Prusa i2, deel 4: Werkvlak kiezen

Verhit werkvlak
Het werkvlak (printing bed) waar de objecten op geprint gaan worden is ook nog een punt van zorg. Verwarmd of niet? Wat voor ondergrond?

Na het printen krimpt het plastic als het afkoelt. En daardoor kan het gaan vervormen, vooral aan de onderkant. Een verhit werkvlak (heated bed) zorgt ervoor dat het onderdeel minder snel afkoelt en dus z’n vorm behoudt. En doordat het onderdeel warm is hecht het nieuwe plastic aan de bovenkant beter. Dus een verhit werkvlak komt de algehele kwaliteit ten goede. Een klein nadeel van een verhit bed is de prijs van de plaat en de stroom die het slurpt (rond de 6 A). Maar ik vond dat wel tegen de voordelen opwegen, dus ik koos voor een verhit werkvlak.

Nu kan je zelf zo’n verhit werkvlak maken met ongeisoleerd nikkel-chroomdraad (NiCr) of met grote weerstanden. Maar het is allemaal niet zo makkelijk, niet zo mooi, en het is lastig om het werkvlak egaal verhit te krijgen. Gelukkig is er al een goede oplossing: een geëtste PCB. Dat is een printplaat met een 35 μm koperlaag waaruit de banen geëtst zijn. Doordat de plaat zo’n uniforme dikte heeft is de weerstand van de banen ook uniform, en wordt de plaat mooi gelijkmatig heet.

Zulke platen zijn redelijk goed verkrijgbaar. Er zijn eigenlijk twee versies: de door Josef Průša ontworpen MK1, en de nieuwere MK2a. Die laatste heeft een opdruk aan beide zijden, dus kan je de plaat ook met de printbanen naar boven gebruiken. Verder kan de plaat met drie bouten worden gesteld – en dat is makkelijker – in plaats van vier voor de MK1. Dus ik koos voor de MK2a.

Dan de ondergrond, want direct op de verwarmde plaat printen is niet zo handig. Die plaat vervormt een beetje door de warmte, en dan worden de printjes niet vlak. Ook is er het risico dat als de printkop op de plaat crasht (bijvoorbeeld door een verkeerde afstelling) de printbanen beschadigd raken.

Dan de ondergrond. Er zijn verschillende mogelijkheden, maar de meestgebruikte zijn: hittebestendig glas, fotolijstjesglas, een IKEA spiegeltje of direct op Kapton tape of blauw schilderstape. Direct op de verwarmde plaat printen is niet zo handig, want dan is er het risico dat als de printkop op de plaat crasht (bijvoorbeeld door een verkeerde afstelling) de printbanen beschadigd raken. De tapes zijn ook niet ideaal omdat ze moeilijk vlak te krijgen zijn. Daarnaast kan de verwamde plaat eronder een beetje gaan vervormen door de warmte, en dan worden de printjes niet vlak. Glas of een spiegel is mooi vlak, maar voordat ik me ga wagen aan duur hittebestendig glas probeer ik eerst eens te printen op een IKEA Sörli spiegeltje. Voor die prijs heb je er zelfs vier, dus is het geen ramp als er eentje breekt door de warmte. Vastzetten met vier papierklemmen van de Action.

Prusa i2, deel 3: Stappenmotors kiezen

NEMA 17 Stappenmotor
Er zijn eigenlijk drie soorten motortjes voor elektronicaprojecten: gelijkstroommotors (DC motors), servomotors en stappenmotors. Een gelijkstroommotor gaat gewoon draaien zodra er stroom loopt. Howel dit soort motors erg krachtig zijn, is een gelijkstroommotor niet nauwkeurig. Een servomotor daarentegen heeft ongeveer de kracht van een gelijkstroommotor maar is ook nog eens veel nauwkeuriger. Dit komt doordat een servomotor informatie krijgt over z’n eigen positie, en dan de stand van de motor kan aanpassen tot de gewenste positie bereikt is. Nadeel is dat servomotors in verhouding duur zijn, en constante stroom nodig hebben om hun positie te kunnen corrigeren. Stappenmotors tenslotte zijn erg nauwkeurig zonder dat er een terugkoppeling nodig is. Ze zijn ook nog eens relatief goedkoop. Helaas zijn ze niet zo krachtig. Voor een CNC-machine worden vaak servomotors gebruikt, terwijl een 3D printer met een stappenmotor uit kan.

Allereerst zijn de maten van de stappenmotor van belang. Voor de Prusa i2 heb ik NEMA 17 stappenmotors nodig: die hebben een frontplaat van 1,7 bij 1,7 inch, dus 43,2 bij 43,2 mm. Behalve de afmetingen van de frontplaat zegt het NEMA-nummer niks over de lengte van de motor of hoe krachtig deze is. Ook moeten de stappenmotors voor deze printer een schachtdiameter van 5 mm hebben.

De nauwkeurigheid en kracht van de motor zijn ook belangrijk. De meeste motors hebben een stapgrootte van 1,8°, en dat is voldoende voor mijn printer. Sommige hebben een stapgrootte van 0,9°, maar dankzij microstepping van de stappenmotordriver kan ook een minder nauwkeurig motor kleine stapjes maken. Het stilstandskoppel (holding torque) dat de motor kan leveren is de voornaamste weergave van de kracht van de motor. Hoe hoger dit getal in N·cm, hoe meer koppel de motor kan leveren in stilstand. Hoe meer massa de motor moet verplaatsen, hoe hoger het stilstandskoppel moet zijn. De Mendel heeft voor de X-, Y- en Z-as officieel een minimaal stilstandskoppel van 13,7 N·cm nodig, en voor de extrudermotor minimaal 40 N·cm. De motors die ik heb gevonden hebben een koppel van 47,1 N·cm, dus dat zou genoeg moeten zijn.

Tenslotte is de maximale stroomsterkte van de motor ook nog iets om naar te kijken. Meestal is de maximale stroomsterkte van de motor hoger dan wat de stappenmotordriver kan aansturen. Minder stroom betekent minder kracht, maar ook dat de motor minder warm wordt. Maar als de stappenmotordriver veel minder stroom kan leveren dan de motor nodig heeft, dan draait de motor enorm ondermaats en raakt de driver misschien oververhit. Een 1,7 A motor op een 1,5 A driver is een goede combinatie. Maar ook een 2,5 A motor op een 2 A driver moet lukken. Met een potmetertje op de driver kan de aanstuurstroom worden ingesteld. De motors die ik heb gekozen hebben een maximale stroomsterkte van 2,5 A. De eerder gekozen DRV8825 drivers kunnen wel tot 2,2 A leveren (met heatsinks), dus dat moet wel werken.

Prusa i2, deel 2: Printerelektronica kiezen

RAMPS 1.4
Er zijn verschillende geïntegreerde oplossingen beschikbaar voor de elektronica voor een RepRap. Er staat een waslijst aan elektronica op de RepRap wiki, maar de bekendste zijn RAMPS, Gen7, Sanguinololu en Megatronics.

De laatste drie zijn all-in-one geïntegreerde oplossingen: de microcontroller, bijbehorende componenten en headers voor de stappenmotordrivers zitten allemaal op één PCB. Heel makkelijk natuurlijk, maar het laat weinig ruimte over om met de microcontroller nog andere dingen te doen. Zo is het aansluiten van een toetsenbordje of LCD scherm niet altijd mogelijk, en kan het bord zeker niet worden ingezet in compleet andere projecten.

RAMPS daarentegen is een zogenaamde shield uitbreiding voor de Arduino Mega. Hiermee wordt de beproefde kracht en veelzijdigheid van een Arduino uitgebreid met de headers die nodig zijn voor de stappenmotordrivers. Het is ook de meestgebruikte oplossing voor RepRaps, en er is dus ook de meeste informatie over te vinden.

Omdat ik juist door de Arduino een 3D printer ben gaan bouwen, koos ik voor de RAMPS versie 1.4 (op dit moment de nieuwste). Naast de RAMPS 1.4 PCB heb ik dan nog een Arduino Mega 2560 R3 en minimaal vier stappenmotordrivers nodig.

Prusa i2, deel 1: Stappenmotordrivers kiezen

A4988 vs DRV8825
Een 3D printer moet kunnen printen op elk punt in een 3D volume. Dus de printer moet het model en/of de printkop kunnen bewegen in de X, Y en Z richtingen. In het geval van de Prusa i2 beweegt het platform met het model in de Y richting, en de printkop in de X en Z richtingen. Om dit allemaal nauwkeurig te kunnen laten bewegen zijn stappenmotors (stepper motors) nodig. Die kunnen hun as in stapjes draaien om zo een schroefdraad of tandriem precies te positioneren.

Om de stappenmotoren aan te sturen zijn er stappenmotordrivers (stepper motor drivers) nodig. Dit zijn kleine PCBs met een controllerchip die het juiste signaal kunnen genereren om de stappenmotoren correct en met voldoende kracht te laten bewegen. Er zijn verscheidene stappenmotordrivers beschikbaar, maar de bekendste en meestgebruikte zijn de Pololu A4988, StepStick A4988 en Pololu DRV8825.

Voor de aansturing van de stappenmotors is de hoeveelheid stroom belangrijk: te weinig stroom en de motors kunnen niet nauwkeurig werken. Maar teveel stroom oververhit de stapperdriver, en vaak ook de motor. De Pololu A4988 kan een motor aansturen met een piekstroom van maximaal 2 A, maar staat erom bekend goede koeling nodig te hebben. De StepStick A4988 is een – meestal goedkopere – open-source kloon van de Pololu met een maximale stroom van 1.5 A. De DRV8825 is de nieuwste telg in de Pololu stappenmotordriver familie en kan maximaal 2.5 A leveren. Deze laatste wordt ook nog eens minder heet dan de Pololu A4988 bij dezelfde stroom. Om die reden koos ik voor de Pololu DRV8825.

Helaas zijn er twee verschillende versies van de DRV8825: de ‘md20a’ en de ‘md20b’. De laatstegenoemde is vrijwel identiek aan de eerste, behalve een kleine aanpassing die ervoor zorgt dat de DRV8825 als drop-in vervanging voor de A4988 kan worden gebruikt. Dit is enorm handig aangezien de meeste RepRap elektronica is ontworpen om te werken met A4988 stappenmotordrivers.

Probeer dus de ‘md20b’ versie te krijgen: het staat op de onderkant van de printplaat. Mocht je toch de ‘md20a’ versie krijgen, soldeer dan een 4700 Ω weerstand tussen de !SLEEP en de !FAULT pinnen van de PCB. Hoewel Pololu de md20a versie niet meer maakt, is in Nederland de DRV8825 md20b op dit moment nog niet goed verkrijgbaar. Dus vraag de verkoper welke versie hij verkoopt, en koop wat weerstandjes indien nodig.

In mijn geval kocht ik de stappendrivers bij ReprapWorld.com, en dat waren de md20a versies. En dus moest ik aan elk een 4700 Ω weerstandje solderen. Ik heb er vier nodig (één voor de twee Z-as stappenmotors en één voor elke van de andere drie motors), maar heb er vijf gekocht. Mocht er dan eentje het begeven, dan heb ik een reserve. Of als ik ooit een dual-extruder maak, dan heb ik de stappendriver daarvoor tenminste al.

Prusa i2, deel 0: Introductie

Prusa Mendel i2
Toen ik toevallig een Arduino zag vroeg ik me af wat voor moois je daar allemaal mee zou kunnen bouwen. Een autootje, een helikopter… Leuk natuurlijk, maar één toepassing wekte mijn interesse het meest: een 3D printer!

Ik heb totaal geen ervaring met 3D printers, elektronica, componenten, of solderen, maar ik heb besloten dat allemaal te gaan leren en een RepRap Prusa Mendel i2 printer te gaan bouwen. Om te beginnen ga ik zoveel mogelijk de geijkte paden bewandelen, want ik vermoed dat het dan al lastig genoeg is. Als het eenmaal werkt kan ik weer nieuwe technieken en experimenten proberen op mijn bestaande printer, en kan ik de onderdelen printen voor andere toekomstige projecten.

Om te beginnen moet ik door alle RepRap informatie filteren om uit te vogelen hoe ik mijn printer precies zou gaan bouwen. Welke afmetingen, welke plastic onderdelen, welke elektronica komt er in?

In de komende blogserie zal ik iedereen op de hoogte houden van mijn voortgang, de keuzes die ik maak en de dingen die ik heb geleerd. Op die manier hoop ik andere Beneluxe RepRappers te helpen bij het bouwen van hun eigen 3D printer.