Leuke reportage op BBC News

BBC News heeft een leuke reportage over 3D-printers. Goede uitleg en een paar leuke voorbeelden van de mogelijkheden.

Kostenplaatje

Nu de printer werkt en het verdere werk beperkt blijft tot calibratie en kleine aanpassingen, kunnen we de kostenbalans opmaken.

De totale kosten van onze aanschaffen voor de printer zijn uitgekomen op 605,62 euro.

Een paar opmerkingen:
- We hebben soms gebruik gemaakt van spullen die we nog hadden liggen, zoals de voeding.
- Sommige kleine onderdelen - schroefjes, kroonsteentjes - hadden we nog liggen en zijn niet meegerekend.
- Het filament waarmee we printen is niet bij de kosten meegeteld.

Bij een eventuele tweede printer zien we een aantal mogelijkheden om kosten te besparen:
- De kunststof onderdelen voor de Mendelmax 1.5 en extruder printen we nu zelf tegen materiaalkosten
- Voor de rvs staven en trapeziumspindels moet een goedkoper adres te vinden zijn
- Metaalwaren in een koop aanschaffen
- Timingbelt en tandwielen zijn nu goedkoper bij ReprapWorld dan op eBay
- Zoeken naar alternatieven voor de glijlagers uit Amerika
- Zoeken naar alternatieven voor de dure (maar mooie) klauwkoppelingen
- Gebruik van gewone bouten in plaats van rvs

Zo moeten de kosten onder de 500 euro gebracht kunnen worden.

Nog wat prints

Inmiddels printen we net genoeg voor wat nuttige voorwerpen. Afkomstig van Thingiverse, de website waar de reprap-gemeenschaap zijn maaksels verspreidt. Zoals houdertjes voor onze optische eindstops.

En deze clipjes waarmee we lagers op onze Mendelmax kunnen bevestigen, die dan weer een filamentspoel kunnen dragen. Op eBay hebben we nog wat van deze 608ZZ-lagers bijbesteld.

Samen met een houder voor de elektronica hebben we genoeg spul om de printer een upgrade te geven. Daarbij gaan we dan meteen wat andere kleinigheidjes verbeteren, zoals wat speling in een van de y-stangen, de spanning op de drijfriem voor de x-as en alle loshangende kabels. Ook willen we het contact tussen de tandwielen van de extruder nog wat verbeteren.

Eerste prints!

Na het installeren van de software zijn we zover dat we kunnen gaan printen. We beginnen met de kubus van 20x20x20cm die standaard met Pronterface is bijgesloten, of kan worden opgehaald op Thingiverse.

Eerste poging:

Dat lijkt dus nergens op. Snelheden moeten even flink worden teruggebracht. Nog eens.

Ik ziet iets vierkants. Maar geen kubus. De printkop is in de z-richting te hoog afgesteld. Deze moet de glasplaat net niet raken; er mag net een vel papier tussen passen. Goed afstellen dus, en het printbed vlak stellen met de geveerde boutjes. Nog eens proberen.

Dat is een kubus. Maar het filament plakt slecht aan elkaar en komt niet vloeiend uit de extruder. We voeren de temperatuur op totdat het beter gaat. Van 185 naar 210 graden. En dan:

Ziet er goed uit. De kubus staat ondersteboven op de foto. De andere kant is nog wat ingezakt; een teken dat we wat sneller moeten extruderen. Maar toch een mooi resultaat.

Tussen de eerste en laatste foto zijn wel een week of twee verstreken overigens...

Spullen: nogmaals de kartelbout

De kartelbout die we zelf hebben gemaakt blijkt een nadeel te hebben. Hij heeft geen groef voor het filament en dekt daardoor de doorgang voor het filament naar de hete kant van de extruder af. Dat gaat niet goed: hij wil het filament niet goed doorvoeren.

We kijken daarom op eBay naar andere 'hobbed bolts' en kopen er een uit Tsjechië en een uit Nederland. De Tsjech blijkt behoorlijk goed, de Nederlandse is twijfelachtig van kwaliteit. We monteren de Tsjech.

de Nederlandse bout (boven) en de Tsjechische (onder)

Stap 14: de software

Het installeren en doorgronden van de software die de 3d-printer bestuurt is nog aardig lastig. We zijn best handig met computers, maar hebben hier toch aardig wat uurtjes op stuk gebeten. In onderstaand verhaal hebben we alle doodlopende routes, niet werkende programma's en andere ellende weggelaten. Het lijkt daardoor misschien een eitje, maar dat was het niet. Hopelijk kan de beschrijving als handleiding dienen voor andere bouwers.

We maken gebruik van een oude pc (Pentium 4) met Windows XP met internetverbinding en USB-poort. De software stelt verder bescheiden eisen.

1: Arduino software installeren
We gaan naar de Arduino website en volgen de instructies onder Getting started with Windows. Onder stap 2 wordt de Arduino software geïnstalleerd. Hier kiezen we niet voor de nieuwste versie (1.0), maar versie 0023. Als we dit eerder hadden geweten, hadden we ons een halve dag tijd bespaard...


2: Arduino driver installeren
Als we het Arduino-printje (nog zonder RAMPS) met een USB-kabel aansluiten, vraagt Windows om een driver. Hierbij moeten we even helpen. Kies voor installeren vanaf een specifieke locatie en zoek in de Arduino-map naar de map 'drivers/FTDI USB Drivers'. Daar vindt Windows een 'USB Serial Converter', en deze moet worden geïnstalleerd. Vanaf dat moment verschijnt de Arduino op de pc als een COM-poort, in ons geval COM-poort 3.


3: Arduino starten
We starten nu de Arduino-software en volgen de beschreven 'Getting started' procedure verder. We laden een programma dat de led op de print kan laten knipperen. We laten weten met welk type Arduino we werken (in ons geval Arduino Mega / ATmega 1280) en kiezen de juiste poort. Daarna kunnen we het programma uploaden en moet het lampje gaan knipperen. We zetten de baudrate op 115200; dit is de communicatiesnelheid tussen de pc en de elektronica.

Nu willen we weten of de Arduino ook goed samenwerkt met de RAMPS. We halen de USB-kabel los en monteren we de RAMPS op de Arduino-print. We sluiten hiervoor minimaal een van de stappenmotoren aan en voorzien de RAMPS van een 12 volt spanning (5 Ampere). Naar wens kunnen ook de eindstops, thermistors en het de verwarmingsplaat aansluiten (in dat laatste geval ook de andere 12 volts voeding aansluiten). Alle aansluitingen worden keurig beschreven op dit plaatje. Daarna prikken we de Arduino weer aan de USB-poort.

Met deze testfile kunnen we de nu werking van alle onderdelen testen. We laden hem in Arduino, uploaden hem en als het goed is moeten alle motoren op en neer bewegen en de printkop en verwarmingsplaat moeten aan en uit gaan. Dit is ook te zien aan de knipperende leds op de RAMPS-print.


3: De Sprinter firmware
Om de RAMPS wat moeilijker trucjes te laten uitvoeren moet hij worden voorzien van firmware: een stukje software waarmee de stappenmotoren worden aangestuurd, de eindstops worden uitgelezen, etc. De meestgebruikte firmwares voor RAMPS zijn Sprinter en Marlin. We kiezen voor Sprinter, die we hier kunnen downloaden. Klik op het zip-icoon midden boven. Daarna uitpakken en het file 'Sprinter.pde' openen in Arduino. Uploaden en de firmware zit op z'n plek.

Mogelijk moet de firmware op punten worden aangepast aan de gebruikte printer. Deze wijzigingen kunnen we aanbrengen inde firmware onder de tab 'configuration.h'. Veel staat al goed, maar er moet ook het een en ander worden gewijzigd. Zo moet de bewegingsrichting van sommige assen worden opgedraaid en de posities van de eindstops worden aangegeven.


4: Python
We zijn er bijna. Voordat we het programma Pronterface installeren waarmee we daadwerkelijk gaan printen, moeten we Python installeren. Dit is de programmeertaal waarin Pronterface werd geschreven. Hiervoor volgen we de procedure die hier is beschreven: scroll naar beneden onder 'Installing dependencies', en dan 'Windows'. Nee, het is niet noodzakelijk dat we hierbij precies weten wat we doen.

Voor veel mensen is de laatste instructie nogal cryptisch:

For the last one, you will need to unpack it, open a command terminal, go into the the directory you unpacked it in and run python setup.py install

Doe hiervoor het volgende: ga naar het Windows-startmenu en type 'cmd' in het zoek/uitvoervenster. Er opent zich een zwart prehistorisch venstertje. Type hierin 'cd d:\python' als 'd:\python' de map is waarin de laatste zip-file is geplaatst. Als hij op een andere locatie staat, voer dan deze in. Vervolgens verandert de prompt in 'D:\Python>' (of iets dergelijks) en kunnen we invoeren 'python setup.py install'. Rustig wachten tot hij klaar is. Venstertje kan worden gesloten.

5: Pronterface
Eindelijk! Bovenaan deze pagina vinden we de zip-file van Printrun, ofwel Pronterface. Uitpakken en installeren, en als het goed is kunnen we Pronterface daarna draaien.

Besturing is eigenlijk vrij simpel. Als we wat spelen met de knoppen wijst alles zichzelf. Kies de juiste poort onder 'Port', de juiste baudrate (115200) en klik 'Connect'. Pronterface zoekt de printer en maakt de verbinding. Met de x, y en z knoppen kunnen we de assen in verschillende snelheden bewegen. Zo kunnen we onze eindstops op de juiste plek krijgen. Met de 'set'-knoppen brengen we de extruder en het printoppervlak op temperatuur. Tenslotte kunnen we met 'Load file' een bestand inladen om te printen.

Onderdeel van Pronterface is Slic3r, dat veel parameters bevat die het printen specificeren, zoals snelheden, dichtheid en meer. Een goede uitleg van de Slic3r-opties staat hier en hier.

Stap 13: de bedrading

Met onze bestelling bij RepRapWorld werden de meeste benodigde kabels meegeleverd. Hiermee worden de stappenmotoren, thermistors en eindstops aangesloten op de RAMPS 1.4 print. Aan de kant van de print zijn de kabels keurig voorzien van plugjes, maar aan de andere kant niet. Bij de eindstops worden de draadjes eenvoudig vastgeschroefd, maar bij de motoren moeten we wat anders verzinnen. We hebben daarom op eBay wat stekkertjes aangeschaft.

kabeltje met stekkeronderdelen

Het mannelijke deel van de stekker komt aan de kant van de stappenmotor, het vrouwelijk deel aan de kabel. We solderen de pinnetjes en krimpen er vrolijk gekleurde kousjes omheen.

De plugjes zitten stevig, maar zijn gemakkelijk los te maken. We zijn tevreden en bedraden de elektronica volgens het schema op Reprap.org.

Stap 12: de elektronica: Arduino en RAMPS

Alle motoren, eindstops, verwarmingselementen en thermistors worden bestuurd of uitgelezen door het 'brein' van de 3d-printer. Dit brein bestaat in ons geval uit twee printjes met elektronica, die bovenop elkaar geprikt worden.

Het onderste deel is de Arduino-compatible Atmega 1280; een kant en klaar stuk elektronica dat werd ontwikkeld voor de communicatie tussen computers en allerhande apparaten, zoals robots. Deze universele print wordt met een USB-snoertje aan de pc gehangen.

de Arduino

Boven op de Arduino print komt de RAMPS 1.4 print, die specifiek is ontworpen voor de besturing van 3d-printers. Hierop komen de controllers voor de stappenmotoren en alle connectoren voor de snoeren die naar de 3d-printer lopen. De RAMPS-print moet worden gevoed met een externe voeding, die we eerder hebben gebouwd. De RAMPS elektronica die we hebben aangeschaft bij RepRapWorld is een hoe-het-zelf kit en moet nog in elkaar worden gesoldeerd. Met de handleiding op reprap.org komen we daar wel uit. Omdat we optische eindstops gebruiken is het even opletten: deze hebben drie pinnetjes nodig, terwijl er in de beschrijving slechts twee worden genoemd.

Als de boel is gesoldeerd kan de RAMPS 1.4 op de Arduino-print worden geprikt.

RAMPS 1.4 op de Arduino geprikt

Bovenop de RAMPS-print plaatsen we nu steeds drie jumpers op de plaats waar de stepperdrivers komen. Daarna prikken we de stepperdrivers op hun plek. Deze chips zorgen voor de daadwerkelijke aandturing van de motoren. Er zijn vier stepperdrivers voor vijf motoren (x-as, y-as, twee keer z-as en extruder) omdat de z-assen samen op dezelfde stepperdriver worden aangesloten. Pas op dat de stepperdrivers op de juiste manier worden aangesloten, anders gaan ze stuk.

Op de stepperdrivers zit een potmeter (draaibare weerstand) die regelt hoeveel stroom er door de motoren loopt. We draaien deze steeds eerst op nul (helemaal tegen de klok in) en daarna een kwartslag open (met de klok mee). Mochten de motoren niet draaien, dan kan de stroom worden opgeschroefd. Bij ons is een kwartslag voldoende, zo zal later blijken.

potmeter bij het pijltje

Bij de stepperdrivers zijn koelelementjes meegeleverd. Deze kunnen met de bijgesloten plakkers op de chips van de steppermotors worden geplakt. Daarna komen ze er net zo hard weer af donderen. We zien nog wel of ze echt nodig zijn.

In een later stadium kan de elektronica op een nette manier ergens op de 3d-printer worden gemonteerd. Nu gaat het even met bindbandjes op z'n Buurman & Buurmans.

Stap 11: de opto-eindstops

Om te voorkomen dat de extruder te ver in een bepaalde richting beweegt worden er eindstops gemonteerd. Dit zijn elektronische schakelingen, gekocht bij ReprapWorld, die we zelf in elkaar moeten solderen. De German RepRap Foundation is een van de weinige sites die zo aardig zijn om te vertellen hoe de led gesoldeerd moet worden. Benodigdheden naast de componenten: soldeerbout, tin, kniptangetje.

We hebben drie eindstops nodig. Elke eindstop heeft een ledje dat normaal gesproken brandt, maar uitgaat op het moment dat de optische sensor wordt geblokkeerd. De eindstops worden zodanig op de assen gemonteerd dat de sensor geblokkeerd wordt - door een kartonnetje of iets dergelijks - als de printkop te dicht bij de rand of het printoppervlak komt. We maken de eindstops provisorisch vast met een bindbandje; later zullen we hiervoor kunststof onderdelen uitprinten. Onder het printje doen we een kartonnetje om te voorkomen dat de eindstop kortsluiting maakt aan de onderkant.

eindstop op de y-as

Het uitkienen van de posities van de eindstops en de kaartjes die de sensor moeten onderbreken is nogal een geklungel. Eerlijk gezegd is het voordeel van optische eindstops boven mechanische eindstops niet echt duidelijk. Een mechanische eindstop - een schakelaartje dat wordt ingedrukt - is simpeler, minder storingsgevoelig en goedkoper. Een volgende printer zouden we dus waarschijnlijk met mechanische eindstops uitrusten.

Stap 10: het werkvlak

Het verwarmde werkvlak is even een puzzel. De officiële beschrijving van de MendelMax 1.5 is op dit gebied nogal vaag, zodat we zelf maar wat improviseren. We hebben een zogeheten 'heated bed' aangeschaft via eBay. Dit is het verwarmingsplaatje dat daadwerkelijk heet wordt. Het eigenlijke printwerk gebeurt straks op een glasplaatje dat we hier bovenop klemmen.

Het werkvlak wordt op het houten onderstel gebouwd. We zagen een plaatje hout van 24 x 24cm en boren op de juiste plek (liefst in een keer goed, maar twee keer mag ook) vier gaatjes M4 voor montage op het onderstel, plus vier gaatjes M3 in de hoeken voor montage van de verwarmingsplaat.

Op het houten plaatje komen vier boutjes en veertjes, die zorgen voor een veilige afstand tot het hete plaatje. Ook dienen de veertjes om het verwarmingsplaatje precies waterpas te kunnen stellen. De veertjes die we hebben gekocht zijn wat lang, dus korten we ze een beetje in.

Voordat we de boel monteren, moet er nog een weerstand en een led worden vastgesoldeerd. Deze zijn meegeleverd. Soldeerinstructies staan op PCB Heatbed. De led moet gaan branden als de plaat opwarmt en weer uitgaan als hij afkoelt.

Dit wordt geregeld met een thermistor die als thermostaat fungeert. De thermistor hebben we op dezelfde manier geïsoleerd en van een kabeltje voorzien als de thermistor van de extruder. We plakken hem met wat kapton tape in het gaatje in het midden van het verwarmingsplaatje, zodat zijn kop straks tegen het glasplaatje komt.

kiekeboe

Met een trekontlasting (twee gaatjes in het houten plaatje en een bindbandje) kunnen de kabels niet worden losgetrokken.

Het plaatje komt op de veertjes met M3-boutjes en moertjes. We gebruiken steeds ringetjes boven en onder de plaat om de krachten te verdelen. Niet te strak aandraaien!

Een plaatje glas halen we uit een fotolijstje van de Action. Lijstje kost nog geen euro, meisje komt er gratis bij. We maken het lijstje op maat met een glassnijder.

Daarna klemmen we het glas op het verwarmingsplaatje met vier klemmetjes, ook van de Action. Voordat we met printen beginnen plakken we brede stroken kapton tape op het glas. Dit zorgt ervoor dat de geprinte onderdelen makkelijk loslaten van de ondergrond.

Stap 9: de tandwielen en aandrijfriemen

Voor de aandrijving in de x- en y-richting wordt er gebruik gemaakt van aandrijfriemen, die bij de stappenmotor over een tandwiel lopen. We hebben er dus twee nodig, elk met een lengte van ongeveer een meter. Via eBay hadden we de tandwielen gekocht in combinatie met een lengte aandrijfriem om zelf op maat te maken. Dat was een slecht idee: de verkochte set is voor de 'gewone' Mendel, en voor een MendelMax hebben we meer lengte nodig. Gelukkig verkoopt RepRapWorld tegenwoordig ook aandrijfriemen voor een redelijke prijs.

Het type aandrijfriem dat we gebruiken is T2.5. Voor de tandwielen hebben we aluminium exemplaren gekozen met zestien tanden, die we met een boutje op de as van de stappenmotor kunnen vastzetten. Er zijn mensen die hiervoor een vlakke kant aan de motoras slijpen, maar we gaan het eerst eens zonder proberen.

Montage is verder simpel. Bij de x-as leggen we de riem om de stappenmotor en de lagers aan de andere kant, en schroeven ze vast op het karretje met de printkop met behulp van de bijgeleverde klemmetjes en een stel M3-boutjes en moertjes.

Bij de y-as kunnen we de riem door het houten onderstel voeren, en zetten we ze vast met een klemmetje dat we hebben gemaakt van een haarspeld. Klaar.

 

Stap 8: de extruder deel 2 - de 'hete kant'

De vakantie is achter de rug en we gaan weer verder! Vandaag maken we de extruder compleet. Na de koude kant is nu de hete kant aan de beurt.

Aan de hete kant van de extruder wordt de kunststof gesmolten en geëxtrudeerd. Hiervoor moet de extruderonderdelen die we hebben gekocht bij RepRapWorld worden gemonteerd. Dit is kinderlijk eenvoudig, zeker met de bijgeleverde beschrijving.

van links naar rechts: messing moer en verwarmingsblok,
het PEEK-blok voor thermische isolatie,
de messing nozzle en het PTFE buisje

Tip: wikkel wat teflontape (in het loodgietersvak bij de bouwmarkt) om de draad van het PTFE-buisje. De dunne, witte tape zorgt voor een betere afdichting.

Voordat we de boel in elkaar zetten moeten er echter twee elektronische componenten worden gemonteerd. De dikke powerweerstand wordt voor de verhitting van het verwarmingsblok. Dit component wordt flink heet en trekt een aardige stroom. De kleine thermistor is een weerstand die zorgt voor de temperatuurregeling van het verwarmingsblok.

powerweerstand (boven) en thermistor (onder)

We beginnen met de thermistor. Omdat de boel flink heet kan worden, pakken we de pootjes in met hittebestendige kaptontape. Deze zorgt tevens voor de isolatie van de pootjes. Daarna schuiven we het glazen kopje van de thyristor in de daarvoor bestemde opening en tapen we de pootjes vast zodat ze niet kunnen schuiven of breken.

De powerweerstand wordt door het verwarmingsblok geschoven. Hij moet goed contact maken, dus maken we hem op de juiste dikte met wat aluminiumfolie. Met wat kaptontape isoleren we de pootjes.

Dan solderen we de boel nog even aan elkaar. Voor de thermistor is een kabeltje meegeleverd dat met een plugje op de elektronica kan worden aangesloten. Voor de weerstand zijn er een rode en zwarte draad die een flinke stroom kunnen doorgeven. Na het solderen krimpen we de draden vast.

Daarna schroeven we de overige onderdelen in de juiste volgorde vast.

PEEK-blok en nozzle...

... PTFE buisje ...

... en tot slot de messing moer

Nu kunnen de koude en hete kant van de extruder aan elkaar worden gezet en aangesloten op de elektronica. Om te voorkomen dat de extruder straks tegen de aandrijfriem loopt, plaatsen we hem een beetje schuin op het karretje. Hiervoor zijn al gaten aanwezig. De kabels naar thermistor en weerstand zetten we met een bindbandje als trekontlasting vast aan het karretje.