なんとか家を建てる

今年の冬は寒いですね。

わが家の工作室は、倉庫をモディファイしたものなのです。建物は、基礎の上に土台と柱が乗っているわけですが、わが家の倉庫は、倉庫内の換気を考えて、土台と基礎の間に、母屋と同様に換気スペーサーが入っていて、その隙間から外気が倉庫内にぞんぶんに入ってきます。倉庫としては、換気が良いのはとっても良いことなのですが、そのぶん、冬は冷気が入ってきてめちゃ寒いです。

3Dプリンターは樹脂を熱で溶かしてくっつけるようなプロセスでプリントするのですけれど、樹脂は温度による収縮が大きい材質なので、冷えると縮んで寸法がかなり変化しようとします。そのため、プリントしてから冷めるまでの温度変化が大きいと、樹脂の伸び縮みの影響で反ったり割れたりする可能性がある、というか、ここのところ、私の３Dプリンターは、低い外気温（もっぱら夜寝ている間にプリントをするので、2℃とかそんな感じ）の影響をもろに受けて、ほとんどのプリントが反りまくり割れまくりで使い物にならない状態でした。ヒーテッドベッドの温度を高めにしてみたりしたのですが、プリントした後冷めすぎるのは防げないようで、まさに失敗率100%的な感じでした。

Makerbot のプリンタなんかですと、プリンタの回りから冷気が流入しないようになっているのですが、私のは残念ながらおもっきりオープンな構造。

というわけで、どうしたものかなあ。。。改造するにしても、ちょっと簡単にはいかないなあ。せめて外気を入れない効果だけでも確かめたいなあとしばし思案した結果、

こんなソリューションを試してみました。

プリンタ全体を衝立で囲ってゴミ袋で覆っただけです。

簡単にメンテナンスできるよう、ごみ袋はガムテでできるだけ適当に留めてあります。

中の空間の温度管理はナシです。きっと薄くて断熱性のかけらもなさそうなごみ袋が絶妙な温度環境を実現するに違いない（と思う）という高度なエンジニアリングを実施しました。

この条件で、ヒーテッドベッドを105℃程度に設定し、プリントをしてみたところ、ひび割れも反りも全く見られなくなりました。素晴らしい！

いま、再び２号機の改造をしているところなのですが、今度の改造のメニューにプリンター内の温度管理ができるようにするのを追加しようと思います（とは思うものの、忙しくてたぶんできないので半年ぐらいはごみ袋で覆ってあるかも・・・）。

というわけで、樹脂の割れで困っている皆様、ごみ袋おススメです。

前回設計をした強力版ヒーテッドベッドを実装してABS樹脂でプリントをしました。

作り方

１．プリント基板のところ

プリント基板（PCB)は200x200mm のものと100x200mmのものにCNCルーターで切削をして作りました。

裏面にも銅箔がついていますがこちらは何もしないでそのままにしておきます。

パターンの幅は先ほどの設計の通り、幅4.5mm　18μmの厚さで全体で3オーム程度になる設計です。

真ん中にサーミスターの配線を通すためのパターンを後加工で作りこみましたが最初からJW_CADで図面に書き込んでおいた方がよかったです。

たくさん穴があいていますが、PCBを3mm厚のアルミ板に取り付けるためのM3ねじ用3.2mm径穴8個と、ベッドのレベリングのためのM4ねじ用4.2mm径穴3つです。ワッシャの径を考えて10mm直径をよけてパターンを作っています。

切削をしたら、100kオームサーミスターを取り付け、２枚の基板をつなぎますが、つなぐところに一応安全にも気を付けているということで、温度ヒューズを使っています（150℃程度）、まあ気休め。

サーミスターの絶縁や回路全体の保護を考えてポリイミドテープを貼ってとっています。

２．後ろの断熱層

PCBの下には熱を均一化させるとともに機械的な安定を取るために3mm厚のアルミ板を置き、上側には、6mm厚のコルクシート（ダイソーで購入）を挟み、3mm厚のシナ合板（手持ちの材料）でサンドイッチして、3mmの皿ネジ(長さ20mm）8本で固定しました。

温度ヒューズは太いのでさすがにコルクの層を切り欠かないとだめだった。

シナ合板で押さえたところ。ワッシャを一応入れています。

３．アルミ板

 

3mm厚アルミ板に取り付けるネジは皿ネジを使いますが、皿ネジ用にザグリを入れるのがめんどくさかった。

前のヒーテッドベッドの材料を使いまわしているので余計な穴がたくさんあいてます。

出来上がりはこんな感じ。サンドイッチをしているのですが、ネジを締めこむと、アルミ板が負けて曲がりましたので、緩めに締めておきました。アルミ板は5mmほど厚があった方がよい。

４．ガラス板その他

アルミ板の上には、平面を取るためにガラス板を乗せます。ダイソーのフォトフレームのガラス板は薄くてよい面もあったのですが、3mmのアルミ板とペアではガラスが曲がっちゃって平面を作るのが困難。4mmの強化ガラス板 (200x300mmで1200円程度)を調達して乗せたところ、結構いい感じ。ダイソーの41mm幅のクリップ２個で全体を押さえるとクリップの厚みとぴったり。

下側は３点支持に変更しました。ばね(0.9mm線径、長さ22mmの物をつかっています）を挟みますがばねの長さの関係でダブルナットでばねがかなり縮んだ状態でセットできるようにしています。ばねはほんとはもう少し強いものが良いのですが、近所のホームセンターで調達したのでこんなもんでした。

５．テストとABS樹脂での印刷

テストのため、ABS樹脂のフィラメントに取り替え、118℃にヒーテッドベッドを設定して、印刷をしてみました。

３DプリンタとノートPCが一緒にママさん机の上に乗せて作業できます。

ヒーテッドベッドの温度上昇を見てみましたところ、

こんな感じで、10℃ちょっとの周囲温度で１０分ほどで200x300mmの比較的広いプリント面を余裕をもって118℃に温めることができました（デューティ50%程度でしょうか）。30Vのヒーテッドベッド専用電源は伊達じゃない！

裏面を触っても、特に熱くないレベルで断熱できています。

Lucy the cat を印刷。

こんな広大なプリント面を118℃に設定している意味が全くないモデルですが、気にしない気にしない。

電気の無駄遣い感が半端ないです。A4の面積をプリントするとかでない限り、小さめのプリンターの方が精度その他全体的に良いでしょう。まあ、大きいプリンタがほしかったので私的には大満足なのですが。

ichibey さんのCORE CUBE SAKURA をベースに作成した２号機。

プリントできることを確かめた後、早速メカニズムをCORE-XYにアレンジしてみます。

私の理解が最初足りておらず、部品の一部を取り換えるだけで簡単にＣＯＲＥ－ＸＹ化できるのかなと思っていたのですが、実はそうでもなく、それなりの数の部品を設計しなおす必要がありました。

設計しなおした部品。

右からＹ軸のトレーラー（右側、左側）、Ｘ軸のトレーラー。Ｙ軸のトレーラーは、元々のCORECUBE SAKURAでは、H-BOTメカニズムのため対称部品で、右も左も同じだったのですが、ＣＯＲＥ－ＸＹメカニズムでは２つのモーターについているベルトは上下２層に展開されているため、同じ部品をひっくり返しては使えません。また、Ｙ軸のトレーラーのところのアイドラーの片方は、ＧＴ２ベルトの歯が当たるので、念のためＧＴ２ベルト用のプーリーに手を入れたものと、ミニチュアボールベアリングを組み合わせて歯付のアイドラーを作りました。

Ｘ軸のトレーラーのほうもベルトが２層になるので、ベルトの留め方を変更しています。でもこの写真のデザインは、ベルトのテンションの調整が難しいため、またデザインをし直しが必要。

その他、ベルトがＸ軸、Ｙ軸と垂直・平行となるようにアイドラーの位置やベルトの受ける位置などを細かく調整しています。

そんなこんなで、現状のＣＯＲＥ－ＸＹ化した２号機の姿はこんな感じ。

（ＣＯＲＥ－ＸＹとＨ－ＢＯＴは結構似ているので、パッと見違いが判らない・・・）

 

ベルトのアレンジメントが上の写真のように２層になっているので、手前のアイドラーも違う径のベアリング２個をスペーサーをはさんで重ねたような構成になっています。

改造をしましたので、改造の結果性能が上がったかチェックする意味で、スノボ女子のモデルを新旧両デザインのプリンタで印刷。

左がH-BOT、右がCORE-XY（サポート材の除去はまだ）. 実はあまり目立った違いがない。。。のですが、一番下の円盤はCORE-XYのほうがかなりきれいです。CORE-XYのメカニズムではガントリーがねじれにくいので円形の動きが滑らかになるのでしょうか。

まあ、メカニズム以前にＺ軸の固定など調整不足なところも残っているので、あまり改善したように見えない感じ。１か所メカを変更したら同じデータをプリント、というセッションを繰り返してメカニズムの改善を味わいながら改造を繰り返してみたいと思います。

前にdelta でやっていていまいちうまくいかなかった花瓶をプリント

さてと・・・・

２号機では印刷面の面積が200mm * 300mmと大きくなったため、印刷面を温めるのが困難で、今のところＰＬＡ樹脂しか２号機でのプリントには使っていないのですが、ＡＢＳ樹脂なども使ってみたく、ＣＮＣルーターで基板を切削して大型のヒーテッドベッドを作っているところです。

手元に200mm * 200mm の生プリント基板が２枚ありますので、２枚使って200mm  * 300mmの面積全体を温められるようにしたいと考えました。

（シリコンラバーヒーターを買うことなども考えましたが、タダでできるほうがよい！です）。

これまでの実験結果からプレートを120℃に加熱可能な設計を考えます。

まず、どの程度の容量のヒーターが要るか？を考えます。

今86W程度手持ちのヒーテッドベッドに加えて加熱したところ外気温10℃程度の条件で45℃程度が精いっぱいでした。ということで、２号機のヒーテッドベッドの熱抵抗を算出すると

(45-10)/86 = 0.4 ℃/W 程度となります。

裏面の断熱はほとんどされていない状態なので、熱抵抗かなり低いです。

100mm角のアルミ板の熱抵抗が4℃/W程度とのことなので、200x300mm の板の表裏で4/12=0.33 ℃/W程度から考えても変な値ではないので、ＯＫってことで、この熱抵抗の板の温度を120℃に持っていくための必要電力を考えると、

(120-10)/0.4=275 W必要ということになりますので、300W近く必要ということになります。

手元に30V, 12Aのスイッチング電源がありますので、これを使うことにしました。

ヒーテッドベッドの抵抗値は3.2オーム程度（280W消費)とするように200mm * 300mm の基板に電流を流すようにしようとするとだいたい4.4 – 4.5mm 幅の銅箔で基板一面にパターンを形成すればよいようです(プリント基板パターンの抵抗値計算をＷｅｂでやりました）。

ということで、JW-CADでそういう条件で図面を引いて、NCVCでＣＮＣルーターの切削データ(G-CODE）を生成して、切削したのが下のような感じです。

残りは基板の半分を切削して直列につないでそこに30V電源をつなげばＯＫ（とおもう）。

早くＡＢＳでもプリントしたいですが、とりあえず改造の日々は続きます。