3D印表機 DIY 建構筆記

2014年4月1日星期二

初學者應該如何開始呢?

真是大哉問阿，該從哪開始著手呢?我認為，應該要先從燒壞幾顆4988控制板開始著手。

不燒壞點什麼零件，怎麼能自稱是Maker呢? XD

所以說，如果你是個打算自己從零件採購開始的Maker，我建議可以先從採購機電相關的零件開始。四至五顆步進馬達、RAMPS1.4、Arduino Mega 2560、六個4988控制模組(兩個備品)、三個微動開關，還有一些24AWG多心線、杜邦接頭組。歐，還有電源供應器NES-100-12。其實自己動手組裝3D印表機，最難搞定的，是電機安裝的部分。機械結構照著照片，大多不會裝錯，頂多是沒鎖緊，再補螺絲刀就解決；軟體設定的部份，就算是自己搞不懂怎麼設定也沒關係，使用網友提供的懶人包，也可以輕鬆過關。唯獨電線該怎麼接、電流要怎麼調整，沒人救得了你。安裝示意圖接點一大堆，實際拉出來的電線亂糟糟，實在是對不起來。就算都接對了，還要面對杜邦接頭壓接不確實，接觸不良等等用看得看不出問題的疑難雜症。然後還有馬達電流要怎麼調整的問題，就更頭大了。(這個步驟很多人都發生意外，可能會需要4988備品的步驟在這邊。)所以說電機安裝搞定了，其他部分就算是小菜一盤了。

先買電機零件，還有另外一個好處：可以慢慢再考慮到底要裝配哪款3D印表機。目前幾乎所有的RepRap積層式3D印表機，都可以使用RAMPS1.4系統，當作主要控制器。不管想嘗試看起來最簡單的SmartRAP，或是想挑戰連Sega都說很難搞的Delta型態，其他的i3、Air 2 就更不用說了，都可以使用RAMPS1.4系統。先採購RAMPS，絕對不會後悔(後悔的話請退給代理商，不要來找我逃~)。

電機零件買齊之後，可以先參考Prusa i3組裝筆記裡面的相關組裝步驟，開始挑戰電機組裝，記得End Stop微動開關千萬別遺漏，沒裝好的話馬達是不會乖乖運作的。要特別注意，要先把Marlin懶人包裡面，溫度感應器的設定改回 "-1"，還有LCD控制器也要在最開頭加回 "//" 符號，暫時關閉LCD控制器。因為還沒有安裝熱敏電阻，無法偵測溫度；由於LCD控制器的程式如果沒有溫度資料可以參考，會無法編譯。

安裝好RAMPS系統之後，就可以透過PC上Repetier-Host軟體的"手動控制"面板，開始試玩電機系統，讓三軸歸零、隨意控制三個馬達、試著把馬達控制線順序顛倒插，使馬達改變轉動方向。還有，使用M119指令，觀察End Stop的狀態。

再來，可以嘗試著調整4988模組上的可變電阻，讓4988吐出更多的電流來驅動馬達。觀察看看馬達是不是會變得更有力量? 馬達會不會變熱? 4988有沒有冒煙等等現象。當然，這個實驗可能會帶來些損失，不過不要擔心，沒燒壞點什麼，是不能自稱Maker的。

好啦，這第一個關卡，也是最難突破的關卡，如果能闖關成功，後續的3D印表機組裝、測試跟使用，應該也難不倒你。趕快去訂購零件吧!!

2014年3月26日星期三

Marlin 溫度感應器數值轉換對應表

(2014/03/27)Update: 自己實測了這個自動產生的對應表，結果測得的溫度與實際值仍有相當大的誤差。看來還是要回頭用測量的方式來校正溫度...

3D印表機內使用的溫度感應器，大多使用負溫度係數熱敏電阻(NTC)。溫度越高，阻值越小。電阻值隨溫度變化的公式如下：

R(t) = R0 * Exp(B*((1/t) - (1/t0)))

其中R0是指溫度在t0時的電阻值。t0是標準參考溫度，一般規格書會以攝氏25度為參考溫度。公式中溫度相關的參數，都使以凱氏溫度做計算，如果自己要動手做計算，記得要把攝氏溫度加上273.13，轉換成凱氏溫標，才能算出正確的阻值。B值是NTC的特性參數，請在自己所使用的熱敏電阻規格書中找出B值。

這邊提供一個方便的計算機，只要填妥 t0、R0、B值，在按下 "Try it" 按鈕，就會自動產生Marlin所使用的溫度偵測對應轉換表。把轉換表附蓋掉"Marlin/thermistortables.h"內，"temptable_1[][2] PROGMEM"所記錄的轉換表，並且確定"Marlin/Configuration.h"內，"#define TEMP_SENSOR_0"的設定值為"1"。再重新燒錄Marlin到RAMPS 1.4控制板，就可以獲得校準確的溫度偵測值。

由於部落格內不能執行Javascript，只好將計算機另外找網頁安置。請前往這個網址：
https://dl.dropboxusercontent.com/u/1325192/NTC/NTC.htm

參考資訊

阿男的部落格 - 3D列印噴頭的熱敏電阻更換

註記

熔普三維、捷泰這兩家販售的J-Head應該都是使用這款熱敏電阻，規格特性如下，給大家做參考。

型號：B2-100-3950-1
R @ 25：K100K-1％
B25/50：K3950-1％
元素：熱敏電阻型MJB2
特性
（1）電氣特性
A：電阻值：R（25°C）= 100K±1％
B：B值：B=3950±1％（在25℃和50℃的電阻值計算出）
C：絕緣電阻50MΩ或以上DC500V兆歐表（玻璃和引線之間）
（2）熱時間常數（τ）：τ≤10?17S（在靜止空氣中）
（3）熱耗散係數（δ）：δ=1.1~1.6MW/°C（在靜止空氣中）
（4）工作溫度範圍：-50~+260°C

2014年3月17日星期一

列印到一半馬達失步!! 怎麼辦?

慘...

相信大家都有這種經驗(沒遇過的實在是很幸福)，一早起床發現列印作品被攔腰截成兩截，列印失步!!開始印的時候都沒問題阿，印的好好的。可是偷懶沒顧著機器，機器就跟著偷懶，出包給你看。(其實就算顧著，一樣會失步，而且束手無策。)G-code裡面幾千個指令中，只要其中一個指令造成馬達失步，整件作品就毀了。這樣失敗的作品，實在是難以見人啊!!

發生失步的原因，其實很簡單，就是工作需要的力量太大，馬達不夠力。所以解決失步的方向，不外乎加強馬達的力量(難)，另外就是減輕馬達的負擔。

加強馬達力量的方法，不外乎換更大顆的馬達，或是增加供應給馬達的電流。換更大顆的馬達，得要花大錢重新買，而且買來到底夠不夠力，也沒個準。42型步進馬達的規格中，身長要多長?電流要買多少的?都要靠複雜的仔細計算才能有參考。

另外比較可行的也許是增加供應電流。大家買的馬達，額訂電流(電流上限)大約都是1.5~1.7A，但是4988驅動板上的電流供應設定，一般都不會超過1A。所以電流是可以再繼續提高的，不過4988驅動板要另外買，或是更換Rs電阻。電流提高後，還要面對4988散熱不良會燒毀的困擾，要千萬注意。

以上是增加馬達力量的方法，除了既有4988驅動板的電流調高到接近1A以外，其他方法可行性都不高。另外一方面要設法減低馬達的負載，可以嘗試的方法就比較多了。

1. 放鬆皮帶的鬆緊度
皮帶太緊，會增加馬達軸，還有墮輪的摩擦力。合適的鬆緊度，有助於馬達順利運轉，而且兼顧定位的精準度。

2. 減少馬達的負載重量
列印平台的玻璃、列印台底板(有些人使用金屬)，是Y軸負荷重量的主要來源。使用較薄的玻璃，或是用玻纖板替代原有的玻璃，可以減輕重量。在強度充足的前提下，列印台底板上盡量鏤空，或使用更輕的材質，也可以減少Y軸馬達的負荷。

X軸最大的重量負荷，來自擠出機馬達。如果把擠出機構改成遠端送料 Bowden 型態，可以大幅降低X軸馬達的負荷。

3. 降低列印速度
車開慢一點，需要的力量就減低了，這不需要再解釋吧~~

4. 降低加速度
這其實是最有效又實惠的解決辦法，可以印得又快又穩。

牛頓運動定理中提到 F(力量) = M(質量) x a(加速度)
當加速度減小，所需的力量也會等比例得減小。雖然質量減小也有幫助，可是質量能減小的比例有限。加速度減小，可以改善失步，但是不代表"最高列印速度"也會跟著降低。只是加速到最高速度需要的時間會增長而已。所以降低加速度，但是不降低列印速度，仍然可以保有相當快的列印速度。只犧牲一些些列印時間，但是又不會失步，一舉兩得!

加速度的設定，建議可以直接透過 LCD修改 Marlin 韌體裡的參數，然後儲存到 EEPROM 裡面。也可以直接修改 Marlin 的 Configuration.h 設定檔，再重新燒錄到 2560 控制板。再不然也可以在切片軟體裡面設定。

Marlin 的加速度設定，分為 Default (預設) 與 Max.(最高) 兩個部分。 Default 是當 G code 執行 G0、G1 等"移動指令"時所使用的加速度，預設值是 3000mm/s²。當 G code 執行 M204 ，嘗試著要修改 Default 加速度時，設定值不能超過 Max. 加速度的值。直接把 Max 加速度設定到3000mm/s²以下，才能有效避免 G code 裡面的 M204 又把加速度調高。

LCD 控制板內選擇 "Control -> Motion -> Amax x" 與 "Control -> Motion -> Amax y" 可以修改 Max. 加速度。修改好後記得要使用 "Control -> Store memory" 把設定值存入 EEPROM 中，下次開機才不必重新再調整一遍。

如果想從 Marlin 的 Configuration.h 做修改，請找到這行：
#define DEFAULT_MAX_ACCELERATION {9000,9000,100,10000}
把兩個 "9000"的數字調低到合適的數字，再重新燒錄韌體進 2560 控制板。
如果之前使用過 EEPROM 記錄設定值，記得要在LCD選擇"Control -> Restore Failsafe"，清除EEPROM中的設定，才會讓燒錄進去的設定值升效。

修改成 #define DEFAULT_MAX_ACCELERATION {1500,1500,100,10000}

切片軟體 KISSlicer 的加速度設定，在 "Printer -> Speed -> XY Accel [mm/s^2]"

Slic3r 的加速度設定，在 "Print Settings -> Acceleration control (advanced)" 。如果填 0 ，Slic3r 會使用 3000mm/s²這個預設值。請把這個框框裡所有的 0 ，都修改成合適的加速度。

至於加速度設定多少會合適呢?建議可以用二分法慢慢做實驗。預設值是3000mm/s²，所以第一次測試時使用1500mm/s²。如果不會失步，就再提升至 1500-(3000-1500)/2 = 2250mm/s²；如果會失步，就要再降低至750mm/s²。重複幾次測試之後，應該就可以找出自己機器的合理設定值了。另外要注意，測試時列印速度也許可以設高一點，譬如100mm/s，而且千萬要記得關閉切片軟體的 auto cooling 功能，要不然測試時使用較小件的模型，會讓切片軟體強迫減慢列印速度，導致實驗不準確。

KISSlicer 中，每層列印時間至少要10秒的設定，改成0秒，避免列印速度變慢影響實驗結果。

Slic3r 中，"Enable auto cooling" 自動降溫要取消勾選，避免列印速度變慢影響實驗結果。

以上，希望大家列印時都可以不必再提心吊膽，安穩睡個好覺！

2014年3月12日星期三

Prusa i3 做搭橋速度實驗

i3 抓來做Bridge 測試，Slic3r的Speed中，Bridges speed 依序測了 60->30 ->90->70->50 (mm/s)。
溫度我設180度，層高0.2。

測試模型在這邊：
http://www.thingiverse.com/thing:269679

Bridge的速度設定在這個地方

看起來速度設60mm/s最理想

ATOM小改裝

1. 4988加上散熱片

2. 晶晶腸散熱片塗上散熱膏

2014年3月10日星期一

Moai 石像四人組

ATOM的第一盤成功作品，Moai 石像四人組。一次印四隻，是為了測試牽絲的問題。這次回抽距離5mm，速度50mm/s，牽絲問題已經獲得有效的控制了。應觀眾要求，印小模型來看精細程度。Moai 高度30mm，小小的。
前兩盤遇到溫度設太低、溫度PID控制不夠理想、線路接觸不良造成馬達罷工等問題，第三盤中於有比較理想的成果。

模型下載網址：
http://www.thingiverse.com/thing:144668

切片軟體使用KISSlicer，溫度設定200度，列印速度50mm/s，回抽距離5mm，速度50mm/s。設定值給大家做參考。

照片100%直接切圖，0.2層高的紋路清晰可見。看起來水平水波文的問題真得相當相當輕微。比使用牙條帶動Z軸的機器要好相當多。

左邊是ATOM印的，右邊是我的i3 1號印的。

擠出量校正

擠料量校正，是一個很基礎的問題，可是卻相當複雜。因為影響擠料量的因素不易掌控，而且測量擠料量的方法又不易觀察。切片軟體在計算擠料量的時候，可以依照完全理想無誤差的方式去計算。但是實際上塑料的直徑、擠料齒輪的直徑、層高的誤差，都會影響最後擠出線寬的大小。雖然切片軟體可以提供設定值，在切片之前就針對誤差做修正，但是到底該增加擠出量還是減少，仍然不容易決定。

最容易觀察出擠料量是否正確的地方，是模型得平面封頂。如果擠料量越正確，應該可以擠出越平滑的頂面。擠料量太少，會出現縫隙，擠料量太多，會向上溢出，一樣不平整。

另一個值得一提的是，就算擠料量正確了，在列印最底層時，擠出頭跟列印台之間的距離誤差，會嚴重影響第一層列印的平整度。擠出頭太高，會使線與線之間出現縫隙，甚至直線本身就出現抖動的現象；太低的話，塑料會向上溢出，甚至是根本擠不出料來。

擠料量過多，溢出表面。

擠料量太少，出現間隙。

綜合上面提及的各種問題，這邊設計了一個校正擠料量的測試流程給大家參考。

1. 列印測試薄片

列印一個長寬高20x10x2mm的薄片，層高0.2mm，頂/底面厚度3層，內部填充選用蜂巢狀，密度15%。

2. 觀察薄片封頂狀況

如果擠料量不足，封頂會出現線條之間有間隙，或是凹陷；如果擠料量過多，線條之間會出現過多溢料，需要減少擠出量。

3. 調整列印時的擠出量，再重複列印薄片

使用Repetier-Host控制印表機的話，可以直接從手動控制面板，調整"擠出頭擠出速度倍率"。或是直接下命令"M221 S70" (70是指擠出量是Gcode標定的百分之70)做調整。
也可以直接使用LCD控制板做調整：開始SD卡列印後，修改 Tune -> Flow，單位一樣是擠料要加減多少百分比。

4. 重複先前步驟，當封頂表現符合期待，把當時需要加減的百分比，套用至Marlin韌體內的擠出軸steps per unit參數。

修改 Marlin 設定檔 configuration.h 內"DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT" ，直接在E軸欄位上加入要修正的百分比。如果需要修正的百分比是 113%，修改後的程式碼應該長的類似這樣：
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT {160,160,4000,750*1.13}
修改後再重新燒錄Marlin到控制板中。
如果控制板有開啟EEPROM設定記憶功能的話，也可以直接利用LCD控制板做修改，就不必重新燒錄Marlin。一樣的例子，如果需要修正的百分比是 113%，可以開啟控制項目：Control -> Motion -> Esteps/mm，將數值改成原本數值乘以113%後的結果，例如750x1.13=847.5。(這邊似乎不接受小數點，如果很在意精確到小數點也不能漏掉，請用重新燒錄Marlin的方法。)
設定完數值之後，記得要利用選項Control -> Store memory將設定值寫入EEPROM，這樣重開機之後會使用這次修改的值來運作。

5.校正平台對擠出頭之間的距離