Stap 7: de extruder deel 1 - de 'koude kant'

In de vorige stap hebben we de MendelMax 1.5 volgens de beschrijving voltooid. Er ontbreekt echter nog een belangrijk mechanisch deel: de extruder. De ontwerper van de MendelMax 1.5 geeft geen specificaties voor de extruder, omdat verschillende ontwerpen uitwisselbaar zijn en vele modellen in principe probleemloos kunnen worden gebruikt.

Wij hebben gekozen voor de veelgebruikte Wade's extruder. Ook hierop bestaan weer variaties, en daarvan kozen we een variatie ontworpen door Greg Frost. Het geheel komt op een karretje ontworpen door Simon Kuehling dat op vier lagers over de x-assen kan glijden.

Eerst even iets over extruders. De extruder is het onderdeel dat langs de x-as van de 3D-printer beweegt en waarin het filament wordt ingevoerd, gesmolten en uitgespoten. Een extruder heeft een 'koude kant' met mechanische onderdelen, en een 'hete kant' met een verwarmingselement en spuitmond.

De koude kant van onze extruder bestaat uit een aantal geprinte onderdelen: Greg's body, Greg's idler, twee tandwielen (het kleine aandrijftandwiel en grote aangedreven tandwiel). Belangrijk is de stappenmotor, die zorgt voor de aandrijving van de tandwielen en in hoge mate het gewicht van de extruder bepaalt. Verder is er een drietal 608zz-lagers nodig, de belangrijke kartelbout (die we zelf gemaakt hebben, maar ook gewoon te koop is), wat boutjes, veertjes en moertjes. In de constructie volgen we grofweg de beschrijving van TechPaladin.com.

In de idler past een 608zz-lager, met door het centrum een stukje 8mm rondstaf dat we over hadden van de assen en op maat gemaakt hebben (ongeveer 18mm). We plaatsen een M3-moertje in de uitsparing bij het scharnier. We moeten de geprinte onderdelen steeds enorm bewerken met vijl en dremel voordat alles past. Dat moet beter kunnen.

In de body passen twee lagers en een zestal M3-moertjes. Twee gaan verticaal in de sleuven bovenop de body, vier gaan horizontaal in het bodemplaatje voor bevestiging van op het onderstel en het vastmaken van de hete kant.

Met een M3-inbusbout van 25mm maken we de idler aan de body. Nu kan de idler scharnieren.

open...

... en dicht

Nu schroeven we de stappenmotor op zijn plek met drie M3-inbusboutjes van 5mm. Ook hier moet weer flink gedremeld worden om de boel op zijn plek te krijgen. We plaatsen de kartelbout, waarbij steeds een sluiting tegen de lagers komt. Daarna het aangedreven tandwiel met een M8-moer in de uitsparing. Daarna zetten we hem vast met een M8-slotmoer. Vervolgens kan het aangedreven tandwiel op de as van de motor. Fixeren met een M3-inbusboutje.

Tenslotte zorgen we ervoor dat de idler tegen de body wordt geduwd met twee veertjes. Hiervoor gebruiken we veertjes van zo'n 30mm op M3-boutjes van 50mm en twee sluitringen M3 9mm.

Het resultaat doet denken aan een slak...

















Dat was de koude kant. Volgende keer de hete kant.

Stap 6: de assen

Gisteren kwamen dan de lagers van SDP/SI. De constructie van het frame is af en de motoren zijn gemonteerd, dus kunnen we verder met de bouw van de bewegende delen.

Hiervoor maken we eerst de rondstaf en trapeziumspindel op maat met de ijzerzaag. De 8mm assen worden gezaagd tot twee stukken van 420mm (y-as) en twee van 445mm (x-as). De 10mm rondstaf wordt gezaagd tot twee stukken van 405mm (z-as). Uit de trapeziumspindel halen we twee stukken van 320mm. Omdat we een meter hadden aangeschaft, kan hier altijd nog een derde spindel uit gehaald worden. De gezaagde stukken even afbramen met de dremel en checken of er probleemloos een moer op de spindel gedraaid kan worden.

Vier 8mm-lagers gaan in het houten onderstel voor het werkvlak. Het is even flink persen, maar dan passen ze mooi op hun plek. 

De assen gaan er makkelijk door, omdat de lagers enkele graden speling bieden.







Met de twee houten plaatjes bevestigen we de assen aan het frame, waarbij een passtukje ('alignment jig') helpt om de boel netjes uitgelijnd op zijn plek te krijgen.

handig!

De z-as is lastiger, omdat het uitlijnen hier meer vrijheidsgraden kent: 
- aan de onderkant kan de z-as in de y-richting worden bijgesteld door het verschuiven van het motorhuis langs het aluminiumprofiel, 
- aan de onderkant kan de z-as in de x-richting worden bijgesteld door het verschuiven van de motor in het motorhuis, 
- en aan de bovenkant kan de z-as worden bijgesteld in de x-richting door de z-top vertex te verschuiven in de x-richting.


Het geprinte onderdeel aan de bovenkant van het frame - de 'z-top vertex' - moeten we hiervoor even met de vijl bewerken totdat het in de kopse kant van de profielen past. Dit is nodig om de bovenkant van de z-assen in de x-richting bij te kunnen stellen. 


Daarna zetten we het vast en houden een schietlood door het midden van de groef voor de z-as. Het schietlood moet precies uitkomen bij de corresponderende groef in het motorhuis eronder.

de z-top vertex:  moet in de kopse kanten
van het aluminiumprofiel passen

met een schietlood checken we
of de z-as loodrecht loopt...

... naar het motorhuis eronder

Langs de z-as lopen twee kunststof onderdelen ('x-end idler' en 'x-end motor') waartussen de x-assen moeten komen. Deze onderdelen worden voorzien van lagers. De x-end idler krijgt twee 10mm-lagers voor de z-as en vier 8mm-lagers voor de x-as; de x-end motor krijgt alleen twee 10mm lagers voor de z-as.

Nu monteren we de rondstaf voor de z-as en de trapeziumspindel. We beginnen met de kant waar de idler komt. We steken de rondstaf door de x-end idler en daarna bevestigen we hem in de beugeltjes op het motorhuis en de z-top vertex. Dan maken we de trapeziumspindel met de askoppeling vast aan de z-stappenmotor. 

Denk eraan om eerst de trapeziummoer op de spindel te draaien. Hoe we deze gaan vastmaken moeten we nog bedenken. Om kosten te besparen hebben we namelijk een eenvoudige ronde moer gekocht in plaats van een dure flensmoer. Van Weedz op het RepRapBuilding.INFO forum krijgen we de tip om de moeren gewoon onder de x-end idler en x-end motor te plakken. Dat is het overwegen waard.

Met de vier boutjes in het motorhuis van de z-stappenmotor kunnen we de motor naar het frame toe of van het frame af verplaatsen. We bewegen de motor zo dat de spindel netjes in het midden van zijn uitsparing komt en zetten de boutjes vast.

met de boutjes los kan de stappenmotor worden gecentreerd

scheef

gecentreerd

We herhalen de procedure aan de andere kant met de x-end motor.


Nu kunnen we de x-assen door de lagers aan de idler-kant steken en vastmaken met de klem onder de x-end motor. Deze assen moeten later weer even los, want daar moet de extruder nog op worden geplaatst.


En dan nog even terug naar de z-assen. Onderaan is de zaak nu goed afgesteld; maar nu nog de bovenkant. De z-assen moeten netjes verticaal lopen en - belangrijk - evenwijdig, zodat ze niet gaan 'knijpen'. Het ontwerp van de MendelMax 1.5 voorkomt door de glijlagers in de x-end idler dat de boel echt vastloopt, maar het is toch altijd beter dat de boel in de z-richting zo soepel mogelijk loopt.


We zetten daarom de beide z-top vertexen (vertices voor de latinisten) even een beetje los en bewegen de x-carriage van onderen naar boven. De x-carriage zal hierdoor de vertexen op de onderling optimale afstand duwen of trekken. We schuiven eventueel nog wat aan de vertexen tot ze links en rechts mooi symmetrisch zitten, kijken of de zaak nu soepel van onderen naar boven kan bewegen en schroeven de boel vast. 

de stand van zaken

Stap 5: de 'hobbed bolt', ofwel kartelbout

Omdat de levering van de lagers op zich laat wachten, beginnen we vast aan de extruder. Voordat we deze in elkaar zetten, maken we een belangrijk onderdeel dat we nodig hebben. 


In de extruder bevindt zich een bout die door de stappenmotor via twee tandwielen wordt aangedreven. Deze bout grijpt het filament en duwt dit door naar het 'hete deel' van de extruder. Omdat hiervoor enige grip nodig is, moet de bout gekarteld zijn. Je kunt zo'n kartelbout of 'hobbed bolt' kopen, maar ook zelf maken. Op het internet zijn hiervoor diverse procedures te vinden. Wij proberen het met een draadbout en de dremel. Meer informatie en een handige mal op Thingiverse.

We stoppen de bout - M8, met een lengte van 50mm -  in de extruder en markeren met watervaste stift op welke plaats hij gekarteld moet worden.

We printen de mal, plakken hem op karton en knippen hem uit. In het midden maken we een 8mm gat. Op de bout die we willen bewerken doen we eerst een moer, daarna de schijf met de print naar boven.

 

We plaatsen de bout in de kolomboor en draaien hem vast. De boor wordt niet gebruikt, maar dient alleen om de bout te kunnen roteren. Op de kolom bevestigen we stukje stugge maar dunne draad, die we op de indeling kunnen richten om te dienen als aanwijzer.

De dremel met afslijpschijfje plaatsen we horizontaal in de bankschroef. We zetten hem nog even niet aan, maar stellen eerst alles af. De bankschroef maken we op een hoek vast met een bout in het werkblad, zodat hij een beetje kan roteren. Met één hand kunnen we de dremel op de bout duwen en weer terugtrekken. Met de andere hand bedienen we straks de hefboom van de kolomboor.

















Nu stellen we de kolomboor in hoogte zo af dat de dremelschijf de bout precies op de as en net even onder het gemarkeerde deel treft. Met de hefboom van de kolomboor kunnen we de bout een centimeter naar beneden bewegen, zodat de slijpschijf van net onder tot net boven het gemarkeerde deel kan slijpen.

We zetten de mal op de beginstand en starten de dremel. We duwen de dremel tegen de bout zodat hij een verticaal sleufje maakt, haaks op de schroefdraad. Met de hefboom van de boorkolom duwen we de bout een beetje omlaag; er ontstaat een sleuf van ongeveer 1,5cm. We trekken de dremel weer terug en doen de kolom terug omhoog.






We zetten de mal een streepje verder en herhalen de procedure. Zo gaan we door tot we rond zijn.

Om een mooi regelmatig tandenpatroon te krijgen is het van belang dat de bout ten opzichte van de dremel niet verschuift of verzakt. Zet zo nodig wat zaken vast met lijmklemmen op het werkvlak. In ons geval was de  derde bout net genoeg om hem uit te durven proberen.

Intermezzo: de voeding

De MendelMax wordt bestuurd door elektronica (een Arduino-module en een RAMPS 1.4, waarover later meer) die moet worden voorzien van stroom. Deze elektronica regelt de aansturing van de motoren, de verwarming van de extruder en leest de eindstops en thermistors uit. Daarnaast wordt de verwarming van het heated bed verzorgd. Deze laatste trekt nogal wat stroom.

De RAMPS-elektronica heeft twee aansluitingen voor een voeding van 12 volt. De ene vraagt een stroomsterkte van 5 ampère, de andere - die uitsluitend voor het heated bed wordt gebruikt, vraagt maar liefst 11 ampère. Dat is een forse stroom die je niet zomaar uit een willekeurige adapter trekt. Vandaar dit knutselproject.

Geinspireerd door deze beschrijving besloten we een oude pc-voeding om te bouwen tot laboratoriumvoeding voor de MendelMax. De voeding is de Coolermaster RS-380-PCAP met een maximaal vermogen van 350 watt. De voeding komt met twee 12-voltslijnen, belastbaar tot 10 en 15 ampère, wat genoeg is voor ons doel. Aan de slag!

We demonteren de voeding, boren gaatjes in het huis en schroeven hem door vier rubberpootjes op een stukje mdf. Ondersteboven, zodat de koelventilator aan de bovenkant zit en de aan/uitschakelaar aan de achterkant.

De streng met aansluitingen voor harddisks en dvd-drives wordt niet gebruikt en houden we apart. Van de streng voor het moederbord knippen we de connectoren los. Naast de brede plug is er een plugje met vier draden (2 x bruin +12 volt, 2 x zwart aarde): dit is de 15-ampèrelijn.

Op de plaat schroeven we een rij kroonsteentjes. Hierin monteren we de gebundelde draden kleur bij kleur, waarbij we de 15-ampèrelijn apart houden van de rest. De draden van de andere plug hebben de volgende waarden:
geel: +12 volt
blauw: -12 volt
rood: +5 volt
oranje: +3,3 volt
paars: ongebruikt
zwart: 0 (aarde)

De bruine draad voegen we bij de oranje draden: dit is de 'sense'-draad die met 3,3 volt verbonden moet zijn voordat de voeding kan werken.











Een andere voorwaarde om te werken is dat een van de 5-voltsdraden belast moet worden. Daarom solderen we een powerweerstand (10 ohm, 10 watt) tussen een van de rode en een van de zwarte draden. De powerweerstand wordt warm en daarom zetten we hem met draad vast op het rooster van de ventilator.

Dan is er nog een groene draad (PS ON), die we gebruiken om de voeding aan en uit te schakelen. We plaatsen een schakelaar tussen de groene draad en een van de zware aarddraden. Als indicatie dat de voeding aanstaat nemen we een led. Deze zetten we in serie met een voorschakelweerstand van 330 ohm tussen de grijze draad (PWR OK) en een van de zwarte aarddraden. Let op: de platte kant van de led is de kathode, en deze moet aan de aarde (in tegenstelling tot wat op bovengenoemde website beschreven staat).
















We zetten losse draden met bindbandjes vast, monteren de schakelaar en de led in een doosje, krimpen isolatie om de draden waar nodig en schrijven de waarden bij de kroonsteentjes. Twee trekontlastingen zullen worden gebruikt voor de kabels naar de elektronica.

Bij gebruik van de voeding zetten we eerst de schakelaar van de pc-voeding aan. Daarna de kleine schakelaar aan de voorkant. Nu begint de ventilator te draaien en brandt de led. De powerweerstand op de ventilator wordt enigszins warm. 


Totale kosten: 2,50 euro aan onderdelen, plus een oude voeding en wat losse schroeven en kroonsteentjes.