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Aug 18, 2023

驚くべき失望マシンではなく、3D プリンターの主力製品を構築する

Le stampanti 3D sono diventate incredibilmente economiche ed è possibile ottenere un’unità perfettamente funzionante.

3D プリンターは信じられないほど安くなり、クラウドファンディングの深淵にお金を注ぎ込まなくても、200 ドルで完全に動作するユニットを入手できます。 今でもキットを購入したり、自分で 3D プリンターを最初から組み立てたりして、安価で購入できる機械に 200 ドルと膨大な時間を費やして投資している人たちを見ると、「一体なぜそんなことをするの?」という疑問が湧きます。 」 当然のこととして生じるかもしれない。

答えは簡単です。正しく作られた DIY 3D プリンターは頑丈な主力製品です。 いつでも機能し、壊れることはなく、たとえ壊れたとしても、それらは自分自身のためのスペアパーツの無尽蔵の源です。 これらは、まさにあなたが構築すべき品質と機能を備えています。 散らかったものはなく、欠けているものもありません。 しかし、DIY 3D プリンターという用語は、現在一般的に受け入れられている使用法では、実際には、誰かがこれまでに作った最初で最後の 3D プリンターを意味しており、多くの場合、驚くべき失望するマシンで終わることになります。

この投稿は、これらすべてのビルドの可能性を最大限に引き出し、ネジ付きロッドと合板のほぼすべての組み合わせをワークショップグレードの機器に変えることに専念しています。

不安定なメンデルのネジ付きロッド フレームの時代はとうの昔に終わり、不安定なシングルシートの Prusa i3 フレームの時代に取って代わられています。 まともな印刷結果を得るには非常に頑丈なフレームが必要なので、可能な限りブラケットとスタビライザーを追加してください。

立方体型のプリンターをアルミニウム押し出し材から構築している場合は、アングル ブラケットを使用してフレームを安定させます。 Prusa i3 バリアントを構築している場合は、スタビライザー付きのフレームを購入するか、後でスタビライザーを追加することを確認してください。 古典的なメンデルを構築している場合は、クロス支柱にスタビライザー ボードを追加します。

PLA は、DIY 3D プリンターの 3D プリント部分としては最悪の材料選択です。第一に融点が低く、第二に脆いという点です。 ほとんどすべての素材がより優れたパフォーマンスを発揮しますが、少なくとも ABS パーツは永久に長持ちします。 層の密着性を高めるには、少なくとも 255 °C で非常に高温で印刷してください。失敗することはありません。 それでも、可能なので、常に予備のセットを保管してください。 3パックである必要はありません。

しかし、3D プリントされたパーツの絶対的な精度と表面品質は、一般に、それらが取り付けられるアルミニウムの押し出し材やシート素材ほど洗練されていません。 ネジを使用して 3D プリントしたパーツを平らな面に取り付ける場合、しっかりとした接続を得るには基本的に 2 つのオプションがあります。ネジを非常にきつく締めます。これにより、ほとんどの場合 3D プリントされたパーツが破損します。または、目の細かいサンドペーパーを使用して接触部分を平らにします。 3D プリント部品の表面を調整して、2 つの部品が適切に接触するようにします。 ネジが適切な量の圧力を加えると、2 つの表面間の静摩擦が引き継ぎ、せん断力に対する高い抵抗力が得られます。

剛性フレームと組み合わせることで、さまざまな構成のベルト ドライブ (H ボットを除く) とスピンドル ドライブの両方が、X および Y 方向の FDM 要件を大幅に超える反復精度を達成できます。 ただし、ドライブ システムの品質と寿命は、関連するコンポーネントの品質に大きく依存します。 ここで最も一般的な落とし穴は、偏心プーリーやカップリング、およびバックラッシュを引き起こすコンポーネントです。 ベルトの歯を研磨すると振動が発生する可能性があるため、すべてのベルトがプーリーとアイドラー トラックの中心で走行していることを確認してください。 ベルトがプリンタの他の部分と擦れないように、フランジ付きアイドラーまたは少なくともワッシャーを使用してください。

Z 軸については、一般的なフレックス カップリング ソリューションにネジ付きロッドを組み合わせた ACME 親ネジ シャフトを統合したステッピング モーターから期待できる品質の向上は、寿命の観点から見ても、非常にわずかであることに言及する価値があります。 Z 軸のステンレス鋼 M5 ネジ付きロッドにより、自動ベッドレベリングの安定したストレスにさらされた場合でも、優れた印刷結果が得られ、長年にわたって持続します。 この場合、予算の解決策で十分である可能性があります。 もちろん、大きくて重いプリンタ アセンブリには適切な親ネジが必要です。

ビルドがデスクトップ 3D プリンタの一般的なサイズと重量を超えない限り、X 軸と Y 軸でのリニア ボール ベアリングの使用は避けてください。これらは非常に一般的な故障点となるためです。 メーカーによって品質は大きく異なり、安価なショットは最初は良く見えても長くは続きません。 3D プリントされたプラスチックの破片や、それ自体のアセンブリの破片であっても、遅かれ早かれブロックが発生します。 ここでは、トライボロジーのポリマー製スライド ベアリングが最適です。 これらは自己潤滑性があり、メンテナンスフリーで、少なくともリニアボールベアリングの基準では事実上永久に持続します。 これらは、一般的に使用されている LM8UU のドロップイン代替品として、日本標準互換のフォームファクタでも入手できます。

キャリッジの角度安定性を高めるために、複数のリニア ベアリングを並べて使用しないでください。 ほぼすべてのリニア ベアリング タイプで利用可能な延長バージョンがあります。たとえば、2 つの LM8UU の代わりに LM8LUU フォーム ファクタを使用します。

予算に限りがある場合でも、X 軸と Y 軸およびギアなしの押出機には、ステップ角 1.8° ではなく 0.9° のステッピング モーターを使用することを検討してください。 おそらく 1 個あたり 2 ドルか 3 ドル高くなりますが、機械的な解像度が 2 倍になり、非常に目立つ可能性があります。 マイクロステッピングは振動を軽減するのに最適ですが、一般に信じられていることに反して、実効的な印刷解像度は向上しません。 次のヨーダ ヘッドの画像は、品質の違いをはっきりと示しています。 これらは、まったく同じ G コードから、まったく同じ Prusa i3 上に 0.1 mm の層高で印刷されます。唯一の違いは、モーターの物理的なステップ角です。

ステッピング モーターはその電流でのみ最大トルクを供給できるため、ステッピング モーター ドライバーの定格電流はステッピング モーターの定格電流を供給できる必要があります。 ドライバーが常に最大値になるのを防ぐために、20% のマージンを残してください。 たとえ一部の小売店が、(間違ったサイズの) ヒートシンクと (品質に疑問のある) 熱接着パッドを備えた Pololu スタイルのドライバー モジュール (つまり、A4988 や DRV8825) を出荷したとしても、これらのヒートシンクは通常、良いことよりも害を及ぼすことの方が多いです。 それらを省略し、20% の電流マージンを維持すれば、常に最大のトルクが得られます。

それに加えて、特に小さな Pololus など、複数のステッピング モーターを 1 つのドライバーに配線しないでください。 各ドライバにバッファコンデンサを備えた適切なポートデュプリケータを入手できない場合、安価で十分に使える回避策は、メスヘッダを 1 つの Pololu ドライバにはんだ付けし、モーター用のオスヘッダを追加し、その上に 2 つ目をバックパックすることです。 。

3D プリンター コントローラー ボードの特定の選択は、主に純粋な機能の観点からの個々の要件に依存します。 どのような環境でも常に動作するプラグ アンド プレイ マシンが必要な場合は、Arduino ベースのボードのクローンや、CH340/CH341 などの安価な USB-シリアル ブリッジ代替品を使用する他の製品は避けてください。 最終的には機能するかもしれませんが、すべての主要なオペレーティング システムに対するプラグ アンド プレイ ドライバーの長期サポートは、最終的にはユーザー エクスペリエンスの一部となるため、お金を払う価値があるかもしれません。

コンポーネントを理解し、信頼できるデータシートが付属する温度センサーのみを使用してください。 そうしないと、測定された温度がわずかに正確な推測になるだけです。 温度コントローラーが温度を安定に維持できるように、センサーが加熱ベッドまたはホットエンド ヒーター ブロックに適切に熱結合していることを確認してください。 ここで使用するのがサーマルコンパウンドです。 NTC サーミスタは通常、一部のエンジニアリング プラスチックの印刷に必要な 300°C を超える温度には耐えられず、熱電対に閉じ込められることになります。 それに加えて、加熱ベッドとホットエンドの温度を EPCOS NTC、Vishay NTC、Semitec NTC、または溶接チップ K タイプ熱電対のいずれで測定するかは必ずしも重要ではなく、それらはすべて十分な精度を備えています。

SD カード リーダーを備えた LCD コントローラーにより、3D プリンターがスタンドアロンの工場に変わります。 非グラフィック表示を備えた古典的な RepRapdiscount SmartController は、ほとんどの構成に完全に対応します。 付属の RAMPS アダプターで使用すると問題なく動作するクローンもありますが、その一部はコネクター列が 180 度反転しているため、ディスプレイ パネル専用の EXT ポートを備えたボードに接続する場合は注意してください。ルンバ。

ほとんどのファームウェアが一般的な LCD コントローラーに提供するクリック アンド スクロール メニューは少し乱雑で使いにくいかもしれませんが、それは非常に簡単に修正できます。これについてはこの投稿で後ほど説明します。

OctoPrint が搭載された Raspberry Pi は、おそらく LCD タッチスクリーンを備えていても、スパースな LCD コントローラーに比べて使いやすさと生産性が大幅に向上します。 これにより、G コードをスライサーからプリンターに無線で直接送信でき、快適なユーザー インターフェイスを通じてプリンターを簡単に制御できるようになります。 ただし、マシンにいくつかの障害点が追加されます。 SD カードとマイクロコントローラー間の SPI 接続はほぼ完全に安全ですが、遅かれ早かれ Raspberry Pi のフリーズや OctoPrint のハングを経験することはほぼ間違いありません。 まだまれですが、OctoPrint を使用して G コードをプリンターにストリーミングしている場合は、必ず追加してください

開始 G コードの最初にアイドル タイムアウトを有効にし、

最後のGコードの最後で、再度無効化します。 30 秒のタイムアウトにより、OctoPrint ホストがフリーズするか、スケジュールどおりに印刷が終了する前にコマンドの送信が停止した場合に備えて、プリンターが強制終了され、すべてのヒーターがオフになります。

280° の印刷温度での ABS 層の接着は非常に強力で、最初の試行でひび割れや反りを生じることなく、大きくて丈夫な ABS モデルを簡単に印刷できます。 溶融ゾーンに達する PEEK 絶縁体と PTFE ライナーは、はるかに低い温度で劣化し始めるため、ここではフルメタルのホットエンドが最適です。 したがって、加熱時間を短縮するには、フルメタルのホットエンドと少なくとも 40 W のカートリッジを使用してください。 ホットエンドがプリントヘッドのマウントにしっかりと固定されていることを確認してください。

ボーデン押出機にはある程度のバックラッシュがありますが、ABS、PLA、ナイロンを印刷する場合には必ずしも問題になるわけではありません。 しかし、(ここに固有の用語を挿入)Flex などの柔軟な材料の 1.75 mm バージョンは、ボーデン押出機とほとんど互換性がなく、せいぜい非常に面倒です。 これらを扱う予定がある場合は、ダイレクト ドライブ押出機を使用してください。 ダイレクトドライブ押出機を使用する場合でも、スプールホルダーのチューブフィッティングに安全に取り付けられたボーデンチューブを通してフィラメントが押出機に供給されていることを確認してください。 薄っぺらなリニアガイド上の押出機がスプールから直接材料を引っ張るセットアップでは、印刷中に引っ張る力が予期せずプリントヘッドを偏向させるため、通常は悪い結果が得られます。

Wade の押出機や AirTripper の Bowden 押出機など、ほとんどの 3D プリント押出機アセンブリは、購入できるより高価なものと同様に機能します。 押出成形の一貫性と信頼性にとって最も重要な要素は駆動ギアです。 鋭い歯と優れたグリップを備えた、高品質の硬化スチール製ドライブギアまたはホブボルトを選択してください。

長い加熱時間は生産性の低下につながります。また、3 分程度以内に温度に素早く到達するには、通常の PCB 加熱ベッドの電力密度が約 1+ W/cm2 (6.5 W/in2) である必要があります。 通常の条件下で 110° (230 °F) に到達するには、加熱ベッドが約 0.3 W/cm2 (2 W/in2) の最小電力密度を供給する必要があります。 ABS など、高いベッド温度を必要とする材料を印刷する場合は、そのサイズに応じて必要な加熱ベッドのワット数を考慮してください。

片面 PCB 加熱ベッドは、銅配線と基板材料の不均一な熱膨張により上下に呼吸する傾向があり、表面仕上げがバンディング パターンの影響を受ける可能性があります。 アニメーションは問題を非常に明確に示しています。

高品質のプリントは数十ミクロンの Z 位置決め精度に依存しているため、わずかな温度変動でも片面 PCB ヒーターによって不要なアーチファクトが発生する可能性があります。 両面 PCB ヒーターまたはこの問題が発生しない他の代替品 (つまり、アルミニウムの固体スレートに取り付けられたシリコン ヒーター マット) を、適切に調整された PID 制御ループとともに使用してください。

Prusa MK42 などの最新の加熱ベッドは、不均一な電力密度で不均一な熱損失を補償することで、より均一な温度分布を実現します。これは、大きな構造物をその隅のビルド プレートに貼り付けるのに非常に役立ちます。 いずれの場合も、必ず温度遮断ヒューズを加熱ベッドの底面中央に直接取り付けて使用してください。

加熱ベッドは、それが置かれるフレームまたはキャリッジにしっかりと取り付けられている必要があります。 ぐらつくバネを備えた緩い調整ネジを使用して取り付けないでください。印刷品質に重大な影響を与えます。 理想的には、加熱ベッドをできるだけまっすぐにボルトで固定し、自動ベッドレベリングを使用して微調整します。

プリンターを箱に入れると隙間風が防止され、熱が保たれるため、ABS からより大きなオブジェクトを歪みを抑えて印刷できます。 筐体自体は、十分な大きさのボックスや美しいアクリル製のプリントリウムなど、何でも構いません。 熱が内部に留まる限り、機能します。 モーター ドライバーと電源の過熱を防ぐため、プリンターの電子機器は加熱されたビルド チャンバーの外に置いてください。 アクティブに加熱されるビルド チャンバーには、アクティブに冷却されるホットエンド ヒートシンクも必要であることに注意してください。

全体的な熱出力が低下するため、加熱ベッドの下側に断熱材を追加しないでください。 過剰な断熱材を使用せずに受動的に加熱されるビルド チャンバーは、加熱されたベッドからの熱を保持するだけで、簡単に約 40°C 以上に達します。 全体を分解せずに筐体を取り外せるようにすることで、メンテナンスを容易にします。ドアがあれば便利です。 いずれにしても隙間風は避けてください。 ABS および HIPS を印刷する場合、即興の筐体や小さなキャビネットであっても、まったくないよりは優れています。

通常の窓ガラス板や鏡は確かに高温に耐えることができますが、110°C ではわずかな衝撃で割れてしまいます。 PLA や PET(-G) などの素材に適したガラスに印刷する場合は、ホウケイ酸ガラスを使用してください。 ABS、HIPS、さらには PLA の印刷には、ポリエーテルイミド (PEI) 印刷面が最良の選択肢として当然のことながら高く評価されています。 ABS は印刷中はしっかりと貼り付いていますが、印刷後はまだ剥がれてしまいます。 HIPS と PLA も同様に機能します。

しかし、PEI はキログラム価格が数百ドルという高価な材料であるだけでなく、供給量も少ないため、薄い PEI 接着フィルムの使用が増加しています。 これらのフィルムは、同様に優れた接着力と印刷体験を提供しますが、非常に壊れやすく、簡単に損傷します。 ワークショップで頻繁に使用する場合は、代わりに 1/8 インチ PEI シートを使用してください。若干高価ですが、耐久性があり、摩耗が見られた場合は CNC ミルで再研磨することもできます。均一な印刷面を得るには、PEI シートが最適です。できれば耐熱転写粘着テープを使ってホウケイ酸ガラスまたはアルミニウムのシートに貼り付けて安定させる必要があります。

PEI または Kapton の薄いフィルムだけが塗られた加熱されたアルミニウム印刷版を使用しないでください。 アルミニウムの高い熱伝導率は、接触層を一定の温度に保つという目標を超え、印刷オブジェクト全体を加熱し、通常は柔らかくなりすぎて自身を支えることができなくなります。

ナイロンの最もよく知られた印刷面は依然としてガロライト (別名タフノール) であることは言及する価値があります。 ナイロンの密着性が高く、大きなナイロン部品でもガロライト上で確実に印刷できます。

古典的なサーボ配備プローブは常にある程度十分に機能しましたが、自動ベッドレベリング用の最も汎用性が高く、正確で信頼性の高いセンサー タイプは、非接触容量性距離スイッチです。 多くのビルド、特に金属製のビルド プレート (Prusa MK42) またはキャリアを備えたビルドでは依然として誘導センサーが使用されていますが、これらのセンサーは非金属の印刷面 (ガラス板、PEI、ガロライトなど) を無視し、下地の金属板。 もちろん、これはオフセットで説明できますが、そのオフセットが一定で均一であることはほとんどありません。 それに加えて、すべての非接触距離スイッチには一定の精度があり、通常は調整可能なトリガー距離に対して約 10% です。 最大の精度を得るには、短いトリガー距離 (理想的には 1 または 2 mm) で取り付けてください。 もちろん、正確な検査を行うには、センサーをプリント ヘッドにしっかりと取り付ける必要があります。

世の中には素晴らしいファームウェア プロジェクトがいくつかありますが、最も有名なものは Marlin と Repetier です。 Marlin と Repetier は、構成に関してまったく異なるアプローチをとります。 Marlin は、基本設定用と詳細設定用の 2 つの詳細に文書化されコメントされた構成ファイルを使用して、GitHub リポジトリからクローンを作成します。 対照的に、Repetier は Web サイトを使用し、グラフィカル Web インターフェイスでファームウェア設定を作成し、事前構成されたソースをダウンロードできます。 これらのソースには設定ファイルも含まれていますが、Marlin のソースほど詳しく文書化されていません。

特徴と機能に関しては、Marlin は提供する機能が少ないですが、主力 3D プリンターにふさわしい、高度に構成可能で信頼性の高い堅牢なプラットフォームです。 対照的に、Repetier は、色混合用の仮想エクストルーダーを含む (ただしこれに限定されない) 多くの実験的な機能を提供します。 これは、よりエキゾチックな 3D プリンティング アプリケーションの最前線を探索するための理想的なファームウェアです。 ただし、その豊富な機能のすべてが常に十分に文書化されているわけではないため、ワークショップで使用するためのクリーンで信頼性の高いものを探しているだけの場合は、必ず問題が発生します。

温度が安定している場合のみ、バンディングやアーティファクトのない高品質のモデルを印刷できます。 シンプルなバンバン温度制御スイッチでは、必要な温度安定性が得られません。 安定したホットエンドと加熱ベッドの温度を達成する最も簡単で最良の方法は PID 制御ループであり、Marlin と Repetier の両方がそのオプションを提供します。 また、PID 自動調整プログラムも提供しており、加熱時間や過度のオーバーシュートを損なうことなく、温度曲線のリップルを解決します。 Repetier は、代替のデッドタイム制御アルゴリズムも提供しており、多くの場合、同様に機能します。 ただし、デッド タイム制御ループの精度と有効性は、有効なデッド タイムの比率と制御ループのポーリング/更新間隔によって異なります。 その結果、数十ミリ秒のデッドタイムが発生する高出力発熱体の温度安定性が低下します。 PID を使用するだけです。

アクティブ化されたディスプレイ サポートを備えた標準の Marlin または Repetier ファームウェアにより、スクロール アンド クリック メニューからほぼすべての制御オプションを利用できるようになります。 これは完全ではありますが、乱雑でもあり、軸を移動する前に 4 つのレベルを移動できます。

ワークショップで使用する場合、実際に必要なエントリはほんの一部です。 ファームウェアのソースコード内の不要なエントリを削除するだけです。 Marlin のソースでは、わかりやすい Ultralcd.cpp 内の不要な項目をコメント アウトすることで簡単に実行できます。

移動メニューを簡素化して送り速度の選択をスキップすることもできます。

まれですが、3D プリンターが発火する可能性があります。 ファームウェアによって提供される安全機能を使用しますが、それらだけに依存しないでください。 通常、プレーン MOSFET とソリッド ステート リレーはどちらも導通状態で故障し、発熱が暴走して悲惨な結果を招く可能性があります。 温度遮断ヒューズは 1 ドルのコンポーネントですが、滑走路の加熱床によって作業場がクレーターになるのを十分に防ぐことができます。

主電源が不安定な場合、または同じ作業場で高誘導電力機器 (たとえば、安価なハンドヘルド プラズマ カッターなど) の電源がオンになっている場合は、UPS (無停電電源装置) からプリンターを操作することをお勧めします。 印刷プロセス中の短時間の停電でも印刷が台無しになってしまいますが、その場合は小型の安価な UPS が役に立ちます。

どうやら、優れたフィラメントを作ることは、オーガで加熱されたものにペレットを供給することよりも少し複雑です。 実際に許容誤差を低く抑えるには、正確な測定と閉じたフィードバック ループが必要です。 安価な低品質フィラメントで見つかったフィラメントの欠陥は、閉じ込められた気泡、特性、色、直径のばらつきにまで及びます。 途中で PLA にフェードアウトした ABS のスプールも見つけました。 これらすべては信頼性の高い高品質の印刷には寄与せず、印刷の半分が失敗した場合、価格は安くさえありません。 したがって、マシンの機能のベンチマークとなる優れたフィラメントを必ず入手してください。

DIY プリンターの大きな利点の 1 つはメンテナンスです。 スペアパーツとドキュメントが入手可能なのでそれが可能ですが、マシンで作業するのも楽しいはずです。 きちんとした配線、ケーブル ガイド、およびプリンター全体の電圧と信号の一貫したカラー コードにより、プリンターを使用してから 1 ～ 2 年後にマシンの内部を再検討する必要が生じたときに、多くの時間、フラストレーション、および魔法の煙を節約できます。最初にそれを構築しました。

20 を超えるユニークな 3D プリンターの構築から学んだことをまとめたこの編集を楽しんでいただければ幸いです。 ほとんどのオープンソース プロジェクトは、詳細な組み立てマニュアルを維持していますが、機械を優れた、信頼性が高く、楽しいワークショップ設備にするための詳細を見逃しています。 この記事は長くなってしまいましたが、DIY 3D プリンター プロジェクトを成功させるために十分なギャップを埋めることができれば幸いです。 また、不完全になる可能性があるので、コメント セクションに独自の発見を追加してください。