Drukarka 3D FDM

TECHNOLOGIA NASZEJ DRUKARKI 3D

Dla procesu prototypowania naszych projektów, a dokładniej – dla tworzenia składających się na nie części i podzespołów mechanicznych, konieczne było zaprojektowanie i skonstruowanie drukarki 3D w technologii formowania FDM.

Drukarka 3D FDM funkcjonuje w oparciu o kartezjański układ współrzędnych matematycznych. Technologia ta wykorzystuje trzy osie – X, Y i Z – w celu ustalenia prawidłowego położenia i kierunku głowicy drukującej. W przypadku tego typu drukarki platforma robocza zwykle porusza się tylko w osi Y. Głowica drukująca pracuje natomiast dwuwymiarowo – na płaszczyźnie X-Z.

To układ, w którym stolik porusza się w osi Y, a głowica w osi X i podnoszona jest w osi Z. Przykładem takich drukarek jest drukarka Prusa I3 MK3S. Wiele jest opartych na tej konstrukcji drukarek chińskich producentów takich jak Ender 3, Geeetech A20 oraz pochodnych. Często takie układy nazywane są po prostu Prusa. Zaletami tej konstrukcji jest jej prostota – jeden silnik krokowy odpowiada za ruch w osi X, jeden w osi Y oraz dwa w osi Z. Zdarzają się też konstrukcje, w których dla osi Z stosowany jest tylko jeden silnik. Wadą takiej konstrukcji dla której w osi Y (najczęściej) porusza się stolik jest waga samego stolika, dlatego nie można osiągnąć dużych prędkości.

Inną wariacją takiego układu jest stolik poruszający w osi Z, a głowica porusza się w osi X i Y. Zaleta to to, że stolik porusza się tylko góra – dół, przez co jego masa bezwładna nie ma tak dużego znaczenia. Przez taki układ jednak zwiększamy jednak masę pozostałych dwóch osi.

GŁOWICA

Dla uzyskania bardzo wysokiej jakości druku oraz możliwości drukowania z materiałów typu nanocarbon (PA+15CF) w naszej drukarce zastosowana została głowica E3D TITAN AREO KIT 1.75 mm STANDARD 24V. Stanowi ona kompaktowe połączenie Hot-End i ekstrudera E3D. 

Cechy głowicy TITAN AREO:

PODKŁADKA

Podkładka jest to płyta adchezyjna poliwęglanowa, magnetyczna. Można ją zamienić na arkusz PEI.

PŁYTA GŁÓWNA

Dla uzyskania precyzji oraz skrócenia czasu druku zastosowana została płyta główna Bigtreetech SKR Pico V1.0, która jest kompatybilna z Raspberry Pi.

Kontroler oparty został na wydajnym mikrokontrolerze opracowanym przez fundację Raspberry Pi – RP2040. Mikrokontroler wyposażono w dwurdzeniowy ARM Cortex M0+, który zarządza pracą całego urządzenia. W płycie głównej zastosowane zostały ciche sterowniki silników krokowych TMC2209, pracujące z wykorzystaniem interfejsu UART oraz wspierające oprogramowanie Klipper. Na sterownikach umieszczono duży radiator, który odprowadza nadmiar ciepła i zapewnia dłuższą żywotność płyty głównej. Na płycie zastosowano również markowe kondensatory (MLCC) Murata. Konstrukcja płyty głównej jest zgodna z konstrukcją minikomputera Raspberry Pi, dzięki czemu może zostać ona zamontowana bezpośrednio na „malinie” z wykorzystaniem odpowiednich tulejek dystansowych.

Główne cechy płyty głównej Bigtreetech SKR Pico:

• Korzysta ona z dwurdzeniowego mikrokontrolera RP2040 ARM Cortex M0+. Kontroler wyposażony został w ciche sterowniki krokowe TMC2209 oraz obsługuje oprogramowanie Klipper.
• Bigtreetech SKR Pico V1.0 wyposażony został w duży radiator o dużej wydajności rozpraszania ciepła.
• Na płycie głównej umieszczono dobrej jakości kondensatory (MLCC) znanej marki Murata.
• Bezpiecznik umieszczony został w wygodnym gnieździe, co znacznie ułatwia jego ewentualną wymianę.

STEROWNIKI

Do zoptymalizowania pracy krokowców zostały wykorzytane Stepsticki.

Dwybiegunowy strerownik krokowy 35V, 2,5A ze zintegrowanym wykrywaniem prądu i mikrokrokami 1/256.  

DRV8424/25 to sterowniki silników krokowych do zastosowań przemysłowych i konsumenckich. Urządzenie jest w pełni zintegrowane z dwoma N-kanałowymi przetwornikami mocy MOSFET H-bridge, indeksatorem mikrokrokowym i zintegrowanym czujnikiem prądu. DRV8424 jest w stanie wysterować prąd wyjściowy do 2,5 A w pełnej skali. DRV8425 natomiast, jest w stanie wysterować prąd wyjściowy o pełnej skali do 2 A (w zależności od projektu PCB).

DRV8424/25 wykorzystuje wewnętrzną architekturę wykrywania prądu, aby wyeliminować potrzebę stosowania dwóch zewnętrznych rezystorów wykrywania mocy, oszczędzając przy tym powierzchnię PCB i zmniejszając koszt całego systemu. Urządzenia wykorzystują wewnętrzny schemat regulacji prądu PWM, dzięki któremu można wybierać między opcjami inteligentnego strojenia, powolnego i mieszanego zaniku. Funkcja Smart tune automatycznie dostosowuje się do optymalnej regulacji prądu, kompensuje zmiany silnika i efekty starzenia oraz redukuje słyszalny hałas silnika.

Prosty interfejs STEP/DIR umożliwia zewnętrznemu kontrolerowi zarządzanie kierunkiem i szybkością kroków silnika krokowego. Urządzenie można skonfigurować w pełnym kroku do 1/256 mikrokroków. Tryb uśpienia o niskim poborze mocy zapewnia dedykowany pin nSLEEP. Zapewnione są także zabezpieczenia przed zbyt niskim napięciem zasilania, awariami pompy ładującej, przetężeniem, zwarciami i przegrzaniem. Stany awaryjne są wskazywane przez pin nFAULT.

MINIKOMPUTER

Oprogramowanie drukarki zostało postawione na Raspberry Pi Zero 2 W. To wydajniejsza i stworzona w tym samym formacie wersja Raspberry Pi Zero W.

Raspberry Pi Zero 2 W zawiera czterordzeniowy 64-bitowy procesor Arm® Cortex®-A53 o taktowaniu 1 GHz i jest zbudowany na bazie systemu Raspberry Pi RP3A0 w pakiecie (SiP), integrując kość BCM2710A1 z 512 MB pamięci LPDDR2 SDRAM. Ta konfiguracja umożliwia Raspberry Pi Zero 2 W uzyskanie 40% większej wydajności jednowątkowej i pięciokrotnie większej wydajności wielowątkowej niż oryginalny jednordzeniowy Raspberry Pi Zero W.

Raspberry Pi Zero 2 W oferuje bezprzewodową sieć LAN 2,4 GHz 802.11 b/g/n i Bluetooth® 4.2, obsługę Bluetooth Low Energy (BLE) oraz modułową certyfikację zgodności.

Zero 2 W zawiera gniazdo kart microSD, złącze kamery CSI-2, port USB On-The-Go (OTG) i niezamieszkaną powierzchnię dla 40-stykowego złącza GPIO, zgodnego z HAT. Jest on zasilany przez port micro USB. Wyjście wideo jest przesyłane przez port mini HDMI. Jednak kompozytowe wyjście wideo można łatwo udostępnić za pośrednictwem punktów testowych, jeśli zajdzie taka potrzeba.

Cechy:

• Współczynnik kształtu: 65 mm x 30 mm
• Procesor: Broadcom BCM2710A1, czterordzeniowy 64-bitowy SOC (Arm Cortex-A53 @ 1 GHz)
• Pamięć: 512 MB LPDDR2
• Łączność: bezprzewodowa sieć LAN 2,4 GHz IEEE 802.11 b/g/n, Bluetooth 4.2, BLE, wbudowana antena
• Interfejs USB 2.0 z OTG
• Kompatybilny z HAT 40-stykowy nagłówek we/wy
• Gniazdo kart microSD
• Port mini HDMI
• Złącze kamery CSI-2
• Wideo
• Interfejs HDMI
• Wideo kompozytowe
• Multimedialne
• H.264, dekodowanie MPEG-4 (1080p30)
• Kodowanie H.264 (1080p30)
• Grafika OpenGL ES 1.1, 2.0
• Moc wejściowa: 5 V DC 2,5 A
• Temperatura pracy: -20°C do +70°C

PANEL DOTYKOWY

Ekran dotykowy A – rezystancyjny LCD TFT 3,5” 320 x 480 px GPIO dla Raspberry Pi 4/3/2/B+/Zero – Waveshare 9904

Specyfikacja ekranu dotykowego Waveshare:

• Typ: ekran dotykowy, rezystancyjny
• Przekątna: 3,5″
• Rozdzielczość: 320 x 480 px
• Komunikacja SPI
• Współpracuje z: Raspberry Pi w wersji 4B, 3B+, 3B, 2B, B+, Zero i Zero W (działa bezpośrednio z systemem od producenta)
• Wymiary ekranu: 85 x 56,5 mm
• Zestaw zawiera
• Ekran 3,5″ dotykowy, rezystancyjny
• Śrubki montażowe

Kompaktowy wyświetlacz graficzny dla Raspberry Pi

Ekran dotykowy A – rezystancyjny LCD TFT 3,5” 320 x 480 px GPIO dla Raspberry Pi 4/3/2/B+/Zero – Waveshare 9904, w odróżnieniu od większości wyświetlaczy przeznaczonych dla „maliny”, korzysta z interfejsu równoległego w postaci linii GPIO, nie wykorzystując przy tym portów HDMI ani DSI. Rozwiązanie takie pozwala zamocować ekran dotykowy Raspberry Pi bezpośrednio nad płytką minikomputera, bez konieczności stosowania jakichkolwiek przewodów połączeniowych. Nakładka efektywnie wykorzystuje rozmiary minikomputera, udostępniając użytkownikowi 3,5 cala powierzchni graficznej o rozdzielczości 320 x 480 px.

Uruchomienie ekranu Raspberry Pi

Producent dostarcza obraz systemu operacyjnego, zawierający gotowe sterowniki do obsługi ekranu. Dzięki temu nie jest konieczne mozolne „przedzieranie się” przez noty katalogowe zastosowanych w nakładce układów scalonych i samodzielne programowanie komunikacji z wyświetlaczem.

W zestawie, wraz z ekranem dotykowym LCD TFT 3,5” 320 x 480 px Waveshare 9904, znajdują się pasujące do niego śrubki montażowe, umożliwiające pewne i bezpieczne zamocowanie wyświetlacza do otworów w PCB minikomputera. Brak konieczności stosowania jakichkolwiek przewodów połączeniowych pomiędzy nakładką a Raspberry Pi pozwala łatwo zabudować gotowe urządzenie w obudowie i znacznie zwiększa niezawodność systemu.

ŁOŻYSKA I PROWADNICE LINIOWE

W konstrukcji zastosowane zostały łożyska liniowe o średnicy 12 mm. 

Ogólna charakterystyka prowadnic liniowych PMI: