Ha llegado el momento de construir una nueva impresora 3D. Si bien la impresora 3D anterior que diseñé y construí hace 5 o 6 años todavía está en uso, con demasiada frecuencia me encuentro con sus limitaciones. Esto está empezando a afectar mi flujo de trabajo y, honestamente, también afecta mi disfrute de la impresión 3D.
Para solucionar esto, decidí diseñar y construir una nueva impresora 3D y comenzar desde cero. Un gran desafío, pero también muy divertido. Desde que construí la última impresora, he aprendido mucho y espero aplicar algunos de esos nuevos conocimientos al diseño de la nueva impresora.
En este artículo daré más detalles sobre mis motivaciones y metas, y compartiré el progreso que he hecho en este proyecto hasta ahora.
¿Qué estaba mal con la vieja impresora 3D?
Los mayores problemas que tengo con la impresora antigua son los siguientes:
- La plataforma de construcción es demasiado pequeña. 20×20 cm ya no es suficiente espacio. Para algunos próximos proyectos, necesito imprimir piezas que excedan la placa de construcción de 20×20 cm.
- No hay mucho espacio para actualizaciones. Si añadiera una extrusora adicional para la extrusión doble, o incluso ventiladores de refrigeración adicionales en el carro de la extrusora, el carro de la extrusora sería demasiado grande. Por el momento es lo suficientemente pequeño para hacer uso de la placa de construcción completa, pero aumentar su tamaño reduciría su distancia máxima de viaje a menos de 20×20 cm.
- Alto. La impresora utiliza bastantes ventiladores pequeños de altas RPM para enfriar el filamento, la fuente de alimentación, los MOSFET Smoothieboard, etc. Agregue a eso el ruido de los motores paso a paso y, a veces, puede parecer que hay un chorro despegando en la habitación.
- Polvoriento. El polvo se acumula en todas partes en la impresora 3D, especialmente en verano. La impresora se encuentra frente al aire acondicionado, por lo que en los meses más cálidos se acumula una gran cantidad de polvo del aire de la habitación. La construcción de la impresora tampoco se presta a que se limpie muy fácilmente, ni hay suficiente espacio para una carcasa de impresora 3D a su alrededor.
Aparte de estos problemas, también hay un montón de otros más pequeños. Por ejemplo, problemas de desalineación que se han deslizado y componentes que comienzan a desgastarse.
En cuanto al diseño, hay mucho que se puede mejorar en la impresora. Usé un enfoque de aprender haciendo en el diseño y la construcción, y desafortunadamente eso significa cometer algunos errores en el camino.
Fue una buena experiencia de aprendizaje, pero ahora es el momento de seguir adelante y hacer las cosas de la manera correcta.
¿Por qué no actualizar la impresora antigua?
Se me pasó por la cabeza actualizar la impresora anterior, pero pronto me di cuenta de que no era factible. La razón principal de esto es la (falta de) rigidez de los Makerbeams de 10×10 mm.
Si bien los Makerbeams son excelentes para cosas pequeñas y para construcciones grandes que son estáticas, no son lo suficientemente resistentes para construcciones grandes con partes móviles. A medida que actualicé la impresora y aumenté el volumen de construcción con el tiempo, la flexibilidad de Makerbeams se volvió bastante clara. Tuve que reforzar el marco con un poco de refuerzo cruzado y vigas adicionales para asegurarme de que no se doblara demasiado durante la impresión.
Ampliar el marco para que se ajuste a una placa de construcción de 300 x 300 mm requeriría una cantidad aún mayor de refuerzo adicional para mantenerlo lo suficientemente rígido. Debido a la impracticabilidad de eso, y al precio de las Makerbeams y sus accesorios (bastante alto en comparación con la extrusión 2020 o 3030), no consideré que fuera una opción válida.
¿Cuáles son los objetivos de la nueva impresora 3D?
Dado que estoy empezando desde cero, soy capaz de construir lo que es para mí ahora mismo la impresora 3D ideal. Esta es la lista de especificaciones que se me ocurrió:
- Volumen de impresión de 300*300*~400 mm. Esto es lo suficientemente grande para cualquiera de mis próximos proyectos.
- Extrusión 3030 para el marco. Esto debería ser lo suficientemente rígido para una impresora 3D de este tamaño.
- Extrusión 2020 para las partes móviles. Los pórticos X y Z se mantienen lo más ligeros posible utilizando la extrusión 2020 en lugar de la 3030.
- Cama calefactable 240V. Alimentar la cama con la red eléctrica (en lugar de 12/24 V) significa que el cableado no tiene que transportar tantos amperios, lo que es mucho más seguro. El uso de 240 V también me permite obtener una fuente de alimentación de CC más pequeña para la electrónica.
- Carriles lineales para todos los ejes. Los rieles lineales son en muchos sentidos superiores a las barras lineales, ya no hay necesidad de usar barras lisas.
- Configuración de triple husillo + doble riel lineal para el eje Z. Esta parece ser la forma más estable de mover el pórtico Z hacia arriba y hacia abajo sin restringirlo demasiado.
- Mecánica de la impresora 3D CoreXY. Esta será la misma que la impresora anterior. Tener la masa del motor paso a paso X/Y montada en el marco permite una aceleración más rápida del carro XY y menos timbre.
- Completamente cerrado con paneles de acrílico/plexiglás. Esto evitará la entrada de polvo y mantendrá algo del sonido. También permite calentar la cámara de impresión y filtrar los humos de la impresora 3D.
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- Tablero de control de 32 bits. La impresora debe poder imprimir a alta velocidad, alta aceleración, alta resolución y con el menor ruido posible. Un controlador de 8 bits es demasiado lento para eso, por lo que es una placa base de impresora 3D de 32 bits.
- Conectividad WiFi en lugar de Ethernet. No más cables Ethernet en mi espacio de trabajo. En combinación con la especificación de 32 bits anterior, la elección lógica para una placa de control es Duet 2 Wifi. Esta placa también utiliza los controladores paso a paso TMC2660 que pueden ejecutar los pasos silenciosamente usando micropasos de 1/256 pasos.
- Interfaz de pantalla táctil. En su mayoría, controlaré la impresora 3D a través de WiFi, pero a veces podría ser útil poder controlarla de forma independiente. Además, creo que una pantalla táctil se suma al factor de frescura.
El progreso hasta ahora
En los últimos meses diseñé las partes principales de la impresora 3D en SOLIDWORKS. El diseño aún no está completo, pero está lo suficientemente avanzado como para comenzar a construir.
La mayoría de los componentes que necesito para construir la impresora se han pedido y han llegado.
También comencé la construcción en sí. En mi entusiasmo por comenzar, olvidé tomar muchas fotos, pero me aseguraré de documentar todo correctamente el resto de la construcción.
El marco
Empecé a construir la impresora 3D construyendo el marco. Para hacer esto, tuve que atornillar la extrusión 3030 que forma el marco.
Debido a que usé juntas ciegas para la construcción, esto significó mucho perforar y roscar los extremos de la extrusión. Si alguna vez necesita hacer lo mismo y tiene la opción de roscar los extremos de su extrusión de aluminio en la tienda, vale la pena el costo adicional.
El marco como se estaba construyendo.
Cuadrar el marco tomó algún tiempo, pero fue perfectamente factible con la ayuda de un transportador digital. Recomiendo usar siempre uno al cuadrar el marco de una impresora 3D. Comenzar con un marco desalineado es una receta para el desastre más adelante en la construcción.
Solo después de construir el marco me di cuenta de lo grande que será esta impresora 3D. Mide 1 metro de alto, con un ancho y una profundidad de 56 cm. Conocía las dimensiones antes de construir, pero es difícil hacerse una idea del tamaño real a partir del software CAD.
La razón principal de las grandes dimensiones exteriores es que la impresora estará completamente cerrada y todo debe encajar en el interior del marco.
La electrónica y la pantalla táctil se montarán debajo del área de impresión.
Por encima del área de impresión debe haber suficiente espacio para los motores paso a paso y para que el filamento de entrada se doble libremente a medida que el carro del extrusor se desplaza.
Como referencia, el volumen de impresión será de 31,4*31,4*45 cm.
etapa Z
Además de ensamblar el marco de la impresora 3D, también comencé a construir el Z-stage.
Imprimí en 3D las primeras piezas del prototipo y monté los tornillos de avance, el motor paso a paso del eje Z y las correas de distribución GT2.
El sistema de triple husillo en la impresora 3D.
Los tres tornillos de avance son impulsados por un solo motor paso a paso. La ventaja de esto es que no hay riesgo de que los tornillos de avance se desincronicen. Esto es algo que puede suceder cuando cada husillo es accionado por su propio motor paso a paso.
Un primer plano del sistema de accionamiento del eje Z.
Agregué varios brazos con poleas que enrutan las correas de distribución para sincronizar los tornillos de avance a lo largo del borde exterior de la impresora 3D.
Esto se ve mucho más limpio que un solo cinturón largo que viaja a través del centro de la impresora y también permite un fácil acceso a los componentes electrónicos que se montarán debajo.
No he visto a nadie más enrutar los cinturones de esta manera, y no estoy 100% seguro de que funcione, aunque no veo ninguna razón por la que no lo haga. El tiempo dirá.
El paso a paso NEMA17 impulsa los tornillos de avance con una reducción de engranajes de 2:1 (usando una polea de 20T en el eje del motor y una polea de 40T en el tornillo de avance trasero). Esto debería proporcionar suficiente torque para mover el pórtico Z sin problemas.
Sin la reducción de engranajes, el paso a paso NEMA17 podría no ser lo suficientemente fuerte, ya que la cama calentada de aluminio + la superficie de vidrio + el marco del pórtico en Z de aluminio pesarán bastante. Sin embargo, siempre puedo cambiar a un NEMA23 si es necesario.
¿Lo que sigue?
El siguiente paso es instalar el pórtico Z en la impresora 3D y alinear correctamente todos los rieles lineales y tornillos guía. Espero que este sea un proceso tedioso que requiera mucho tiempo. No por casualidad, también es la parte de la construcción que menos anhelo.
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Registro de construcción de la impresora 3D: ensamblaje del eje Z