从零开始,给自己设计一台3D打印机

2016-07-29 14:38:32     作者:Xline      来源:什么值得买

标签: 生活记录 打印机

3D打印机已经火了好多年了,但是貌似身边玩或者应用到的朋友还是不多。一年前知道朋友的单位有一台当年非常有名气...

3D打印机已经火了好多年了,但是貌似身边玩或者应用到的朋友还是不多。一年前知道朋友的单位有一台当年非常有名气的 Makerbot Replicater 2X,当时的口水简直有如滔滔江水连绵不绝,可惜价钱也是摆在那里的高大上。


在和朋友的不断交流中,还有谷歌(一个并不存在的搜索网站),得知3D打印机已经是开源的事情了,有强大易用的Arduino主板,以及强大的RepRap社区。看过马云家的各种成品打印机,心里对于DIY一台自己想要的机器的念头,也是开始长草了。趁着自己快生日了,家里女王大人也为了省事不用花心思(双子座的女王大人表示不耐处女座的我......)给我准备生日礼物,于是就准了我这个预算了 。

一开始时候,给自己定下的目标是,200*300*200(长宽高)的打印体积,还有双挤出头的设计。同样配置的产品在马云家搜索一下普遍都是4xxx-8xxx都有,更不包括MakerBot这种高大上的产品了。更坚定了我要打造属于自己的机器的决心。这篇分享,主要是解说一下自己的设计思路,具体细节的东西,在网上已经有很多的教程,还需要根据自己的需求以及预算来制定的。

一,机械,框架

二,控制电路,电气

三,买买买,组装,调试

四,现状 

五,各种坑...... 

六,参考资料

七,结语


一,机械,框架

 现在的3D打印机,主要就是2个大分支,基于Delta坐标系的联动臂结构,以及基于笛卡尔坐标的XYZ结构。前者的代表作有的Kossel/Rostock,至于XYZ笛卡尔坐标,有太多太多的分支了。有兴趣研究的值友可以到RepRap上面去了解,国内也有不少的论坛。由于Delta结构对于联动臂精度要求高,过高的机身容易造成扭动变形,被我否决了,还是喜欢XYZ结构那种方方正正的稳重感。

而框架以及结构,决定了机器整体的强度以及稳定性,在这一步我花了几乎2个月的时间(空闲的时间,毕竟还是要工作的人啊....),和朋友不断地交流以及上网查找资料,修改自己的设计。

一开始的想法,就是参考比较目前比较流行 RepRap Prusa i3的结构。

但是对于一个追求完(ku)美(bi)的处女座来说,亚克力框架的强度要应付 2套挤出机构(挤出头,加热部分,步进马达,在800g上下)的重量,感觉还是有点力不从心,最后选择了便宜又大碗的铝型材。

但是才做完这第一版的图没多久,心里又变化了,既然都做这么大了,为什么不做一个完整的框架,以强度来打算,以后甚至可以做到简易的铣床啊(事实证明我想太多了)。于是,又乘着空余时间,又做第二版的设计 。

这是最基本的XYZ结构,但是最大的顾虑是,打印平台要承受了2套挤出结构,以及XY其中一轴的步进电机,总体的移动重量(超过1KG了)比较高,考虑到惯性,不利于打印头的快速移动。于是一直在围绕这个版本做减重设计。

某一天,在RepRap论坛上继续找灵感的时候,发现了一种新的移动结构, CoreXY,以及衍生的扭转90度的CoreXY Respin。它的原理是通过两个电机同时控制XY的移动,左右两个电机同向的时候,往X轴移动,两个电机反向的时候往Y轴移动。2个电机的同时作用,力量比单个电机控制一轴来得要稳定,还能减少了XY平台上面一个电机的重量。

CoreXY Respin也是在RepRap论坛上找到的一种CoreXY的变种,关键在于把两个电机的位置和XY左边相对地调整了90度。对于我这个200*300打印面积的大箱子,实在节省了不少空间。

于是,改改改改改的(甲方你别跑,我保证不打死你 ),第三版又出来了......由于要考虑两个挤出头的输出空间,以及以后可能加上去的自动平床或者其他古怪东西,整个框架做到了550*550的投影面积,底部一圈用的加宽的2060铝型材,而且考虑到2020铝型材可能会晃动,框架三边都加了45度的加强支撑。


然后不断地推敲修改,忐忑得一直下不定决心把这个作为定稿。后来跟一个做家具设计的朋友聊了一下,得到的建议是 “做!果断做!既然有稿子有基调了,就先做出来,一边做一边改进,没有产品一出来就是完美的。”。 果然KuBi的处女座都是龟毛星人 ......

,控制电路,电气部分

在成熟的开源环境,控制电路部分已经不是什么难度了。基于Arduino的RAMPS(扩展板)也在国人强大的生产能力下,成本降到1xx就一整套了。核心部分毫无难度就解决了。

核心的电路控制部分,我个人推荐用  创客基地 的 MKS2560 套件(这真的不是广告),我的考虑如下:

  1. 要套件,Arduino+RAMPS,还有电机的驱动模块一起解决。

  2. MKS 2560 属于 Arduino 2560的改进版,相对于公版添加了自恢复保险丝,不怕接错线烧板子。(就在我装机器的那天,朋友告诉我他的公版 2560 因为短路冒烟了......)

  3. MKS 2560 直接通过 RAMPS 主板对Arduino供电,不用电脑进行脱机打印的时候,不用考虑独立给Arduino主板的5V供电。

  4. 不选择Melzi或者Rumba之类的一体主板,是因为要考虑到以后要是升级运算能力提高了的Arduino DUE + RAMPS-FD ,那么现在这套件至少还能把Arduino部分拆出来独立地做其他功能。

 

步进电机的选择,考虑到XY轴要承受比较大的动力,选择了48mm的NEMA17步进电机。至于Z轴,更多考虑的是静置力矩,电流相对较大的42mm的NEMA17步进电机足够。挤出结构的步进电机由于要考虑重量问题,也只好选择42mm的NEMA17步进电机了。

供电也是一个需要考虑的问题,主要是热床需求的功率不小。由于我用的是比一般(大部分在售)的尺寸更大的200*300mm热床,一般电脑用的250W开关电源(是的,我为了节省,直接从仓库里面的P4年代的台式机上拆的),一接线就马上自动过载保护了,只好另外准备了一只350w的12V开关电源来伺候。

三,买买买,组装,调试

设计稿之后,就是最爽的买买买剁手过程了,少不免的货比三家,或者看看哪家能一站式采购的。

首先在设计的时候,尽可能把细节的零件都做出来,然后可以生成BOM表(这是一个好习惯),按着表买东西就是了。这是我自己的BOM表的一部分,从零件名称代号到尺寸,以及什么规格的螺母螺丝,都有尽可能详细的数据。虽然做好机器之后还是因为要不断地修改,不断地买买买买各种螺丝轴承的小东西,但因为有了BOM表,至少我在第一轮采购的时候就没有漏买过哪怕一颗螺丝的。

在马云家有不少店都提供了3D打印件的一站式采购。搜索 关键字 “3D 打印 E3D” 销量排头的那几家基本上都能把需要的东西买到的。除非是一些奇怪尺寸或者特殊材料的东西,例如碳纤维连动臂之类的,这些就需要自己去爬论坛爬马云家了。 

 

螺丝、铝型材在马云家也有不少店,分别用关键字 “2020 铝型材” “内六角 螺丝” 之类的,也是按销量排,基本上天猫的都靠谱。 

 

 

特别要说的是铝型材,就别想省那个钱自己切了,天猫里面各种专业店,无论直切斜切开孔的,只要你能给尺寸图纸,他们都能做,而且切面也很光洁没有毛刺的,误差也非常的小。我个人觉得,能用钱(合理的价钱)解决得非常好的事情,干脆就外包出去给专业的吧, 。

其实组装调试的,到这里已经没什么难度了,因为在做设计稿的时候,很多尺寸数据已经定好了。材料到了之后,就像拼Lego一样照着自己的设计稿拧螺丝吧,然后心里就哗哗哗地长草要买电动工具了(拜读 Fractal1 大神的系列作品,工具控的剧毒)......  

关于固件的设定,步进电机电流调整,温度控制,调平的,各种细节的调试,基本上每一项都可以新开一篇经验文章,但是对于我这种写作苦手,还是建议使用强大的谷歌(再一次出现不存在的网站)。


四,现状

这就是我的成品目前的状态,还有好多细节需要改善,例如第二挤出机构要把步进电机脱开,改造成通过软轴传动的齿轮箱结构,以及最头疼的线缆整理。

一片混乱的桌面,各种工具都放在顺手(其实就是懒)的位置....

使用中的第一挤出机构

暂时空着的挤出第二挤出机构,等待自己的齿轮箱设计。

所有Endstop开关都是用光电式的,保证了准确度。

核心的Arduino以及RAMPS扩展板,混乱的线缆还没整理,已经打印好安装底座,但是还需要解决挤出机构的加热器的连线长度(图中比较粗的4条红线)。

双电源,右边的台式机开关电源负责主板、挤出头加热、风扇、步进电机的供电,左边的350W 12V电源独立负责热床供电。

CoreXY的其中一条传动轴,用轴承同心设计,上下两条皮带可自由活动而不会互相影响。鱼尾夹也是一种好工具......

从下往上看的挤出头, 使用的是E3D的结构,加强了散热,减低堵头的几率。

风扇没有用常见的方式直接固定到散热片上,只是用了3M VHB双面胶贴到支架上去,为的就是防止风扇震动影响到打印头。

背后的材料架子,直接一根光轴架上去,不用另外做支架了,偷懒了 

还在试验中的蜗轮箱,比一个42MM的步进电机轻了一半有多,减重利器。

最近的工作状态,由于空间狭小,就只能用手机拍得渣渣的视频了。看着机器一层层地把东西“叠”出来,还是有仲莫名的成就感的。


五,各种坑......

也不算是坑吧,只是分享自己的经验以及走的弯路,这些都不是调整可以解决的问题......

  1. 学习!学习!学习! - 这是最最最重要的。为什么是从零开始,就是因为一开始,我自己对于3D打印机的世界也是0了解,大概也就知道FDM的基本原理。通过谷歌(怎么老提这个不存在的网站 ),参考国外的图片以及成品的结构,以及用自己有限的英文阅读能力看RepRap上面的各种讨论各种对比,当然还有国内(包括港澳台)的中文资料,才能达到概念以及细节的理解,整个打印机的基础工作原理尽在心中。然后凭着自己大学时候学下的以及还没有还给老师的机械知识,设计出自己的机械框架。其中还自学了Autodesk 的 Inventor,基本的建模以及组装功能就已经够用了。(其实是大学的ProE、SW全忘记了,而且Autodesk还有3年的学生授权可以免费试用完整版本,装下学生混3年授权吧 )  


  2. 方向!方向!方向! - 设计的时候必须决定要要什么的结构,切忌朝三暮四的。每种结构都有其自身的优点以及缺点。例如Delta结构的Kossel/Rostock的快但是过高的机身引起的扭动,还是传统的XYZ结构稳定但是速度快(相对Delta)不起来。要做多大,要做多坚固。例如:Prusa I3的尺寸以及亚克力结构可以很经济,但是也决定了无法做大做快(常规情况下)。

  3. 设计时候的细节!细节!细节! - 在设计时候尽可能把细节都了解了,并且在设计软件里面都做出来。特别是BOM表,对于后期的材料采购是非常有用的。尤其是对于不同部件用的不同类型、直径、长度的螺丝,我这台机器第一次采购的时候总共有约56种(不知不觉就这么多了 )不同的螺母螺丝,总不能靠自己脑补记录吧.....

  4. 线缆长度 - 一般市售的材料,主要考虑都是200*200的Prusa结构机器,线缆长度只会是相对小型Prusa预留的长度。因为自己的框架太大了,550*550mm的面积,线缆长度的问题就出现了,无论挤出头机构(加热、温感、电机)还是热床本身,都必须加长线缆。

  5. 轴承的预紧力 - 当初天真的以为8mm内径的轴承就可以装上8mm的光轴,结果发现还有预紧力这个东西,同尺寸的轴承都需要用各种手段加热造成轻微的“热胀”才可以套进光轴,但是一旦套进去了,要调整位置,或者要拆出来的话就麻烦了,总不成整条轴放到火上烤吧......

  6. 材料的质量 - 某宝上的PLA已经是满地都有,但是不同的店的质量还是有偏差。劣质的耗材会有杂质、气泡、不均匀的,最终会导致挤出不顺畅,甚至会堵塞挤出头。我第一卷买的耗材,以上的问题都遇上了,差点把我一个打印头废了 ......

  7. 必要的散热 - 大部分堵头,除了因为材料本身,最大的原因是因为材料在不恰当的地方受热膨胀但又不到熔点,然后就......堵了啦。所以除了在最终端的喷头部分,以及热床本身之外,散热是很有必要的,具体请参考下面的Blogspot的文章,当然是要科学上网的......


六,各种参考

主要设计软件:Autodesk Inventor

RepRap开源Wiki:链接

CoreXY结构原理: 链接1、链接2 

台湾的Blogspot(链接),里面有很多关于3D打印机安装使用中要注意的地方,老实说,比国内能搜索到的都要强很多

七,结语

折腾下来,这台机器大概的成本在3000人民币上下,肯定比在马云家买Prusa结构的成品贵,但是又比成品的双挤出头机器便宜,而且性能(打印面积、速度)也要高出一截。而且整个过程中还能学到不少知识,也是很有意义的。

3D打印机并不只是一个玩具,而且是一个工具,一个可以帮助自己更方便地实现各种稀奇古怪想法的工具。工具是死的,人的想法才是关键。

这篇文章只是粗略分享了一下自己从零开始设计的思路,以及安装过程中的经验。再具体的细节还是需要自己去搜索以及学习,希望有兴趣的值友们也能成功打造一台属于自己的3D打印机。

------------ 完整文章的分界线 -------------

------------ 以下是附录,目前自己成功打出来有点意思的东西 -------------

附......自从有了3D打印机,大部分的小工具小附件都可以自己做了。

卫星音响的安装适配


然并X的4x5转接Sony E卡口,相对于4x5的面积,135全幅就是张邮票,只是纯粹试着打出来,可以转接135当个长焦来使使吧。

少不免的打下花瓶笔筒什么的......

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