- Итак, решил я собрать принтер который будет работать на максимальной для середины 2016 года технологической базе, оставаясь в рамках бюджетного коридора "Дешёвый" и используя максимально возможные для этого бюджета комплектующие. Купить готовый сразу не готов, переплачивать три цены за инженерные решения отвергнутые цивилизацией года три назад нет никакого желания. Принтер я рассматриваю как хобби, никаким образом "отбивать" его цену не планирую, занимаюсь этим для собственного удовольствия. В удовольствие входит и процесс сборки, отладки и апгрейда. Эпопея будет небыстрой, для себя заложил срок в три месяца до первоначального запуска и ещё пару месяцев на отладку качества. Т.е. планирую в начале августа 2016 года запуститься и к зиме достичь целевых показателей. Блог этот веду для собственного удовольствия и чтоб потом, по результатам мероприятия, почитать как здорово я заблуждался!
Целевые показатели по ТТХ: Сносная печать на скоростях до 400мм/с включительно на простой геометрии (насколько позволит технология экструзии FDM), 200мм/с в качественном режиме. Точность позиционирования по ХУ 100мкм на полном шаге (подразумевающая 10мкм на микрошаге), по Z - 10мкм на полном шаге (микрошаг тут использовать нет смысла) минимальная толщина слоя, соответственно, определяется соплом и будет 100мкм. Понятно, что все эти вещи будут сильно зависеть от жёсткости конструкции. Нагрев стола до начала работы - 3 мин., рабочий размер печати - 200*300*300мм.
Бюджет изначально планировался 20тр. Сразу стало очевидно что с такими запросами бюджет надо бы удвоить, но я буду стараться удержаться в рамках 30тр.
В первом сообщении буду описывать хронологию проекта, и принятые решения, которые предметно буду обсуждать ниже.
Поехали!
Тут будет хронология.
10.05.16
Сформулировал для себя то, что я хочу получить от данной эпопеи. Законченно выглядящий девайс, имеющий лучшую из возможных скоростей печати на сегодня, и вписывающийся в жилой интерьер по виду/шуму/потреблению/безопасности.
15.05.16
К выбору конструкции подошёл основательно и без спешки. Ввиду этого подбор и закупку всякого долгоидущего принтерного ливера уже начал, а с корпусом пока нахожусь в тягостных раздумьях. Понятно, что это будет рабоче-крестьянский фанерный кубик, а вот какой из - к концу мая решу исходя из проводимых псевдонаучных изысканий.
18.05.16 Стартовал сезон закупок. дальше буду перечислять всё купленное и делить на 2 категории. жизненно важное отдельно. купленное "на всякий случай" отдельно. Пока понятно, что бюджет постройки который закладывал в 20тр. сам собой поднялся до 30тр. ну и чёрт с ним! Планирую закончить освоение бюджета до 10-15 июня 2016 года. Потом только докупка забытого и перезакупка спаленного.
22.05.16 По наводке, принял решение распаралелить электронику на два этапа. Первый - MEGA + RAMPS1.4MTHVE (MEG Tterrible Huge Voltage Edition), для того чтоб запуститься и на Марлине ко всем приставать с тупыми вопросами. И второй: DUO + RAMPS1.4MTHVE-D3,3ls (DUO 3,3v limited series!!), и на ней уже шпилить с любыми скоростями проверяя деревянный кубик на прочность.
Вставил всё в план закупок.
31.05.16 Закономерным результатом перфекционизма стало то, что бюджет уверенно завалил за 40 тр. но вроде виден свет в конце тоннеля. основное закуплено.
05.06.16 Детальные просчёты привели к мысли что заявленных ТТХ на фанере не добиться (недостаточная жёсткость), тем не менее коней на переправе менять не стал. Если не надоест, потом перекину весь ливер в конструктив на алюминиевом профиле.
21.06.16 Пока есть время вечерами в командировке, приступил к практическому изучению TMC2100. Пока неутешительные прогнозы. Работать без радиатора я его научил. Но пока только на запредельно низких скоростях прокатывает, типа 50мм/с. Никуда не годится. При этом весь жир с высокого напряжения питания гадский драйвер конвертирует в тепло на встроенном стабе +5в. И не видно как победить это. По звуку вопросов нет, молчит как партизан!
Тут будут перечислены все закупки и озвучен бюджет.
Тут буду кратенько описывать почему приняты те или иные конструктивные решения.
1. Кинематика
- Смотреть на 3D-принтеры я начал давно. И моделей работы пересмотрел множество. Были те, на которые без слёз не взглянешь, были и те, работу которых представлял с трудом, но оно шевелилось. Сразу требованиями для себя поставил механическую надёжность, не хотелось чтоб эта хлабуда рухнула не выдержав собственного веса (а такие конструкции на каких-то "спицах" я видел). Из этих пожеланий сразу отшли в мир иной разнообразные порталы в ад, гоняющие по недетской станине. Так-же эстетически хотелось закрытый корпус, а не сгусток проводов висящий на рогах направляющих оси Z.
Поэтому пересмотрев все эти ваши монументальные Прюши, скелетообразные RepRapы из говна и палок и прочие поделия опечалился ходом научной мысли. Всё было не то, всё навевало грусть инженерными подходами и внешним видом. Видя как поделие на шестых валах пытается дёргать столом и гнётся на ходу чуть не пополам пришёл ко мнению что стол должен обязательно стоять. Чтоб модель на нём не шаталась - стол должен стоять как влитой. Таких моделей кинематики не много, почему-то изобретатели так и норовят сделать что попроще - подрыгать столом. Опасливо посмотрел и закрыл тему Дельты. Инопланетное чудовище, не хотелось с ним бороться, к тому же с детства я живу в прямоугольных координатах и старческий мозг явно треснет от осмысления такой кинематики.
После всего вышеперечисленного наткнулся на CoreXY и H-BOT. Так как конструктив Core не популярен у производителей корпусных китов остановился на H-BOT. Корпус решил покупать любой нормально сделанный, резать самому фанеру или искать ей замену сразу было лень. А готовые КИТЫ в наличии только под H-BOT. На этом и успокоился.
2. Шаговые двигатели
- Чисто волюнтариски изначально принял решение искать двигатели 0,9°/шаг. Хотелось поиметь в любом случае максимально достижимую точность за приемлемые деньги. Такие двигатели нашёл в последний момент занедорого, когда уже плюнул даже искать. Сразу был готов к тому, что теоретически 0,9 движок будет в два раза медленнее обычного. Как показали дальнейшие расчёты скорости хватит с запасом, при умелом выборе напряжения двигатель должен с запасом отрабатывать скорости вплоть до 400мм/с. И на практике принтер упрётся вовсе не в движки.
Второе пожелание к движку было - высокоомный. Хотелось как можно сильнее уменьшить потребляемый ток и играть напряжением, чтоб проблема охлаждения в моём случае даже не фигурировала на повестке. Для себя после расчётов поставил планку - 4-5 ом на обмотку. Это позволяет сократить ток движка ниже 1А и повсеместно упрощает и уменьшает радиаторы и прочие вентиляторы. Тут недотянул, движок нашёл на 2,9 ом, и выбора не было. Как показали дальнейшие расчёты, и хорошо что не нашёл 5 ом, такому надо было бы городить питание 48в и выше, чего не потянула бы остальная электрическая часть принтера, и геморрой бы вырос по экспоненте.
3. Шум
- Так как одной из целей было вписать агрегат в жилое пространство, сразу ставил задачу сделать его по возможности бесшумным. На дворе 21 век и ничего не мешает это осуществить. Стоить будет не так дорого, чтоб экономить на своём комфорте. Основной шум в данном устройстве как ни странно будет происходить от резонанса фанеры в такт шаговым двигателям. Так как избавиться от фанеры не получится, сразу начал искать способ уменьшения шума от двигателей.
- Первое, везде где надо буду ставить прокладки. Вещь копеечная, а радикально поможет с шумом.
- Второе, покурив достаточное количество форумов и даташитов определился, что меня полностью устраивают тихие драйверы ТМС2100 даже не смотря на свои ограничения. Ограничения продиктованы дерьмовыми выходными каскадами в них, с большим сопротивлением канала, что влечёт перегрев на умеренных токах. Но ввиду того, что я собираюсь строить высоковольтное чудовище (см. высокоомные моторы) мне в целом плевать на максимальный ток драйверов. Рассчитываю выставить его 0,5-0,6А и гонять на любых скоростях, лишь бы фанера не треснула от ускорений.
- В третьих, малый ток на всей электронике позволяет повсеместно обойтись пассивным охлаждением, предполагаю поставить один, максимум два тихоходных карлсона на всё устройство (исключая hotend, с ним своя песня и свои способы боротьбы с шумом). Для этой цели всё что может греться или вынесу в охлаждаемое пространство или перепаяю, чтоб повернуть к потоку воздуха головой.
- Ну и в четвёртых, подумываю пропитать фанеру каким-нибудь нажористым химикалием, чтоб резко понизить её желание резонировать, возможно покрою чем-то сверху, может быть навешу окна-двери, чтоб усложнить гуляние звуковых волн в добавок к другим плюсам такого решения.
В связи с этим планирую закупить много чего, и тем самым отяготить бюджет в необязательной его части.
4. Напряжение питания агрегата
- Первое. Не смотря на всеобщую уверенность что момент удержания, а как следствие и рабочий момент мотора зависит от тока, и "шаговик управляется током", такой подход является заблуждением. Шаговик управляется "током и индуктивностью обмотки", вот такие дела. Естественно, когда я выбирал движок, для меня важным было не только уменьшение протекающих в системе токов, но и рабочий момент на нормальном для NEMA17 (раз уж в фаворе такой типаж движков) уровне. Взяв за основу рабочий момент в ~400мН*м. Кстати, судя по моим расчётам, для осей XY на обычных рабочих скоростях и ускорениях вполне достаточно или коротких NEMA17 (20-34мм) или вообще NEMA13, позволяющих окультурить конструкцию и снизить массу (вес всех движков запросто забегает за полтора кило, а некоторые расположенные в верхней части успешно расшатывают конструкцию своим весом и рывками). Но, повсеместное увлечение блоками питания в 12 вольт увы, ставит крест на миниатюрных движках, потому как они почти сразу после разгона теряют весь момент и не в состоянии двигать головку без пропуска шагов, но об этом позже. Итак, отметив что при повышении индуктивности можно пожертвовать током, и имея в виду что косвенно индуктивность мотора можно оценить через сопротивление обмотки (при одинаковом форм-факторе движка) Поискал и нашёл движок с умеренным током в 1,5А и индуктивностью/сопротивлением в два раза выше стандартных дешёвых 4401. В моменте не потерял, приобрёл возможность снизить ток до уровня менее 1А при отличных динамических параметрах движка.
- Второе. Зачем же так неистово хотелось снизить ток. Опять же, развею заблуждение что рассеиваемая на тепло мощность конструкции драйвер+двигатель рассчитывается по закону ома как подводимое напряжение*ток и никуда не деться от этого тепла которое рассеется и на драйвере и на моторе при любых ухищрениях. Это не так. ШИМ драйвер представляет из себя некую схему на выходе которой стоят MOSFET, и работая в ключевом режиме регулируют средний ток через катушку в соответствии с заданным. В случае когда питающее напряжение в разы и десятки раз превышает паспортное для режима удержания, как нетрудно догадаться скважность ШИМ сигнала драйвера на двигатель довольно велика и большую часть времени MOSFETы находятся в закрытом состоянии лишь иногда взбадривая движок подачей на катушку запредельного напряжения, чтоб приободрить начавший было угасать в ней ток. Что-же происходит с рассеиваемой на драйвере мощностью, приводящей к перегреву и прочему? А она соответственно зависит строго от сопротивления канала этих MOSFET в открытом режиме, пресловутого Ron. В микросхеме драйверов место под MOSFET-ы ограничено, и, если изучить технологию их производства и структуру, станет понятно, что на ограниченном месте можно разместить только откровенно говённые MOSFET-ы. И так и происходит. Например самые простейшие микросхемы драйверов А4988 (82,83 и прочие из семейства) и DRV8825(24,23 и т.д.) могут выделить много места под эти выходные ключи и поэтому ключи там получше (Ron=0,2-0,3ом). А вот как драйвер выполнен на передовом уровне, как TMC2100, так места под ключи остаётся мало, ключи от этого выходят откровенно дерьмовые (Ron=0,5ом) И получается что самый лучший из трёх рассматриваемых драйверов имеет самый худший из них выходной каскад, который, надо признать, не тянет те токи в 2-3А которым его принято нагружать в данных поделках. Ну не с может он рассеять в открытом состоянии 1-1,5Вт ни просто так ни с игрушечным радиатором ни с системой жидкостного охлаждения, просто даже на корпус с трудом может передать столько и перегревается. И зачем драйвер который по чесноку должен рулить токами менее 1А, а лучше и ещё поменьше - насилуют и потом кровавыми соплями размазывают по форумам стоны о том какое говно этот драйвер я честно сказать не понимаю. Ну есть же даташит, есть же голова, легко сложить одно во второе и понять - ребята, данный драйвер относится к премиум сегменту данных устройств и требует соответствующего отношения, т.е. детальной проработки всей схемы, а не тяп ляп и быстро из китайских дерьмовых блоков питания слепили Франкенштейна который, вот удивительно, перегревается, пропускает шаги и вообще выставляет дураками горе деятелей. Но к теме. Я не зря расписал работу ШИМ чтоб стало понятно что рассеивает мощность на ключе она строго (не строго, но опустим пока диодную схему сброса тока катушки) в открытом состоянии ключа. А в закрытом не рассеивает. Что происходит когда такую схему питают откровенно позорными 12 вольт? А скважность ею мала, т.е. ключ (а точнее два на обмотку, или четыре на каждый драйвер) всё чаще находится в открытом состоянии. И греется. И на скоростях подачи под 40-50мм/с, как я покажу дальше, ввиду закона ома для реактивных цепей с индуктивностями схема ШИМ вырождается на 12 вольтах в схему "тока долить как заказано не могу, всегда открыт, а не помогает". Именно где-то здесь начинаются пропуски шагов, перегрев и уход в шатдаун драйверов и чудесные сдвиги на пару мм в печатаемых моделях, когда мотор тупо не может остановиться разогнавшись в холодном состоянии драйвера а приехав к концу прямой с драйвером у которого сорвало паром крышку.
Итак выводы: выбранный TMC2100 судя по даташиту на три головы круче остальных дешёвых альтернатив. По всем схемотехническим параметрам он лучший. НО, он не в состоянии работать нормально в принтерах на 12 вольтах и принятых за стандарт ещё при царе Горохе низкоомных высокотоковых движках по типу 4401. Его не удастся так использовать и всё равно все попробовавшие рано или поздно вернут дерьмо-драйверы на место, с ними не пропускает шагов, ну а шум? не баре, перетопчемся. Но не в моём случае. Поняв что данный драйвер не получится скрестить с большим током, я выбрал малый ток и отсутствие шума. - Третье. Поняв что мне не по пути с 12 вольт стал обдумывать а сколько же можно и нужно? Сразу ограничение, не хотелось по горячей движущейся системе разводить киловольты, поэтому ограничился якобы безвредными 42 вольтами по госту для жилых помещений. Можно было бы и 48 вольт для стандартности, но большая часть электролитов, которые будут использованы в конструкции имеют номиналы в 16-35-50-60 вольт. И все они не подходят для 48 питающих вольт. С электролитами правило подбора стандартное, определись с максимальным напряжением в схеме и возьми двойной запас. Сразу скажу, мне это не удалось, я буду колхозить пытаясь обмануть это правило, потому как лень было искать 60 вольтовые и накупил 50 вольтовых. Т.е. 30-35 вольт уже будет пределом для конструкции. Следующим пунктом было понять а чем привыкли питаться все комплектующие. Столы делают максимум на 24 вольта, РАМПс чаще всего содержит электролиты на 35 вольт, вентиляторы доступны на 24 вольта, нагреватели хотэнда тоже на 24. По хорошему можно было выбрать 24 вольта и успокоиться, но мы не ищем лёгких путей. Например стол хоть и датский и красивый, а имеет всего 120 ватт на 24 вольтах, что увы не позволяет добиться ТТХ, а именно разогрева до рабочих температур за 3 минуты. А вот если на 24 вольтовый стол подать 36, то он резко взбодрится и выдаст 270 ватт. Что уже солидно и преемлимо. Нагреватель хотэнда питается через ШИМ и по идее всё равно будет держать сколько задали, гореть там ничего не должно, а став на 36 вольтах уже не 40 ватным а 90 ватным будет только ровнее держать заданное. Вся засада конечно будет с РАМПсом. чтоб питать его на 36 вольт увы, в него придётся лезть паяльником. Кстати, не смотря на уверения что он рассчитан на 24 вольта, я видел фото китайских где впаяны электролиты на 16 вольт. остерегайтесь! такое и на 12 вольтах сгорит однажды. Итак, на рампсе придётся заменить все кондёры с 35 вольтовых на хотя-бы 50 вольтовые, а таких там я насчитал в конструкции аж 6 штук. Так-же придётся избавиться от прикольных жёлтых квадратиков на входе питания и заменить их крестьянскими плавкими предохранителями. Ну и до кучи я решил сменить выходные три MOSFET на Рампсе. стоят они гроши, а что там впаяли китайцы и зачем оно у всех греется мне не понятно, а любые нормальные ни греться не будут, ни мощность на себя переводить. Кроме того, заказал пять преобразователей напряжения на случай если не удастся найти нормальных 24 вольтовых кулера для всех потребностей. и буду питать их родными вольтами (кстати опять, китайцы любят вкрячить в них 35 вольтовые электролиты и написать что они работают до 40 вольт, остерегайтесь!)
Отдельно хочется заметить, что драйвера TMC2100 и DRV8825 по паспорту рассчитаны до 45 вольт, а вот A4988 и его родичи - только на 35. Т.е. выбирая напряжение выше 30 вольт создатель должен поставить жирный КРЭСТ на аморально устаревшем A4988 и всем советую сделать так-же. А вот не напаяли ли трудолюбивые китайцы на драйвер какого-нибудь шлака в обвязке драйвера на стике - узнаю по синему пламени в момент включения!! - Четвёртое. Поглядев на стандартные блоки питания, не смог найти 30 вольтового, от 24 вольтового отказался по причинам описанным выше, от 27 вольтового отказался потому что он не давал запаса по мощности стола, которого я бы хотел добиться, ну и в результате взял блок выходное напряжение которого регулируется от 32,4 до 39,6. Вполне нормальный зазор под нужды принтера. Единственное, по собственной тупости взял его на 350ватт, и уже понимаю что когда у тебя стол жрёт 270, всем другим может и не хватить, так что боюсь придётся его пользовать на 32,4 и получать на столе всего 218,7 ватт. Но и так, думаю, неплохо выйдет. Ну или купим помощнее
- И пятое. всё что описано выше позволило иметь блок с выходными 10А всего. на стол будет идти 6-7А, на всё остальное 2-3А, на каждый движок - менее ампера. Нетяжело заметить, что даже соединив всё соплями и лапшой можно не беспокоиться за провода, греться они не будут. И терять на них по 2-3 вольта, как это принято при питании в 12 вольт и под 30А на круг - не придётся.
Сборка
Наладка
Фото агрегата и образцов печати
сначала хотел рекомендовать провести оценочный расчёт механической прочности требуемой для удержания активной массы (0.5 кг ?) разогнанной до 400мм/с, но потом осознал что это планка к которой хочется дотянуться (может быть, когда нибудь).
