月: 2014年11月

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。

 

 

 

構想を書いてから１か月以上過ぎてしまいましたが、2号機作りました。

倉庫が散らかっていて見苦しいですが。。。上から見たところです。

 

ベースは、ichibey さんのcorecube sakura rev. 3　を選びました。

これは、H-botスタイルのガントリーでホットエンドが駆動され、Z軸はmakerbot replicator やUltimaker 等でよく見られる、テーブルが上下するタイプです。

構想でも書きましたが、激しく動く必要のあるXYはなるべく軽い機構で動かせ、あまり動かないZは台形ネジでゆっくりしっかり動くというものを作りたいと思いました。

また、私の１号機はデルタプリンタを選びましたが、プリントの範囲を容易に拡大することができないので、プリント範囲を比較的容易に拡大できるこの構造を選択しました。

目標としては、A4の面積のプリントができるものを目指しています。そのため、ichibeyさんのblogの情報では300mm長のアルミフレームで組まれていますが、私はX軸の長さだけ450mmのアルミフレームを使って大型化しました。（後でも書きますが大型化には問題がなくはないです）。

部品の収集は、monotaro やaliexpress 、それからアルミ板やアルミLアングルなどは近所のホームセンター(Unidy)で行いました。

aliexpressで購入したものは、安く済ますために、ほとんどfree shipping を選択してのですが、本当に１月以上届くまでかかったものや、違う部品が届いたりしたものもあり、苦労しました。

Ichibeyさんのblogに様々な情報がありますが、部品表は明確に書かれていません。そこで私の製作では部品表を作りながらやっていて、ある程度めどがついたらここで公開できればと思っていますが、作りながらいろいろ変更を続けて今がある、という感じなので、なかなかこういうまとめ作業まで行きませんね。。。

また、部品も少し違っているところなどもありますので、そのため、追加部品をデザインしたりする必要がありました。

部品のデザインは、元ネタのstl ファイルがある場合は、sketchup でインポートしていじくってstl で出力するか、stl から寸法を測定して、ptc creo elements direct modeling express でモデリングしてstlで出力したりしています。stlをそのままいじるのは結構大変なので、結局最初からモデリングしたほうが良い結果が得られるように思います。機械部品などはたいてい単純な構造なので。。。

Ichibey さんのcorecube sakura との主要な違い（と私が考えているところ)は、

・エクストルーダーはボーデンタイプにしました。

これは、1.5倍に大型化しているので、X軸の荷重をできるだけ減らしたいので。フレキシブルフィラメントを使う場合には、ダイレクトでないと問題が出るようですが、私はフレキシブルフィラメント使う予定がない。前に部品を購入してほったらかしになっていたatom 用のエクストルーダーセットをようやく組み立てて、20mmアルミフレームに3mm厚アルミ板を介して取り付けました。

・ホットエンドは中華のe3dモドキを使用。

２個で38ドルという激安プライスにつられて購入しましたが、片方のカートリッジヒーターがいきなり焼き切れ、もう片方ユニットはサーミスターが取れてしまうというトラブルに見舞われましたので、いきなり二個イチです。本家のe3dのほうは、ヒートシンク冷却用のファンとエアーダクトなど必要なものがついてきますが、こちらのほうはついていないので、X軸トレーラーにホットエンドを取り付ける部品と合わせてデザインしてつけました。

・Z軸は300mmの8mm台形ネジを採用。

これは、aliexpress でナット込みで売っていたので。このあたりにガタが出ると厄介なので、普通のネジは使いません。下側のベアリングはmonotaroの8mmセットカラー２個でおさえました。

・２０ｍｍ角アルミフレームは、monotaroで売っている金具で組み付け。

この金具はかっちり組み付けするのには向いていません。スロットに少しでもはまるような構造ならいいのになあ。。。というわけでひと段落したらこの金具を少し改造して改良したいと思っています。フレームの直角が出るかで精度がかなり変わると思うのですが、今の構造だと調整がうまくやれない。

・ヒーテッドベッドは、CNCルーターで切削して製作したもの。

Z軸のテーブル回りはあまり参照するデザインが見当たらなかったので比較的苦労したところです。

こちら　のデザインをエッチングではなく、CNCルーターで切削して製作しました。

電源が12Vだと発熱量がこの大きさのテーブルだと不足です。60℃くらいなら今の設定で維持できていますが、ここは改良が必要。とりあえず、ヒーテッドベッドの下にダイソーのコルクコースターをはさんでいます（押えは、コルクのクサビを入れているだけ！）が、これじゃあダメですね。

サーミスターは、外れてしまったe3dモドキのホットエンドについていたものを転用。転んでもただでは起きませんよ。

ヒーテッドベッドは、3mm厚の200x300mmアルミ板にねじ止めして、その上にダイソーで売っていたA4サイズ程度のフォトフレーム（100円）からとったガラス板をクリップで留める構造です。

ガラス板が激薄なのが実は良くて、ヒーテッドベッドのサーミスターで測定した温度とガラス板の上の温度は5℃程度の違いで済んでいます。

テーブルは４点支持していますが、構造に問題があり、調節に難あり。ここも改良が必要。横に長いと水平の調整が結構シビアなのでもう少し真面目に考えたものにする必要がありそうです。

・ファームウェアの設定

ファームウェアは１号機でも使っているRepetier firm のv0.92を使いました。

core-xy もサポートされていますので楽ちん。Web のコンフィギュレーターで設定して、ArduinoでコンパイルしてArduino mega 2560 （これも激安中華クローンを採用！）＋RAMPS1.4に書き込んでいます。

現状で可動範囲はX 350mm Y 172mm Z 175mm程度ですがもう少し広げることは可能と思います。

Y軸が狭いですが、これは、ホットエンドの張り出しが大きいから。

X, Y, Z が160 step / mm (Zは違うかも リードスクリューが2mmピッチです）。Extruder 95.5steps/mmだったと思う。

X,Y,Z minにエンドストップのスイッチ（Normally close）を取り付け、Y, X, Zの順にホーミングするように設定しました。

 

プリントの様子はこんな感じです。

これは、作ったプリンタでこのプリンタの部品をプリントしなおしているところです。

現状H-botのガントリー構成ですが、Core-XYに改造しようと思っていて部品をちまちま作っているところです。

白いのが２号機でPLAで出力。オレンジが中華激安ABSを1号機で出力したもので、おおむね2号機のほうが良好。

XYガントリーの調整とZ軸周りの支持構造を見直したら、もう少しきれいにでるようになると思いますが、とりあえず元々のSTLモデルにあったポリゴンの構造がちゃんと見えるレベルなので、OKです。

カメラの高速度撮影モード（120fps）で撮影してみました。まあまあ良好ですが、ベルトが振動で共振しているのが気になります。CORE-XYにするとこの部分のフリーなベルトの長さが縮まるので改善はすると思いますが。

とりあえず、配線の整理、Zテーブルの改良、CORE-XYへの変更など盛りだくさんなメニューですが少しずつやっていければ。