Ultimaker Original 3D打印机DIY手记

文章目录
  1. 1. 方案选择
  2. 2. 买成品 vs. 自己做
  3. 3. 电子系统
  4. 4. 主板
  5. 5. UltiPanel控制器
  6. 6. SD卡和电平转换芯片
  7. 7. 限位开关不得不吐的槽
  8. 8. 总装调试
  9. 9. 需要解决的问题

一时兴起决定自己DIY一台3D打印机,现在网上的开源3D打印机还是不少的,基于DLP、激光的虽然高大上,但是机构精密、调试复杂,成本也比较高,所以我们基本还是考虑选一个FDM技术的。FDM技术就是将加热熔融的塑料丝从挤出嘴(喷头)中挤出,然后移动喷头来一层层地构建三维的实体。具体技术细节就不赘述了。

方案选择

既然选择了相对简单的FDM技术,在机型的选择上就一定要高大上,简陋的RepRap系列、并联臂结构的机型就不考虑了。至少应该有个外壳,看起来像个完整的产品,如果线缆横飞,机构外露,感觉就低端了很多,更像一个不成熟的实验品。目前商业化的机型当中开源的不多,大概只有Ultimaker和MakerBot两种,MakerBot只有Thing-O-Matic一款开源机型,后来就走向了闭源。而Ultimaker的大部分机型基本都是开源的,包括最初的Ultimaker Original以及比较新的Ultimaker 2.

更重要的是,Ultimaker系列3D打印机采用了更先进的机构设计,主要体现就是其远程挤出机。挤出机当中有步进电机、齿轮、轴承、弹簧、滚花螺栓等机械部件,算是一组相对较大的机构。MakerBot的设计是将挤出机背在打印头上,因此MakerBot的打印头比较笨重,因而跑不快。Ultimaker的设计是在机器的背面设计了一个远程挤出机,将打印材料通过一根鲍登管以送丝的方式送入打印头,这样就把挤出机从活动的打印头上剥离了出来,打印头也就轻便了许多,这个设计使得Ultimaker的打印头移动速度可以达到300mm/s,这是MakerBot的90mm/s望尘莫及的。因此我们就打算组装一台Ultimaker。

本着“高大上”的指导方针,我们先下载了Ultimaker 2的图纸,感觉还是挺完整的,不过开始买材料时才发现有点过于高大上了。。。首先是外壳,铝塑复合板淘宝上结果很少,亚克力是不常用的6mm厚度,而且还要雕刻,不只是简单的激光切割。问了很多厂家,基本就是答复做不了,或者文件格式不对,或者是报一个很离谱的价格。相比而言,Ultimaker Original则要亲民得多,木质的外壳价格相对合理,加工也比较方便,由于推出的时间久一些,网上的一些零配件也多,一些难以处理的非标准铝件、注塑件也有成品可以买。官方对Ultimaker Original的支持力度似乎也很大,各种升级套装,比如热床升级、挤出机升级、双喷头升级等等。一些新的实验特性都会现在Ultimaker Original上实验,稳定后应用到其他机型上。也正如官方所说,Ultimaker Original是一款非常适合hack的机型,你可以方便地在喜欢的地方打个孔,安装一些新的东西。而最让我感到难以置信的是Ultimaker Original的性能参数,除了打印体积比Ultimaker 2稍小之外,各种精度速度都与Ultimaker 2一致,Z轴分辨率达到了0.02mm,比MakerBot的0.1mm高了一个数量级。对于其官方自称的“世界级”3D打印机,我认为还是名副其实的。

买成品 vs. 自己做

淘宝上还是有不少商家在卖Ultimaker的专用配件,比如“Ultimaker轴承套装”、“Ultimaker光轴套装”、“Ultimaker同步带、同步轮套装”、“Ultimaker主板”等等,而且这些东西的要价可都不低。如果只买一套,也许会便宜一些,像我打算买两套,一算根本不划算。比如主板,要价85~100+不等,其实那个根本就不是主板,就是一个Arduino Mega的转接板,上面的零件无非就是各种插座、开关外加几个LED和电阻电容。成本肯定不到30元。网上要价这么贵,以至于我以为这个主板是包含Arduino Mega的,但咨询后发现不含Arduino,这让我很生气,于是决定自己来制作这个主板,到嘉立创做了PCB打样,10块板子98元,两套做下来比买成品还要便宜一些,而且还多出了一堆配件。热电偶控制板更是如此,一个来自Analog的高大上的热电偶控制芯片AD597,这片SOP8的小芯片就要20多元,着实不便宜,不过黑店更牛,配上一片指头肚大的PCB和2个连接器,就敢叫价40元,实在呵呵。又是一样的步骤,做PCB打样,然后自己买芯片组装。。。40元12块PCB包邮,88元买了4个芯片,那种2.54mm的凤凰座要1元一个,有点小贵,做4块就比买成品便宜了。

同样的道理,Ultimaker的光轴套装也开出了90元的高价,也不知道是啥材料,硬度如何。上网找了一个专门卖光轴的商家,含运费155元订了两套,45号钢淬火工艺硬轴,感觉很棒。同步带和同步轮也类似,都是找了专门卖这种配件的商家买的,没有试图去“一站式配齐”。

这里还有件轶事,当时买螺丝的时候直接照着清单买的,根本就没关注这些螺丝分别用在什么地方,买了一些定位螺栓(set screw),需要10个我买了50个。后来才知道这个螺丝是用来固定同步带轮的,谁家的同步带轮会不配螺丝呢?于是就觉得这些螺丝浪费了。买回来的同步带轮一看,不仅没有自带定位螺栓,居然还打了2个洞!!!于是原计划的10个螺丝就变成了20颗,做两台就是40颗,50颗螺丝刚刚够用,好险……

电子系统

由于缺钱和任性,整个电子系统基本都是自己一点一点手工制作的。电子系统狭义上来说,由以下几个部分组成

  • Arduino Mega 2560电路板,上面有MCU,作为控制器
  • Arduino Mega Shield 1.5.7,这就是所谓的主板,其实只是一个转接板。
  • A4988步进电机驱动器模块
  • UltiPanel电路板,用于脱机打印和人机交互,上面有2004液晶、SD卡槽和旋转编码器
  • AD597热电偶信号放大器

从广义上说,应该还包含:

  • 步进电机
  • 热电偶传感器
  • 加热管
  • 限位开关
  • 电源

Arduino Mega 2560这个淘宝上太多了,价格也比较透明了,47元买了两块成品,没必要自己做了。A4988驱动芯片是QFN封装的,又是大电流的器件,PCB的铜厚要求2oz,做特殊工艺估计不便宜,QFN封装手工焊的也不可靠,尤其是那个散热焊盘焊不着,刚好成品不贵,所以也买成品了。电源去买了个19V,135W的一体机电源,拿在手里很大很有分量,感觉不错。热电偶信号板本来没放在眼里,后来一查淘宝被吓到了,才发现这玩意成品这么贵。。。打样的PCB都寄到手了,只做了Shield和UltiPanel,根本就没在意还有这么一小块,只好重新找了个离北京近的厂家再打样一次。

主板

主板全部都是直插的元件,很久不焊直插了,焊起来真费劲。还好我采取了“渐进式”焊接,PCB是最早寄到的,先焊了排针排母和一些电阻,后来随着MOSFET、电容等器件陆续寄到,每天都焊接当天收到的元件,这样化整为零,花了几天的时间组装了两套主板。如果一次性焊好,估计会很累吧……主板上几乎没有超过2元钱的元件,最贵的应该是那个奇葩的弯脚钮子船型开关,似乎是花了8元,MOSFET大概一块五,其余都是几毛几分的便宜货。

比较有意思的是DC电源接口,这个机器是利用常见的笔记本电源供电的,接口的规格是5.5*2.5,也就是外径5.5mm,内径2.5mm。我的元件储备当中并没有这个规格的插座。因为我们平常做的都是小电子,包括Arduino在内,一般都用路由器电源类似的东西供电,接口的规格是5.5*2.1。本想电源买回来剪掉原配插头,重新做一个2.1mm的接口,后来觉得不靠谱,也不太舍得把崭新的电源剪掉,于是老老实实地去中发买了2.5mm的DC插座,被所要了1元/个的高价,不过是小东西,也无所谓了。

UltiPanel控制器

相比来说,虽然UltiPanel上面没几个元件,但故事却要多一些。8块钱的进口旋转编码器、9块钱的进口SD卡座都刷新了我的世界观。这个小小的控制器制作过程也颇为波折。

第一次把UltiPanel的所有器件焊接好后感觉问题不大,就打算直接把PCB塞进了木质的外壳里。图纸里要求的15mm长的塑料套管,由于型号规格比较奇葩,我买的是15mm的六角尼龙柱,里面是带螺纹的,把30mm长的螺丝拧过15mm的螺纹是一种非常呵呵的体验。15mm长的螺纹会带来巨大的摩擦力,要用钳子夹住尼龙柱非常用力地拧下去,拧完一个手就没劲了,一共要拧4个>_<。装完后发现屏幕距离外壳还有一个小的缝隙,感觉15mm的垫柱似乎有点长,于是就拿了垫主机主板用的16mm垫柱手工剪去了大概1.5mm,费了九牛二虎之力再把15mm螺柱拆下来换成剪短后的垫柱,感觉完美极了。遂将UltiController整个组装好,结果发现SD卡插入很吃力,而且无法自己弹出来,而这就是因为那个垫柱比设计要求的短了不到1mm……彻底无语,再次拆开,再次费九牛二虎之力拧上那个残念的带螺纹的垫柱,手已废。

安装好后烧了程序,进行了一个测试,Arduino Mega + Shield + UltiPanel三块板子,LCD显示出字了,很兴奋,不过提示了一个Err: MINTEMP。猜想应该是温度错误,因为热电偶控制器的PCB还没有寄到,随后发现LCD的字会消失一会儿,然后重新出现,字消失期间无法操作,后来发现是主板在不停地复位。猜想是由于温度错误触发了看门狗,于是用一个10k的电位器做了个分压,把信号接到测温度的ADC接口上。果然不复位了,提示Ultimaker Ready.

SD卡和电平转换芯片

随后我就发现了一个奇怪的现象,SD卡虽然插入了,但仍然提示No SD Card,而且我在通电情况下插入和拔出SD卡,还能提示Card insertedCard removed。上网查找了一下资料,说最好要用标准SD卡,不要用SDHC,而手头的卡确实是SDHC。于是断定是卡的问题,第二天就把这个没用的SD卡送人了。随即在淘宝上买了一张标称为“低速卡、兼容老相机”的SD卡,结果收到货后发现还是SDHC,而且插上去还是不能用……这就很可疑了,并不是说SDHC就一定不能用,网上的说法是,有些厂商没有在SDHC卡上正确地实现SPI接口的协议(SD卡一般通过SDIO接口通信),SanDisk和Lexar两个大厂商的卡,居然连SPI协议都实现不正确?可能性不大。估计是电路本身的问题了。

除了卡以外,最可疑的就是那个国产的电平转换芯片了。又仔细看了一下BOM,上面要求的是NXP的74HC4050D,我勒个去?好像不仅仅是国产山寨这么简单了,我买芯片的时候买的型号是CD4050,不是74HC4050D,我以为这两个型号差不多,事实上也确实差不多。我后来同时下载了NXP的这两个型号的芯片数据手册,发现只是工作电压有一点小的差别,而且我使用的电压都在规定值以内,至今我仍然认为这两个芯片在给SD卡电平转换时是等效的。不过错了就是错了,也不知道那个国产山寨CD4050的指标是不是跟NXP的一致,目前这个芯片最可疑了,所以我做了两手准备:又淘宝了一个确定是标准SD而不是SDHC的卡,然后找了一个北京中发电子城的卖家,买了NXP原装的74HC4050D。第二天去中发的实体店拿了74HC4050D,新买的SD卡还没到货,回来换上了新芯片,一试,果了个然!Lexar的SDHC卡成功读出来了,想必送人的那个SanDisk的卡也是能用的。

又过了一天,新买的金士顿的非SDHC的标准卡也寄到了,当然也是能用的,不过我发现那个卡片似乎很旧,上面有些污渍,金手指上也有划痕,想必是个二手货。于是上淘宝威胁了一下要给差评,卡片原来要价20元,加运费5元一共25元,由于放假要回家,也不想退货了,就要求直接退15元钱,相当于卡5元+运费5元买个二手货,其实也无所谓。卖家当然不愿意了,不过也是自觉理亏,卖了个萌就不点我了,于是我就默默等待那个退款申请过期,获得了15元的退款;-)

限位开关不得不吐的槽

另外一个有故事的器件就是限位微动开关。图纸上规定的是M3螺纹孔,我买的是欧姆龙的高级货,纯银触点4000万次寿命,每个的价格3.8元,不算便宜了。收到货后发现螺丝拧不进去,那个开关上的安装孔要比M3小一些,而且没有螺纹。看了欧姆龙的数据手册,发现那个孔的内径是2.35mm,特别奇葩。我还在中发问了有没有M3螺纹孔的,答曰没有,还带了一句“我们卖的都是标准的”。我这才意识到是Ultimaker的图纸太奇葩了。既然没有合适的开关适合我的螺丝,不如就去买适合的螺丝来配这个开关,买了一些M2.35的螺丝和专用螺母,花了一个下午的时间做好了双绞的接线和连接器,开开心心地进行整机总装了。

装好后发现了个大问题,官方图纸上那个安装孔是带螺纹的,所以不需要螺母,我用螺母固定了开关后,螺母的高度会阻碍X轴前滑块的移动,滑块上有一个小小的突起,用于压下限位器的金属片,而由于螺母的存在,那个突起的耳朵撞上金属片之前,滑块本体会先撞上螺母,还好我在通电之前用手推动滑块发现了这个问题,如果是通电之后出现这个问题,一定会出现电机被卡死,而系统本身还毫不知情的情况,因为限位器一直不会被压下,所以机器应该会一直试图归零滑块。

出现这个问题的限位器只是安装在前面板上的两个X轴限位器,其他的限位器设计的空间还足够容纳一个螺母。不想买新的限位器了,于是就尝试将限位器的孔扩到3mm左右,然后利用螺丝慢慢旋进去,给塑料的壁上刻上丝。上来就拧裂了俩开关,损失惨重,还好所有的零件我都至少买了两份。于是学乖了,螺丝旋进一点之后,反着拧,把塑料屑旋出来,如此反复,终于做好了两个能用的开关。我仍然不想去找M3螺纹的开关,因为它不标准。不行就去找个手动的丝锥来为限位开关攻丝吧。

总装调试

似乎该解决的问题都已经解决了。整机组装之后执行了Cura中的测试,测试了通信、温控、限位器以及XYZ三个轴的移动,测试都是正常的。随后打印了SD卡里的一个文件,置零、升温、送丝、回抽似乎所有的动作都是正常的。只可惜没有买打印材料,只能先看看热闹,等有了打印材料再具体调试了。

需要解决的问题

买了两套材料,打算组装一台双头的、一台单头的。现在组装了一台单头的,发现留给第二台的材料已经不够了,有些在第一台组装时遇到的问题,希望也能在装第二台时解决一下,记录如下:

  • 椴木板加工问题
    • 外壳后面板(编号:1003)厚度不足
    • 丝杠螺母持片(编号:1103)厚度不足
    • 平台臂C2部件(编号:1109)缺失一个
  • 限位开关安装孔小且没有螺纹,且数量不够
  • 688轴承还剩10个,额外的送料机还需要用2个,之前不知道,因此要装双头的还缺2个轴承
  • 3M 2090蓝色胶带没货
  • PLA打印材料没买
  • 热缩管不够了,应该再买些2mm~3mm的热缩管
  • 热电偶的线太长
  • 加热管的线太短
  • 打印头风扇的风向似乎反了
  • Z轴顶端的限位器位置需要调整
  • A4988步进电机驱动器的需要调节
  • 平台需要调平
  • 丝杠需要润滑

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