsporalla. Välilevy tehtiin myös itse, olosuhteiden pakosta käsin kulmahiomakoneella ja poralla, samoin kuin suorat stepperikiinnikkeet. 3D-tulostettavat osat tulostutin isoveljelläni.

Tärkeimmät osat. Humiona koivusta höylätyt kapulat, jotka korvaavat ei-saatuja alumiiniprofiileita.

Rakenne

Tulostimen runkorakenne on hyvin yksinkertainen. Runko koostuu alumiiniprofiileista, jotka liitetään toisiinsa kulmatuilla ja 3D-tulostetuilla tukipaloilla. Tulostuspää liitetään Z-suunnassa liikkuvaan profiiliin, joka liikkuu tulostettujen kiinnikkeiden ja niihin kiinnitettyjen rullien avulla profiilia pitkin.


2020 alumiiniprofiilin poikkileikkaus  

Alumiiniprofiilin poikkileikkaus                  Printterin rungon malli 

 

  Tukipala rungon pystysuoran osan kiinnittämiseen


Lämmityselementti ja pursotuspää kulkee kelkkaa pitkin alumiiniprofiililla, joka kiinnitetään rungon pystyputkien väliin 3D-tulostetuilla tuilla, joissa on rullat. Tämä mahdollistaa koko tulostuspään liikuttamisen pysty suunnassa (Z-akseli). X-akselina toimivaan profiiliin kiinnitetään myös stepperi, jolla liikutetaan tulostuskelkkaa, X_MIN rajakytkin, sekä kulmatuet, jotka toimivat tukipisteinä Z-akselin kierretankojen muttereille. Mutterit sopivat mainiosti kulmatukien sisään, joten niitä ei tarvinnut erikseen kiinnittää pyörimisen estämiseksi (kuvat alla).

 


X-akselin kiinnityksen ja liikuttamisen detaljeja.


Kun rungon pystysuora osa saatiin kasattua, oli aika rakentaa vaakasuora osa. Koivusta valmistettuihin maalattuihin tukipalkkeihin porattiin reiät tarvittaviin kohtiin, ja kiinnitykseen käytettiin ruuveja ja M5 pultteja. Vaakasuoran rungon väliin asetettiin alumiinitangot, joilla tulostuspeti osineen liikkuu. Tangot sahattiin oikean mittaisiksi, jolloin ne eivät liiku edes takaisin runkoprofiilien välissä. Näin ollen kiinnitykseksi riitti ratkaisu, joka pitää tangot paikallaan sivu- ja pystysuunnassa. Samalla rakennettiin kiinnikkeet ja kiristin hihnavedolle, joka liikuttaa tulostusalustaa. Kiinnikkeet leikattiin ja porattiin tehtiin itse teräksestä (pl moottorin kiinnike), koska muita valmistusvaihtoehtoja ei vallitsevan tilanteen vuoksi ollut saatavilla. Lopputulos kuitenkin osoittautui toimivaksi ja hyväksi.

Z-akselina toimivien ruuvitankojen moottorit kiinnitettiin paapalkkeihin ruuveilla ja itsetehdyillä kiinnikkeillä. Myöskin moottorin ja ruuvitangon kytkentäpala jouduttiin tekemään itse. Ratkaisu toimii, mutta ei ole optimaalinen, sillä itse tehty kytkin ei jousta.

Elektroniikka

Alustana projektille toimii Arduino Mega 2560, sekä siihen liitetty shield, RAMPS 1.4. RAMPS tarjoaa erinomaisen alustan tulostimen rakentamiselle, sillä se on suunniteltu ohjaamaan useampaa askelmoottoria, sekä lämmityselementtiä. RAMPSiin liitetään suoraan askelmoottorien ohjaimet, jotka rajoittavat moottereille syötettyä virtaa ja toisaalta huolehtivat moottorin mikroaskelluksesta. Lisäkis RAMPSiin saa yhdistettyä useamman lämpötila-anturin ja rajakytkimen. Käytimme projektissa A4988 askelmoottoriohjaimia, jotka kalibroimme rajoittamaan virran 1,5A, poislukien Z-akselin moottorit, joita ohjaa vain yksi ohjain. Näin ollen tämän ohjaimen virtarajaa nostettiin. Kalibrointi suoritetaan kytkemällä ohjain jännitteeseen (Arduinon 5V) ja mittaamalla  säätöruuvin, sekä maan välinen referenssiännite. Haluttu jännite, kun mootterien maksimivirta tiedetään, saadaan kaavalla Vref = Im * 8 * Rsense, missä Vref  on haluttu mittaustulos, Imoottorin maksimivirta ja Rsense = 0,068Ω. 1,5A moottoreille sopiva referenssiarvo on 0,810V.

Referenssijännitteen mittaus

Moottereiksi valitsimme NEMA 17 17HS4401, joissa askeleen koko on 1,8 astetta (200 askelta per kierros), jotka kytketään suoraan RAMPSiin. Samoin tehdään muillekin osille rajakykimistä lämmitysvastuksiin. RAMPS, kuten muutkin shieldit, asetetaan Arduinon päälle suoraan sen pinneihin.


  

        

         Kytkennät RAMPSiin


Kykentäprosessi oli hyvin simppeli, käytännössä johdot kiinni ja testaamaan. Printterin host-ohjelmana käytimme Pronterfacea. Host tarvitaan, jotta PC ja Arduino voivat kommunikoida keskenään. Printterin ohjaus voitaisiin toteuttaa myös LCD-näytöllä, mutta sekin jäi saapumatta koronatilanteen takia. Koska käytimme ATX-virtalähdettä, oli oleellista selvittää, miten ATX 24-pin liittimestä saadaan 12V. Käytännössä tarkistimme liittimen pinlayoutin netistä ja irroitimme tarvittavat johdot liittimestä. Kolvasimme ne yhteen ja liitimme RAMPSiin. On hyvä huomioida, että vaikka ATX-virtalähde kykenee usein yli 30A virtaan 12V kiskosta, ei yksi virtalähteen johto kykene sellaista virtaa kuljettamaan. Siksi liitimme useamman johdon yhteen, lämmitetty tulostusalusta kun voi helposti syödä 20A, jos sitä lämmitetään täydellä teholla. ATX-liittimestä piti irroittaa myös PSU_ON pinni, joka ohjaa virtalähteen toimintaa. Toisin sanoen kun pinnin arvoksi asettaa LOW, virtalähde käynnistyy.  Alla kuva ATX liittimen layoutista.


Testaus

-Akselien suunnat

-Lämpötila-anturit

-liikerajat

-rajat

-kalibrointi

Pohdintoja

-LCD lisäys

-lineaarilaakerit

-lyijykierretangot

-tulostuspään kiinnityksen muuttamienn helpomman huollon takaamiseksi

-elektroniikan kotelointi ja kiinnitys

-värinän vähentäminen

  • No labels
No files shared here yet.