Costruire una stampante 3D – [Parte 3] Assemblaggio parte meccanica


Siamo al terzo capitolo del nostro build log ed è giunto finalmente il momento di mettere insieme le parti meccaniche che compongono la stampante. Il primo passo consiste nel recuperare il telaio (frame) ed il carrello per il piatto di stampa, se non lo avete acquistato online allora bisognerà costruirselo in legno.

Come anticipato nel capitolo precedente dove abbiamo elencato tutto l’occorrente, il nostro telaio è stato realizzato con del legno su cui è stata applicata una stampa del disegno del telaio originale. Se avete a disposizione una fresa cnc o una macchina per il taglio laser idonee a questo tipo di lavorazione, potere sempre usare il file alu-frame.dxf disponibile nel repository ufficiale.

Realizzazione di frame e carrello in legno

Per queste parti abbiamo utilizzato rispettivamente del compensato di spessore 18mm per il frame e dell’MDF spesso 10mm per il carrello, sul materiale da usare avete massima libertà, Tom’s 3D  ad esempio usa un legno molto economico chiamato OSB. Le dimensioni della tavola per il frame deve essere almeno di 370mm x 370mm, mentre quella per il carrello deve essere di almeno 225mm x 225mm. Per poter stampare il disegno del telaio e del carrello originali non è necessario un plotter perché online sono disponibili delle versioni del disegno in formato PDF che può essere stampato con una comune stampante domestica. Scaricate uno dei due template a disposizione, quello di Tom (Prusa-i3-frame) o quello di Jules (JG-Prusa-i3-Frame-Template) e stampateli in modalità “poster”.

Una volta stampate tutte le pagine ricomponete il disegno complessivo andando a far coincidere nel modo più preciso possibile tutti i fogli. A nostro avviso il template di Jules è un po’ più semplice da assemblare perché al disegno originale sono stati aggiunti dei riferimenti per facilitare l’unione dei fogli, di contro però il disegno riporta solo i fori del telaio strettamente necessari, tralasciando quindi utili al fissaggio dei cablaggi, al montaggio dell’alimentatore, ecc.. Maggiori informazioni sono disponibili nella parte iniziale del secondo video di Tom’s 3D al seguente link.

In questa fase è bene fare molta attenzione alla composizione dei fogli A4 e alla loro applicazione su legno, in particolare sul telaio, dove il posizionamento dei fori di fissaggio è cruciale per un corretto accoppiamento ortogonale degli assi X e Z che ci andranno montati sopra. Prima di effettuare i fori sul telaio è consigliabile fare alcune misure di verifica con righello e livella.

Una volta realizzato il telaio ed il carrello si può iniziare la costruzione seguendo le istruzioni di montaggio della Prusa i3 MK2 disponibili anche in italiano. Potranno esservi molto utili anche i video della playlist ufficiale di Tom’s 3D per poter vedere dal vivo le varie fasi di realizzazione.

Assemblaggio asse Y

La struttura meccanica dell’asse Y è quella relativa alla movimentazione del carrello su cui è montato il piatto di stampa. Per la realizzazione di questa parte sono necessarie le istruzioni di montaggio dell’asse Y del manuale ufficiale Prusa, inoltre potrebbe tornare utile anche il video di Tom’s 3D mentre assembla l’asse Y.

In questa fase è bene fare molta attenzione alla configurazione della struttura, l’asse Y è costituito da barre filettate da 10mm di diametro sul lato lungo e da barre filettate da 8mm sul lato corto, su quelle da 10mm vanno inseriti dei dadi e delle rondelle che serviranno a fissare il telaio (frame) alla struttura dell’asse Y. Come si può vedere dalla figura che segue, alla fase 3 della guida bisogna impostare opportunamente la distanza tra il margine interno del piedino posteriore della struttura e l’interno della rondella posta a destra dell’accoppiamento dado-controdado (distanza marcata in rosso). Il manuale fissa questa distanza a 100mm.

Tale distanza è da mantenere a 100mm solo nel caso abbiamo scelto di utilizzare un telaio in alluminio (frame) identico all’originale, ovvero di uno spessore di 6mm. Nel caso invece abbiate optato per un telaio di legno autocostruito bisognerà adattare la distanza tra rondella e piedino. Nel nostro caso il frame è stato realizzato con del compensato di spessore 18mm, quindi con 12mm di spessore in più rispetto al frame originale da 6mm (18 – 6 = 12). Questo significa che il nostro frame dovrà arretrare di 12mm affinché la parte anteriore dove monteremo gli assi X e Z sia distanziata correttamente rispetto ai piedini della struttura Y. In conclusione, nel nostro caso la distanza tra rondella e piedino sarà di 88mm (100 – 12 = 88).

Nella foto che segue vi mostriamo come l’asse Y ed il telaio Z dovranno essere montati tra loro, al fine di comprendere meglio l’importanza del corretto distanziamento che è in funzione dello spessore del frame impiegato.

A questo punto potete continuare il montaggio seguendo la guida ufficiale, vi consigliamo di fare tutto con estrema calma, controllando più volte che:

  • i lati della struttura siano perpendicolari tra loro,
  • che tutti e quattro i piedini tocchino sempre sul piano,
  • il tensionamento della cinghia sia fatto in maniera corretta al fine di evitare problemi più avanti.

La cinghia deve essere ben tesa, ma non deve esserlo eccessivamente, a tal proposito i video di Tom’s 3D o altri video presenti su Youtube potranno aiutarvi a capire quali sono le tecniche per un corretto tensionamento della cinghia.

Di seguito alcune foto della nostra realizzazione.

Nel caso siate interessati ad implementare dei miglioramenti menzionati nel precedente capitolo già in fase di montaggio, per quanto riguarda l’asse Y potrebbero essere utili l’installazione di un tendicinghia (link) e l’uso di opportuni supporti per il montaggio dei cuscinetti lineari (link). In particolare, l’uso dei supporti per cuscinetti lineari, oltre a garantire una maggiore stabilità degli stessi sul carrello, vi consentirà di aggirare un problema di cui vi parleremo nel prossimo capitolo durate il montaggio del piatto di stampa, ovvero: quando si andrà a montare il piatto di stampa sul carrello dell’asse Y, le viti di fissaggio poste agli estremi del carrello potrebbero andare ad urtare il telaio e questo richiederà di smussare una parte del telaio stesso al fine di aggirare il problema. L’adozione di questi supporti permetterebbe di alzare il carrello dell’asse Y di qualche millimetro e quindi di evitare la collisione tra le viti di fissaggio del piatto ed il telaio.

Assemblaggio assi X e Z

Terminato l’asse Y si può procedere con i rimanenti X e Z, anche in questo caso le due risorse principali per l’assemblaggio sono:

Durante i video di Tom’s 3D si vede spesso l’uso del taglierino o del trapano per poter rifinire le parti plastiche che non sempre sono esteticamente o dimensionalmente perfette. Nel caso in cui le vostre plastiche necessitino di rifiniture è bene prestare molta attenzione al fine di non danneggiarle.


Per quanto riguarda la costruzione non ci sono particolari indicazioni, se non per quanto riguarda l’accoppiamento tra gli assi X e Z. Nel precedente capitolo abbiamo trattato ampiamente l’aspetto relativo alla movimentazione dell’asse Z attraverso l’impiego di barre filettate M5 o con barre a profilo trapezioidale di 8mm e del fatto che una scelta piuttosto che l’altra richiede degli adattamenti da fare sull’asse X nel punto in cui X e Z si interconettono.

Tom’s 3D, che implementa la soluzione più economica con barre filettate M5 (opzione 1), utilizza giunti flessibili da 5*5mm per collegare le barre M5 ai motori dell’asse Z e due coppie di adattatori per collegare le barre M5 alla struttura dell’asse X. L’adattatore singolo è composto da due gusci al cui interno si inserisce un dado M5 che poi va montato sul supporto dell’asse X. Per quanto riguarda invece il giunto flessibile da 5mm, come si vede nel video, potrebbe essere anche rimpiazzato da un pezzo di tubicino in pvc lungo qualche cm, tsoluzione che sconsigliamo visto il costo irrisorio dei giunti flessibili in metallo.

Nel caso si decidesse di optare per l’opzione 2, si utilizzeranno i giunti 5*8mm e degli adattatori per le chiocciole in ottone delle barre trapezie, questo perché le chiocciole in ottone fornite con le barre hanno dei fori che non coincidono con le parti plastiche dell’asse X su cui andrebbero montate. Sempre come visto nel capitolo precedente, le soluzioni per montare barre trapezie sono diverse, si possono usare i sopracitati adattatori (foto 1) oppure si possono stampare in 3d o acquistare chiocciole che non necessitano adattamenti (foto 2, foto 3).

Gli aspetti su cui fare attenzione durante questa fase sono i seguenti:

  • Montaggio giunti flessibili. Il corretto montaggio consiste nel montare l’albero motore e la barra filettata in maniera che siano “a battuta” l’una con l’altra e non ci sia spazio tra di essi prima di avvitare i grani di serraggio. L’utilità di questi giunti deriva dal fatto che, grazie alla parte centrale “intagliata” sono in grado di assorbire vibrazioni e compensare eventuali disallineamenti tra gli assi accoppiati, in quanto sono in grado di piegarsi, comprimersi ed espandersi senza influire sulla trasmissione del moto. Nel caso in cui non vengano montati correttamente, come nell’esempio in figura, il vantaggio del loro impiego verrebbe ridotto considerevolmente. Ad esempio, non mettendo gli assi “a  battuta”, il peso della parte meccanica che grava sul giunto lo schiaccerebbe verso il basso impedendogli di flettere ulteriormente per compensare disallineamenti e assorbire vibrazioni.
  • Accoppiamento X e Z. Questa è una fase molto delicata è bene prestare molta attenzione e non forzare in caso di accoppiamenti non perfettamente precisi. E’ consigliabile verificare di aver montato correttamente le varie parti al telaio e che le barre lisce e le barre filettate siano dritte e della giusta misura. Nel video di Tom’s 3D si vede chiaramente che a causa di barre lisce dell’asse X non tagliate alla giusta misura ci si ritrova nell’impossibilità di fissare l’asse Z al telaio. Sempre nello stesso video si vede che alcune parti plastiche vengono avvitate direttamente nel legno, nel nostro caso abbiamo preferito fare fori passanti per poi fissare tutte le parti plastiche con dado e rondella nella parte posteriore del telaio.
  • Tensionamento cinghia asse X. Anche per questo asse è bene prestare attenzione al corretto montaggio della cinghia dentata e al corretto serraggio delle viti di tensionamento. Se avete bisogno di un supporto video al montaggio troverete informazioni utili nel video successivo di Tom’s 3D, il quale effettua questa operazione successivamente, ovvero dopo aver montato completamente la struttura.

Di seguito alcune foto della nostra realizzazione:

Accoppiamento assi X e Y

E’ finalmente arrivato il momento di montare tra loro le parti realizzate fino a questo momento, ovvero il telaio che monta gli assi X e Z con l’asse Y. Al termine di questa parte potremo finalmente vedere realizzata la struttura meccanica della stampante.

In questa fase ci sarà molto utile il video di Tom’s 3D perché, come anticipato nella realizzazione di Y, dovremo posizionale perfettamente il telaio X-Z con Y in base allo spessore del materiale utilizzato. Questa fase non è presente nel manuale Prusa perché nel caso del kit originale il posizionamento è stato fissato durante la costruzione di Y ed in questa fase va solo inserito il frame e fissato. In questa fase sarà fondamentale:

  • Impostare la corretta distanza tra parte posteriore del telaio X-Z e profilo del piedino asse Y. La distanza di partenza è di 100mm con un telaio di spessore 6mm, l’equazione per ricavare la distanza corretta per lo spessore del vostro telaio sarà “100 – (SpessoreTelaio – 6)” che nel nostro caso sarà 100-(18-6) = 100-12 = 88mm.
  • Assicurarsi che i 4 piedini dell’asse Y tocchino perfettamente il piano. Bisogna accertarsi che le barre del piano Y non interferiscano con gli incassi del telaio nel punto in cui vanno fissate affinché non venga compromessa la planarità del piano Y stesso. In questa fase potrebbe tornare utile avere a disposizione una lima per sgrossare eventuali imprecisioni di taglio che potrebbero creare interferenze dell’accoppiamento.
  • Controllare che il telaio e Y siano perpendicolari
  • Controllare che il telaio sia montato in modo che gli assi Z e Y siano paralleli.

Per quanto riguarda gli ultimi due punti potrebbe essere utile usare squadra e livella per poter effettuare tutte le verifiche del caso prima di serrare i bulloni M10 e fissare finalmente le parti tra loro.

Assemblaggio e montaggio del corpo estrusore

L’ultima parte meccanica che resta da assemblare e montare alla stampante è il corpo estrusore. Le risorse per il completamento di questa fase sono le seguenti:

Anche in questa ultima fase non deve mancare attenzione e pazienza, in particolare nell’assemblaggio delle varie parti dell’estrusore. Il corpo estrusore è costituito da tante parti incastrate perfettamente tra loro, bisogna stare attenti ad utilizzare viti di lunghezza appropriata e serrarle opportunamente senza forzare sui dadi inseriti nelle plastiche, bisognerà inoltre fare attenzione a non danneggiare i cavi del sensore induttivo, delle ventole e della cartuccia riscaldante.

Come anticipato nel capitolo precedente, la scelta della ruota dentata per l’alimentazione dell’estrusore rappresenta una discriminante sulla qualità di stampa, in questo caso si potrà scegliere tra una costosa replica dell’originale Prusa MK2 (destra) oppure ripiegare su una economica versione MK8 A (sinistra).

Facciamo una piccola parentesi per introdurre qualche concetto tecnico utile a comprendere meglio come funziona il corpo estrusore. Questo è costituito da due parti ben precise:

  • Estrusore, costituito da un motore con ruota dentata ed un sistema cuscinetto/molla che fanno presa sul filamento plastico permettendo così di trascinarlo dalla bobina su cui è avvolto alla parte in cui il filamento viene riscaldato e sciolto.
  • Hot-end, che è la parte in cui il filamento viene sciolto per poi essere depositato su strati attraverso l’ugello.

Molto spesso si confonde tutto il corpo estrusore con la singola parte chiamata estrusore. Ad essere pignoli, il corpo è suddiviso nelle due sopracitate parti che corrispondono rispettivamente alla “parte fredda” (cold-end) dove il filamento viene trascinato dalla bobina e spinto dentro la “parte calda” (hot-end) in cui il filamento viene sciolto e depositato su uno strato attraverso l’ugello (nozzle) di un determinato diametro personalizzabile. Il corpo estrusore è poi costituito da due ventole, una per isolare termicamente le due parti, capite che se il filo dovesse riscaldarsi nella parte di estrusione, il motore con la ruota dentata potrebbe non riuscire a spingere dentro il filo perché divenuto troppo morbido, mentre la seconda ventola serve per essere attivata in base al materiale di stampa in uso al fine di raffreddare gli strati di plastica già depositata affinché lo strato successivo di materiale fuso possa poggiare senza collassare. La seguente figura dovrebbe aiutare a comprendere meglio come è costruito un corpo di estrusione.

Nell’immagine abbiamo rappresentato le due modalità per costruire un corpo estrusore: l’estrusore diretto (quello della nostra realizzazione) e l’estrusore bowden. Senza addentrarci troppo nel dettaglio, nell’estrusore di tipo bowden la parte calda e la parte fredda sono fisicamente separate e sono collegate attraverso un tubicino in PTFE in cui scorre il filamento. Questa soluzione permette di montare il motore dell’estrusore fuori dal carrello dell’asse x, andando così ad alleggerirlo, favorendo così la possibilità di lavorare a velocità superiori con maggiore precisione. Di contro, andando a lavorare con materiali teneri o flessibili ci si potrebbe trovare in difficoltà di spingere il materiale all’interno della parte calda.

Conclusioni

Con il montaggio dell’estrusore chiudiamo il capitolo della struttura meccanica, nel prossimo termineremo la costruzione della stampante andando a montare e configurare tutta la parte elettronica, dopodiché si passerà al capitolo finale relativo alla configurazione del firmware e la taratura della stampante.

Clicca su questo link per tornare al capitolo introduttivo con l’indice degli argomenti.


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