Каким должен быть 3D принтер

29.11.2016 Сайт https://anteh.ru

Мнение основанное на текущем опыте доработок и эксплуатации 3D FDM дельта принтера в течении полугода. Речь о том, как сделать доступный по цене 3D FDM принтер на что-то похожим.

При использовании распространённого решения на AtMega2560 + Ramps + Marlin, между FDM 3D пластиковыми принтерами с дельта и декартовой кинематикой есть интересное отличие. Оно связано с ограничениями в производительности управляющего контроллера, и поэтому Вы вряд ли видели дельта принтер с двумя хотэндами на Меga2560. У дельта принтера, при печати модели одновременно и очень активно работают 4 ре канала шаговых двигателей, у декартова только 3, ось Z двигается очень редко. Дельта принтер тормозит уже с одним хотэндом. Но решением является увеличение тактовой частоты до 24MHz и более. Это позволит убрать тормоза прошивки и добавить второй хотэнд дельта принтеру. И да, увеличение тактовой частоты тормоза убрирает и позволяет добавить второй хотэнд, но это порождает ряд других нюансов. При вертикальном перемещении появляются некие "рывковые" движения кареток, без пропусков. И, хоть, подбором скорости печати и тока шаговых двигателей эти рывковые движения убираются, на малых скоростях проблем нет, но цель печать на скорости хотябы 120мм/с на всю площадь стола, стол представляет круг диаметром 400мм. Пока причина рывковых движениях видится в мягкости ремней, их неравномерном и недостаточном натяжении. А каким должно быть натяжение ремня? Как измерить? Также, причиной рывковых движений могут быть драйвера и нюансы настройки прошивки.

1. Питание драйверов шаговых двигателей должно быть минимум 24VDC. Лучше использовать промышленные драйвера и напряжеие питания согласно эмпирической формуле, упомянутой в "Напряжение питания шаговых двигателей 3D принтера. Особенности разрешения на минимальном шаге". Допустимо использование A4988. Шаг дробления драйверов A4988, DRV8825 и пр. только 1/16. К промышленным драйверам, и главно, платам управления, это не относится.

2. Блок питания линейный, можно использовать опыт описанный в "Питание драйверов A4988 3D принтера от линейного трансформаторного блока питания напряжением 27VDC". Импульсный 24VDC тоже можно использовать, только мощность его нужно выбирать cущественной, минимум в 2 раза больше от расчётной. Особое внимание должно уделяться питанию.

3. Рама 3D принтера должна быть как можно жёстче, для 3D дельта принтера очень важно соблюсти точную геометрию. Алюминиевых профилей вполне достаточно.

4. Каретки X Y Z осей должны ходить по рельсовым направляющим. И вместо ремней нужно использовать ШВП. Ремень даёт минимум 0.1мм погрешности вертикального перемещения каждой из осей. Какая при этом получается погрешность горизонтального движения? При использовании ремней, для дельта принтера очень важным становится равномерное натяжение ремней, иначе печать большеразмерных деталей будет невозможна. Для декартова принтера натяжение ремней также важно, неправильное натяжение даёт целый букет проблем печати.

5. Крайне важно равномерное натяжение ремней для дельта принтера, особенно при печати больших можелей. Для декартова принтера неравномерное натяжение грозит минимум непропорциональностью печати модели.

6. Желательно, чтобы рабочая зона принтера была закрытой

7. Если будет доработана прошивка marlin, то желательно увеличить частоту кварца Arduino Mega2560 платы до 20 или 24МНz. Подробности в "Увеличение частоты кварцевого резонатора, платы управления FDM 3D принтера, Arduino AtMega2560 с 16 до 24MHz"

8. Обратить внимание на равномерность распределения температуры по столу и правильность выбора температуры стола, как в описывается в "Нагревательный стол 3D FDM принтера"

9. Желательно использование сильфонной муфты на XYZ осях может снизить резонансные явления. Зубчатые ремни желательно выбирать максимальной ширины.

10. При сборке хотэнда сопло вкручиваем последним, оно должно распирать резьбу термобарьера для жёсткой фиксации резьбовых соединений.

11. Нужно предусмотреть защиту от опускания сопла на стол и возможное повреждение хотэнда. Пока мысли сделать аппаратную защиту по току двигателей, если превышают некоторый порог, то считаем, что сопло упёрлось в стол, и/или использовать акселерометр на эффекторе, когда сопло тащит по столу, то эффектор сильно вибрирует.

12. Перепроверить настройки исходника прошивки принтера, связанные с его геометрией, произвести калибровку принтера с использованием щупов толщины и металлической линейки как описано в "Калибровка дельта принтера, прошивка marlin + AtMega2560". Контролировать результат, по получившемуся разрешению принтера, можно с помощью микрометра на штативе.

13. Калибровку делаем в ручную.

Кратко об основных параметрах принтера:

Наиболее интересные параметры- это количество STEP импульсов на миллиметр движения каретки и максимальная частота STEP импульсов обеспечиваемая контроллером. Для рассматриваемого принтера количество STEP импульсов на миллиметр =80. Подробная информация есть в "Точное определение количества импульсов на миллиметр. Увеличение разрешения 3D принтера, marlin. Взаимосвязь dropsegments и дробления драйвера шагового двигателя".

[количество импульсов на миллиметр для XYZ осей дельта принтера] = ([количество шагов на оборот шагового двигателя]*[шаг дробления])/([шаг ремня]*[количество зубьев шкива XYZ]). Пример (200*16)/(2*20)=80.
[количество импульсов на миллиметр для E экструдера] = (([количество шагов на оборот шагового двигателя]*[шаг дробления])/([наименьший диаметр в центре штока экструдера]*Pi))*1.1. Пример: ((200*16)/(7.2*3.14))*1.1~=155. Для осей декартова принтера всё то же самое.

Т.е Количество импульсов на миллиметр зависит от используемого шагового двигателя, от дробления шага драйвера двигателя, от шага ремня, от количества зубьев шкива.

Второй важный параметр -это максимальная частота STEP импульсов, которую может обеспечить контроллер. Для Arduino Mega2560 + RAMPS 1.4 + marlin максимальная частота 40kHz для каждого из 5 драйверов. Причём, при частоте STEP импульсов до 10kHz производится вычисление каждой точки, до 20kHz вычисляется только каждая вторая точка double stepping режим, до 40kHz вычисляется только каждая четветрая точка quad stepping режим. Самая точная печать будет при частоте STEP импульсов до 10kHz.

И очень важная цифра -это скорость перемещения кареток. Скорость = [частота STEP импульсов]/[Количество STEP импульсов нв миллиметр], например =10000/80=125мм/сек. Т.е. самая точная печать для выбранных механических параметров будет на скоростях до 120мм/сек.

Важным параметром является разрешение принтера по вертикали. За это отвечает параметр dropsegments в Configuration_adv.h прошивки marlin. Подробности в упомянутой выше статье. 50мкм более чем достаточно.

Для общего понимания: количество импульсов на миллиметр =80 т.е. естественно предположить, что разрешение будет 1/80= 12.5мкм, но нет параметр dropsegments уменьшает это разрешение до (dropsegments+1)/[количество STEP импульсов на миллиметр] в текущем случае, при 50мкм разрешения dropsegments=3. 4/80=50мкм. Т.е. реальное физическое дробление минимального угла поворота шагового двигателя будет =4, максимально применяемое физическое дробление угла поворота в промышленных драйверах составляет 10. Для 1.8 градусных дигателей при dropsegments=3 и микрошаге 1/16 минимальный физический угол поворота составит 0.45градусов, причём каждый из этих 4х физических углов поворота будет состоять из 4х микрошагов.

Считается, что минимальная оптимальная толщина печатаемого слоя должна составлять 0.2мм.

Для рассматриваемого дельта принтера, при питании дайверов шаговых двигателей 12VDC обнаружена погрешность по вертикали примерно 60мкм, при смене направления движения каждой из кареток. Например, каретка двигается вниз с шагом 50мкм, всё в порядке, затем даём команду подняться на 50мкм вверх и каретка подымается не на 50, а на 110мкм и последующие перемешения уже идут как нужно через 50мкм, если снова сменить направление вниз на 50мкм, то каретка переместится на 110мкм вниз.

Видео демонстрирующее результат, быстро работающий нешумящий 3D FDM дельта принтер.

Из доработок, которые нужно осуществить: установить второй экструдер, перевести Mega2560 плату на 24MHz, но для этого нужно разобраться с прошивкой, минимизировать погрешность вертикального перемещения кареток при смене направления движения, доработать точнее сделать новый стол с точечными нагревателями, предксмотреть защиту от опускания сопла на стол