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Aug 18, 2023

Construya un caballo de batalla de impresora 3D, no una increíble máquina de decepción

Las impresoras 3D se han vuelto increíblemente baratas, puede obtener una unidad totalmente funcional para

Las impresoras 3D se han vuelto increíblemente baratas, puede obtener una unidad completamente funcional por $ 200, incluso sin tirar su dinero por un abismo de financiación colectiva. Mirando a las personas que todavía compran kits o incluso construyen su propia impresora 3D desde cero, invirtiendo mucho más que esos $ 200 y tantas horas de trabajo en una máquina que puede comprar por poco dinero, la pregunta "¿Por qué diablos harías eso? " puede surgir justificadamente.

La respuesta es simple: las impresoras 3D de bricolaje hechas correctamente son caballos de batalla resistentes. Funcionan todo el tiempo, nunca se rompen, y aunque: son una fuente inagotable de repuestos para ellos mismos. Tienen exactamente la calidad y la funcionalidad para las que los construyes. No hay desorden y no falta nada. Sin embargo, el término impresora 3D DIY, en su uso actual comúnmente aceptado, en realidad significa: la primera y la última impresora 3D que alguien construyó, lo que a menudo termina en la increíble máquina de la decepción.

Esta publicación está dedicada a desbloquear todo el potencial en todas estas construcciones y a convertir casi cualquier combinación de varillas roscadas y madera contrachapada en una pieza de equipo de taller.

La era de los inestables marcos de varillas roscadas de Mendel ha terminado hace mucho tiempo, ha sido reemplazada por la era de los inestables marcos Prusa i3 de una sola hoja. Los resultados de impresión decentes requieren un marco muy resistente, así que agregue soportes y estabilizadores donde pueda.

Si está construyendo una impresora de estilo cubo a partir de extrusión de aluminio, use soportes angulares para estabilizar el marco. Si está construyendo una variante de Prusa i3, asegúrese de obtener un marco con estabilizadores o agregue estabilizadores más adelante. Si está construyendo un Mendel clásico, agregue tablas estabilizadoras a los puntales transversales.

PLA es una elección de material horrible para la parte impresa en 3D de una impresora 3D de bricolaje, primero por su bajo punto de fusión y segundo por su fragilidad. Casi cualquier material funcionará mejor, pero al menos las piezas de ABS pueden durar para siempre. Imprímelos muy calientes, al menos a 255 °C para obtener una buena adherencia de la capa y nunca te fallarán. Sin embargo: siempre mantenga un juego de repuestos, porque puede. No es necesario que sea un paquete de 3.

Sin embargo, la precisión absoluta y la calidad de la superficie de las piezas impresas en 3D generalmente no son tan pulidas como la extrusión de aluminio y los materiales de lámina a los que se unen. Cuando fijas una pieza impresa en 3D a una superficie plana con tornillos, tienes básicamente dos opciones para conseguir una conexión sólida: apretar mucho los tornillos, lo que casi siempre rompe la pieza impresa en 3D, o utilizar un papel de lija de grano fino para aplanar el contacto. superficie de la pieza impresa en 3D para lograr un buen contacto entre los dos. Una vez que los tornillos aplican una cantidad razonable de presión, la fricción estática entre las dos superficies se hace cargo y proporciona una alta resistencia a las fuerzas de corte.

Junto con un marco rígido, tanto las transmisiones por correa en varias configuraciones (excepto el H-bot) como las transmisiones por husillo pueden lograr una precisión repetitiva que supera los requisitos de FDM en las direcciones X e Y por magnitudes. Sin embargo, la calidad y longevidad de cualquier sistema de transmisión depende mucho de la calidad de los componentes involucrados. Las poleas o acoplamientos excéntricos, así como los componentes que introducen juego, son las trampas más comunes aquí. Esmerilar los dientes de la correa puede causar vibraciones, así que asegúrese de que todas las correas estén funcionando en el centro de sus poleas y pistas locas. Utilice rodillos con bridas o al menos arandelas para evitar que las correas rocen con otras partes de la impresora.

Para el eje Z, vale la pena mencionar que la mejora de calidad que puede esperar de un motor paso a paso con eje de tornillo de avance ACME integrado sobre la solución común de acoplamiento de varilla roscada en un flex es bastante insignificante, incluso en términos de longevidad. Las varillas roscadas M5 de acero inoxidable en el eje Z permiten excelentes resultados de impresión y duran muchos años, incluso cuando se exponen a la tensión constante de la nivelación automática de la cama. En este caso, la solución presupuestaria puede ser lo suficientemente buena. Por supuesto, los ensamblajes de impresoras grandes y pesados ​​requieren tornillos de avance adecuados.

Siempre que su construcción no exceda el tamaño y el peso típicos de una impresora 3D de escritorio, evite usar rodamientos lineales de bolas en los ejes X e Y, ya que son un punto de falla muy común. Su calidad varía mucho según el fabricante, e incluso si el golpe bajo aparentemente funciona muy bien al principio, no durará mucho. Los desechos de plástico impresos en 3D e incluso los fragmentos de su propio ensamblaje tarde o temprano harán que se bloqueen. Los cojinetes deslizantes poliméricos tribológicos son el camino a seguir aquí. Son autolubricantes, no requieren mantenimiento y prácticamente duran para siempre, al menos según los estándares de los rodamientos lineales de bolas. También están disponibles en factores de forma compatibles con el estándar de Japón como reemplazo directo para el LM8UU de uso común.

No utilice rodamientos lineales múltiples en línea para aumentar la estabilidad angular de un carro. Hay versiones extendidas disponibles para casi todos los tipos de rodamientos lineales, por ejemplo, use el factor de forma LM8LUU en lugar de dos LM8UU.

Incluso si tiene un presupuesto limitado, piense en usar motores paso a paso con un ángulo de paso de 0,9° en lugar de 1,8° para los ejes X e Y y para cualquier extrusora sin engranajes. Probablemente le costarán $ 2 o $ 3 más por pieza, pero duplican su resolución mecánica, que puede ser extremadamente visible. Microstepping es excelente para reducir las vibraciones, pero, contrariamente a la creencia popular, no aumenta la resolución de impresión efectiva. Las siguientes imágenes de cabezas de Yoda muestran claramente la diferencia de calidad. Se imprimen con una altura de capa de 0,1 mm en la misma Prusa i3 desde el mismo código G; la única diferencia es el ángulo de paso físico de los motores.

La corriente nominal de los controladores de su motor paso a paso debe poder entregar la corriente nominal de los motores paso a paso, ya que los motores paso a paso solo entregarán su par completo a esa corriente. Deje un margen del 20% para evitar maximizar constantemente sus controladores. Incluso si algunos minoristas envían módulos de controlador de estilo Pololu (es decir, A4988 y DRV8825) con disipadores térmicos (del tamaño incorrecto) y almohadillas adhesivas térmicas (de calidad cuestionable), estos disipadores térmicos suelen hacer más daño que bien. Déjelos fuera y manténgase en el margen actual del 20%, y siempre obtendrá el par completo.

Además de eso, no conecte varios motores paso a paso a un solo controlador, especialmente el pequeño Pololus. Si no puede obtener un duplicador de puerto adecuado con condensadores de búfer para cada controlador, una solución económica y totalmente utilizable es soldar encabezados hembra a un controlador Pololu, agregar encabezados macho para los motores y colocar un segundo encima. .

La elección particular de la placa controladora de la impresora 3D depende principalmente de sus requisitos individuales en términos de funcionalidad pura. Si desea una máquina plug and play que funcione siempre en cualquier entorno, evite los clones de placas basadas en Arduino u otros productos que utilicen reemplazos de puente USB a serie baratos, como el CH340/CH341. Eventualmente pueden funcionar, pero el soporte de controladores plug-and-play a largo plazo para todos los principales sistemas operativos podría ser algo por lo que valga la pena pagar, ya que eventualmente se convierte en parte de la experiencia del usuario.

Conozca sus componentes y use solo sensores de temperatura que vengan con una hoja de datos confiable. De lo contrario, la temperatura medida será una suposición un poco mejor. Asegúrese de que el sensor tenga un buen acoplamiento térmico con la cama calentada o el bloque calentador del hotend para permitir que el controlador de temperatura mantenga la temperatura constante. El compuesto térmico es el camino a seguir aquí. Los termistores NTC generalmente no sobreviven a las temperaturas superiores a los 300° C requeridas para imprimir algunos plásticos de ingeniería, está encerrado con termopares. Además de eso, si mide la temperatura de la cama calentada y el hotend con un EPCOS NTC, un Vishay NTC, un Semitec NTC o un termopar tipo K de punta soldada no necesariamente importa, todos son lo suficientemente precisos.

Un controlador LCD con lector de tarjetas SD convierte su impresora 3D en una fábrica independiente. El clásico RepRap Discount SmartController con una pantalla no gráfica funcionará absolutamente para la mayoría de las configuraciones. Hay clones que funcionan bien cuando se usan con el adaptador RAMPS proporcionado, pero algunos de ellos tienen la columna del conector girada 180°, así que preste atención cuando los conecte a placas con puertos EXT dedicados para el panel de visualización, como el RUMBA.

El menú de clic y desplazamiento que la mayoría de los firmware proporcionan para los controladores LCD comunes puede ser un poco desordenado e insatisfactorio de usar, pero eso se puede solucionar con bastante facilidad y lo cubriremos más adelante en esta publicación.

Una Raspberry Pi cargada con OctoPrint, tal vez incluso con una pantalla táctil LCD, mejora en gran medida la usabilidad y la productividad en comparación con el controlador LCD escaso. Le permite enviar G-Code directamente desde la rebanadora a la impresora por aire y le permite controlar convenientemente su impresora a través de una interfaz de usuario agradable. Sin embargo, agrega varios puntos de falla a la máquina. Si bien la conexión SPI entre la tarjeta SD y el microcontrolador es prácticamente a prueba de balas, es casi seguro que tarde o temprano experimentará una Raspberry Pi congelada o un OctoPrint colgado. Todavía es raro, pero si está utilizando OctoPrint para transmitir código G a la impresora, asegúrese de agregar

al comienzo de su código G de inicio para activar el tiempo de espera inactivo y

al final del código G final para desactivarlo de nuevo. El tiempo de espera de 30 segundos apagará la impresora y apagará todos los calentadores en caso de que el host OctoPrint se congele o deje de enviar comandos antes de que la impresión finalice según lo programado.

La unión de capas de ABS a una temperatura de impresión de 280 ° es increíblemente fuerte y hace que la impresión de modelos ABS grandes y resistentes sin agrietarse ni deformarse en el primer intento sea muy fácil. Los hotends totalmente metálicos son el camino a seguir aquí, ya que los aislantes de PEEK y los revestimientos de PTFE que llegan hasta la zona de fusión comienzan a degenerar a temperaturas mucho más bajas. Por lo tanto, use un hotend de metal completo y al menos un cartucho de 40 W para un tiempo de calentamiento rápido. Asegúrese de que el hotend se sienta sólido como una roca en su soporte en el cabezal de impresión.

Las extrusoras Bowden tienen cierto contragolpe, pero eso no es necesariamente un problema cuando se imprime ABS, PLA y nailon. Sin embargo, las variantes de 1,75 mm de materiales flexibles como (inserte un término distintivo aquí) Flex son bastante incompatibles con las extrusoras Bowden y, en el mejor de los casos, extremadamente problemáticas. Si planea trabajar con estos, use una extrusora de accionamiento directo. Incluso cuando utilice una extrusora de accionamiento directo, asegúrese de que el filamento llegue a la extrusora a través de un tubo Bowden que esté conectado de forma segura a un accesorio de tubo en el portabobinas. Las configuraciones en las que una extrusora sobre una guía lineal endeble extrae el material de la bobina suelen ofrecer resultados deficientes, ya que la fuerza de tracción desvía de forma impredecible el cabezal de impresión durante la impresión.

La mayoría de los ensamblajes de extrusores impresos en 3D, como el extrusor de Wade o el extrusor Bowden de AirTripper, funcionan tan bien como los más caros que puede comprar. El factor más importante para la consistencia y confiabilidad de la extrusión es el engranaje impulsor. Opte por un engranaje impulsor de acero endurecido de alta calidad o un perno tallado, con dientes afilados y buen agarre.

Los largos tiempos de calentamiento son un factor decisivo para la productividad, y para alcanzar la temperatura rápidamente, en aproximadamente 3 minutos, una placa calentada de PCB normal debe tener una densidad de potencia de aproximadamente 1+ W/cm2 (6,5 W/in2). Para alcanzar los 110 ° (230 ° F) en condiciones normales, una cama calentada debe proporcionar una densidad de potencia mínima de aproximadamente 0,3 W/cm2 (2 W/in2). Si desea imprimir materiales como ABS, que requieren una temperatura de cama alta, tenga en cuenta la potencia necesaria de la cama calentada en relación con su tamaño.

Las camas calentadas de PCB de un solo lado tienden a respirar hacia arriba y hacia abajo, debido a la expansión térmica no uniforme de las trazas de cobre y el material de la placa, lo que puede dar como resultado un acabado superficial que se ve afectado por patrones de bandas. La animación muestra el problema con bastante claridad:

Dado que las impresiones de alta calidad se basan en una precisión de posicionamiento Z de decenas de micrones, incluso las fluctuaciones de temperatura menores pueden hacer que un calentador de PCB de un solo lado introduzca artefactos no deseados. Utilice calentadores de PCB de doble cara u otras alternativas que no sufran este problema (es decir, tapetes calentadores de silicona unidos a una pizarra sólida de aluminio), junto con un lazo de control PID bien ajustado.

Las camas calientes modernas, como la Prusa MK42, logran una distribución de temperatura más uniforme al compensar las pérdidas de calor no uniformes con una densidad de potencia no uniforme, lo que ayuda mucho a que las estructuras grandes se adhieran a la placa de construcción en sus esquinas. En cualquier caso, utilice siempre un fusible de corte térmico conectado directamente al centro de la parte inferior de la cama caliente.

La cama calentada debe montarse sólida como una roca en el marco o carro sobre el que se apoya. No use tornillos de ajuste sueltos con resortes tambaleantes para montarlos, ya que afectarán seriamente la calidad de impresión. Idealmente, atornille la cama calentada hacia abajo lo más recto posible y use la nivelación automática de la cama para el ajuste fino.

Encerrar su impresora en una caja evita corrientes de aire y el calor retenido le permite imprimir objetos más grandes de ABS con menos distorsiones. El recinto en sí puede ser cualquier cosa, desde una caja lo suficientemente grande o un hermoso printarium de acrílico. Mientras el calor permanezca adentro, simplemente funcionará. Mantenga los componentes electrónicos de su impresora fuera de la cámara de construcción calentada para evitar el sobrecalentamiento de los controladores del motor y la fuente de alimentación. Tenga en cuenta que las cámaras de construcción calentadas activamente también requieren disipadores de calor hotend enfriados activamente.

No agregue material aislante en la parte inferior de su cama caliente, ya que disminuye la salida de calor general. Las cámaras de construcción calentadas pasivamente sin un aislamiento excesivo pueden alcanzar fácilmente unos 40 °C o más, simplemente reteniendo el calor de la cama calentada. Mantenga el mantenimiento fácil asegurándose de que el gabinete se pueda quitar sin desmontarlo todo, y bueno, una puerta estaría bien. En cualquier caso, evite las corrientes de aire. Al imprimir ABS y HIPS, incluso un recinto improvisado o simplemente un pequeño gabinete es mejor que nada.

Las placas de vidrio o los espejos de las ventanas normales pueden soportar altas temperaturas, pero a 110° C el más mínimo impacto los hace añicos. Si imprime en vidrio, que funciona muy bien para materiales como PLA y PET (-G), use vidrio de borosilicato. Para imprimir ABS, HIPS y también PLA, una superficie de impresión de polieterimida (PEI) se celebra legítimamente como la mejor opción. El ABS se adhiere de forma sólida durante la impresión y sigue saliendo después. HIPS y PLA funcionan igual de bien.

Sin embargo, el PEI no solo es un material costoso con precios por kilogramo de cientos de dólares, sino que también es escaso, lo que llevó a un mayor uso de películas adhesivas delgadas de PEI. Estas películas ofrecen la misma excelente experiencia de adhesión e impresión, pero son bastante frágiles y se dañan con facilidad. Para un uso intensivo en el taller, use una hoja de PEI de 1/8". Puede ser un poco más costosa, pero durará para siempre e incluso se puede refrentar en una fresadora CNC una vez que muestre desgaste. Para una superficie de impresión uniforme, la hoja de PEI debe ser estabilizado, preferiblemente pegándolo a una lámina de vidrio borosilicato o aluminio con la ayuda de una cinta adhesiva de transferencia resistente al calor.

No utilice placas de impresión de aluminio calentadas que solo tengan una película delgada de PEI o Kapton. La alta conductividad térmica del aluminio sobrepasa el objetivo de mantener la temperatura de la capa de contacto y calienta todo el objeto de impresión hasta un punto en el que normalmente se vuelve demasiado blando para sostenerse por sí mismo.

Vale la pena mencionar que la superficie de impresión más conocida para Nylon sigue siendo Garolite (también conocido como Tufnol). El nailon se adhiere bien a él e incluso las piezas de nailon más grandes se pueden imprimir de forma fiable en Garolite.

Si bien la sonda clásica desplegada por servo siempre funcionó bastante bien, el tipo de sensor más versátil, preciso y confiable para la nivelación automática de camas es el interruptor de distancia capacitivo sin contacto. Muchas construcciones, especialmente las que tienen una placa de construcción de metal (es decir, la Prusa MK42) o un soporte, todavía usan sensores inductivos, pero estos sensores ignoran las superficies de impresión no metálicas (como una hoja de vidrio, PEI o Garolite) y solo responden a la chapa metálica subyacente. Si bien esto puede, por supuesto, contabilizarse con una compensación, esa compensación rara vez es constante y uniforme. Además de eso, todos los interruptores de distancia sin contacto tienen cierta precisión, normalmente alrededor del 10 % en relación con una distancia de activación ajustable. Móntelos con una distancia de activación corta, idealmente de 1 o 2 mm, para obtener la máxima precisión. Por supuesto, cualquier sensor debe montarse sólidamente en el cabezal de impresión para realizar sondeos precisos.

Hay varios proyectos de firmware excelentes, y los más famosos son Marlin y Repetier. Marlin y Repetier tienen enfoques bastante diferentes en lo que respecta a su configuración. Marlin clona desde un repositorio de GitHub con dos archivos de configuración bien documentados y comentados, uno para lo básico y otro para la configuración avanzada. Repetier, por el contrario, utiliza un sitio web que le permite componer la configuración de su firmware en una interfaz web gráfica y descargar las fuentes preconfiguradas. Estas fuentes también contienen archivos de configuración, pero no están tan bien documentadas como la contraparte de Marlin.

Cuando se trata de características y funcionalidad, Marlin ofrece menos características, pero una plataforma sólida, altamente configurable y confiable, digna de una impresora 3D de caballo de batalla. Por el contrario, Repetier ofrece muchas funciones experimentales, incluidas, entre otras, extrusoras virtuales para mezclar colores. Es el firmware ideal para explorar las fronteras de las aplicaciones de impresión 3D más exóticas. Aunque, no todas sus abundantes características siempre están bien documentadas, lo que seguramente causará problemas si solo está buscando algo limpio y confiable para uso en el taller.

Solo una temperatura constante le permite imprimir modelos de alta calidad sin bandas ni artefactos. Un simple interruptor de control de temperatura bang-bang no proporciona la estabilidad de temperatura necesaria. La forma más fácil y mejor de lograr una temperatura constante en el hotend y la cama calentada es un circuito de control PID, y tanto Marlin como Repetier ofrecen esa opción. También ofrecen un programa de ajuste automático de PID, que eliminará cualquier fluctuación en su curva de temperatura sin comprometer los tiempos de calentamiento ni sobrepasarse demasiado. Repetier también ofrece un algoritmo de control de tiempo muerto alternativo, que en muchos casos funciona igual de bien. Sin embargo, la precisión y la eficacia de un bucle de control de tiempo muerto dependen de la proporción de tiempo muerto efectivo y del intervalo de sondeo/actualización del bucle de control. Esto da como resultado una estabilidad deficiente de la temperatura en los elementos calefactores de alta potencia que tienen un tiempo muerto de decenas de milisegundos. Solo usa PID.

El firmware estándar Marlin o Repetier con soporte de pantalla activado hace que casi todas las opciones de control estén disponibles a través del menú de desplazamiento y clic. Es completo, pero también desordenado, y le permite navegar a través de cuatro niveles antes de poder mover un eje.

Para uso en talleres, solo se requiere una fracción de las entradas. Simplemente elimine las entradas innecesarias en el código fuente del firmware. En la fuente de Marlin, eso se puede hacer fácilmente comentando elementos innecesarios en ultralcd.cpp, que se explica por sí mismo.

También puede simplificar el menú de movimiento para omitir la selección de velocidad de alimentación:

Es raro, pero las impresoras 3D pueden incendiarse. Utilice las funciones de seguridad proporcionadas por el firmware, pero no confíe únicamente en ellas. Tanto los MOSFET simples como los relés de estado sólido generalmente fallan en su estado de conducción, lo que puede provocar un calentamiento descontrolado con resultados desastrosos. Los fusibles de corte térmico son componentes de $ 1, pero pueden evitar que una cama calentada en la pista convierta su taller en un cráter.

Si su línea de alimentación principal es inestable, o si el equipo de energía altamente inductiva está encendido en el mismo taller, por ejemplo, cortadoras de plasma portátiles baratas, es una buena idea operar su impresora desde un UPS (fuente de alimentación ininterrumpida). Incluso un breve corte de energía durante el proceso de impresión arruina la impresión, y un pequeño UPS económico lo ayudará en ese caso.

Aparentemente, hacer un gran filamento es un poco más complejo que introducir gránulos en algo calentado con una barrena. Requiere mediciones precisas y un circuito de retroalimentación cerrado para mantener bajas las tolerancias. Los defectos de filamento que encontré en filamentos baratos y de baja calidad van desde burbujas de aire atrapadas, variaciones en las propiedades, el color y el diámetro. Incluso encontré un carrete de ABS que se desvaneció en PLA a la mitad. Todo esto no contribuye a una impresión confiable de alta calidad, y si la mitad de las impresiones fallan, ni siquiera es barato. Así que asegúrese de obtener un buen filamento que compare las capacidades de su máquina.

Una gran ventaja de las impresoras DIY es el mantenimiento. La disponibilidad de repuestos y documentación lo hace posible, pero también debería ser divertido trabajar en la máquina. El cableado ordenado, las guías de cable, así como un código de color consistente para los voltajes y las señales en la impresora le ahorrarán mucho tiempo, frustraciones y humo mágico tan pronto como necesite volver a revisar las partes internas de su máquina uno o dos años después. inicialmente lo construyó.

Espero que haya disfrutado de esta compilación de aprendizajes de más de 20 versiones únicas de impresoras 3D. La mayoría de los proyectos de código abierto mantienen un manual de ensamblaje detallado, pero se pierden los detalles que hacen que una máquina sea un equipo de taller excelente, confiable y divertido de usar. El artículo ha crecido mucho, pero esperamos que llene suficientes vacíos para convertir cualquier proyecto de impresora 3D de bricolaje en un éxito. También es probable que esté incompleto, ¡así que agregue sus propios hallazgos en la sección de comentarios!