Самодельный принтер на SCARA механике

Что было не так

Что было не так c предыдущим принтером ^[1]:

• Шум — заглушал телевизор
• Размеры — 40x30x80 на стол не поставить (не влез даже на балкон, точнее влез но катушка с пластиком уже не влазила)
• Вес — 8кг (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 10x10x10+.
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 10x10. Я принял решение что мне этой области хватит с головой и даже останется.
Также, на прогрев области 10x10 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 71мм (47+24) ориентированные под 60 градусов и 10x10см 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 ^[2] (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 ^[3]).
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 ^[4]
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 150см — а это давало на максимальном радиусе длину хорды в 4.712мм (без микро шага, для 1.8deg шаговика). При использовании микро шага 32 (DRV драйверы позволяют это сделать) получалось уже 0.147мм, 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 0.029мм (чего более чем достаточно).

Рычаги
SCARA ^[3] 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 10мм 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 — 12x12cm. На алюминиевую пластину, с помощью каптонового скотча, было приклеено 80cm 0.4 нихрома и накрыто 4мм 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 ^[4]. 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 (-1см)

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$ — 6мм направляющие (2x20см) 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.

Автор: PavloG

Источник ^[5]