預熱塞3D印表機噴頭

九月 1, 2014
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我熱愛3D列印,所以我決定自己動手製作3D印表機。操弄過MakerBot的Cupcake和Thing-O-Matic之後,我突然靈機一動想到我也可以自己作一臺免費的,而且和它們非常相近。

我在設計和真正製作出小型3D印表機(或者如同我兒子喜歡稱呼它為Toy Machine)的過程走了一趟漫長又曲折的路。在廢棄物堆尋覓許久,為了準備所需的零組件,我清出了步進馬達、線性滑軌和傳動皮帶,但我卻在噴頭的地方遇上了麻煩。所有我在網路上找到的噴頭設計都有一個缺點:它們都是需要用3D列印出的零件。也就是說,你需要一臺3D印表機才能製作一臺3D印表機!

我的解決方案是使用一些現成的工具、上網訂一些零件,然後再去一趟汽車零件行。這樣我就有足夠的零件能組裝我的強力噴頭了。我的噴頭是用10美元的柴油發動機預熱塞作為噴嘴,其工作效果非常好。


材料                        

工具

  • 切割 / 鑽孔模板,於 thingiverse.com/thing:153464下載
  • 防撞擊護目鏡
  • 鑽床, ¾ HP 或以上鑽頭, #36或7/64″、11/32″、#3或7/32″、22mm或⅞”、 8mm或5/16″、5mm或#9、4mm或5/32″、6mm或15/64″、#7或13/64″、1/64″、½”
  • 板金剪切機,或強力剪刀
  • 剝線鉗 / 壓線鉗
  • 檯式虎鉗
  • 鑽床虎鉗
  • 標準螺絲攻及板牙組
  • 螺絲攻,M4-0.7
  • C型夾,開口約6″
  • 鋼鋸
  • 切削油
  • 噴膠
  • 中心沖
  • 輕型榔頭
  • 刻度式或數位式卡尺
  • 直尺、直角尺或量角器
  • 大型筆刀
  • 細齒銼刀
  • 紙膠帶
  • 砂紙,400 grit

第一步:使用模板

  • 從 thingiverse.com/thing:153464下載、列印並剪裁出主體鋁塊、加熱器鋁塊、底板、馬達基座和軸承基座用的模板。在合適的鋁料上嘗試接合,盡量放在可以利用最多原有邊緣的位置;如此可以省去一些切割工作,並給您一個直線參考點。
  • 請務必把主體鋁塊的底邊和鋁棒原本的邊緣對齊,如此可保持主體和底板的垂直。
  • 移除模板,再於鋁塊的其中一邊噴上薄薄的一層噴膠。小心對齊,並把模板黏到鋁塊上。

第二步:切割鋁零件

  • 將鋁塊以虎鉗固定,以鋼鋸或有金屬刀片的帶鋸仔細切割零件。這個步驟需要慢工出細活。隨時檢查切割情形,確保和鋁料表面進行垂直切割,因為在接下來的步驟中,您需要將這些邊緣用於參考和鑽孔。
  • 注意: 針對1/8″的鋁零件,最簡單的作法是先將鋁棒裁至所需寬度,再鑽孔,最後切割成 3 個零件。

    第三步:為鋁零件鑽孔

  • 以中心沖標記模板上每個孔的中心位置。根據模板的參考線,用奇異筆為其餘的孔定位,再用中心沖標記。
  • 將主體鋁塊固定在鑽床的檯式虎鉗,對齊虎鉗,並夾住固定。加上少量的切削油並進行鑽孔。重複此步驟,以適當之鑽頭為其餘鋁塊鑽孔。針對½”的孔(半徑0.250″)和22mm的孔,預先以¼”鑽頭鑽孔,再鑽最後較大的孔。如此可以降低較大鑽頭的磨損,並避免卡住。
  • 針對兩個埋頭孔,用卡尺直接在鑽頭上測量深度,並以紙膠帶標記。鑽出位於噴嘴旁的熱電耦安裝孔後,用鋼鋸切出跨過該孔的淺溝。如此可以幫助防止熱電耦在鎖緊時「跑位」。

第四步:鑽出螺紋

  • 用適當的螺絲攻在孔內鑽出螺紋(需鑽螺紋的孔在模板圖上以黃色標記)。使用大量的切削油並慢慢進行。
  • 鑽螺紋訣竅:將螺絲攻固定在把手上,對準孔中心,輕輕旋轉一整圈,接著把螺絲攻退出,直到有螺紋的「喀」聲。旋轉¼到½圈,再退出螺絲攻到又有「喀」聲。重複此動作,直到孔內完全鑽出螺紋。
  • 若螺絲攻卡住,或感覺特別難鑽,把螺絲攻退出再試一次。請確保螺絲攻和孔壁盡可能垂直。

第五步:架設鑽床,進行螺栓滾齒

  • 傳統上,噴嘴的進給輪是一個用車床和特殊模具製作的有滾齒的螺栓。但您也可以用簡單的鑽床、螺絲攻、幾個墊圈和螺帽,以及兩個滑板軸承來進行螺栓滾齒(也就是在上面切出齒紋)。
  • 用量尺測量並標記螺栓無螺紋部分,距離螺栓頭13.35mm處。(如此在組裝噴嘴時,有滾齒的部分將可以直接對應線材和噴嘴。)
  • 如圖所示,將兩個滑板軸承夾在鑽床虎鉗上。將螺栓滑入軸承,並以一個墊圈和 2 個螺帽固定。鎖緊第一個螺帽,接著在鎖緊第二個螺帽時將第一個固定,確定螺栓仍可以自由轉動。第二個螺帽是「鎖緊螺帽」,可以確保螺栓旋轉時第一個螺帽不致鬆脫。
  • 輕輕將M4螺絲攻固定於夾頭,上下顛倒,確保其旋轉時不會晃動。降下鑽床並對齊虎鉗,使螺栓上的標記和螺絲攻接觸。將虎鉗固定,升起鑽床,並翻轉夾頭中的螺絲攻。這個對齊程序可以預防螺栓上的齒紋切割過深。

第六步:切割進給輪

  • 大量添加切削油於螺絲攻和螺栓上,並啟動鑽床。慢慢降下鑽床,直到螺絲攻剛好接觸螺栓並開始切割。
  • 繼續緩慢下降。螺絲攻應能抓住足夠的螺栓,並依螺絲攻紋路旋轉。繼續降下鑽床,直到切割的齒紋剛好接觸。升起鑽床並檢查工作情形。進行此程序時請盡可能小心,不要弄斷螺絲攻或造成齒紋不平均。
  • 齒紋切割完成後,測量滾齒部分的半徑,之後計算進給率時會需要。

第七步:切割噴嘴

  • 我在這個設計上遇到最大的困難是尋找便宜又易取得的噴嘴材料。最後我偶然找到一種使用22G不銹鋼針頭的黃銅分配器。太完美了!不用鑽 0.4mm 的孔真是太棒了,不是嗎?
  • 把分配器固定在虎鉗上,並小心地用細齒的銼刀或有切割片的旋轉工具切割,留下1mm的針頭。輕輕地用 400 grit 的砂紙打磨露出的針頭;若有需要,可用刮鬍刀片為孔去毛邊。
  • 訣竅:有些分配器的針頭會有部分阻塞,對液體沒有影響,但會影響融化塑膠。以1/64″鑽頭清潔分配器,並用剩餘的針頭做為引導。
  • 第八步:為噴嘴鑽孔和鑽螺紋

    • 將噴嘴在虎鉗上對齊並固定,讓噴嘴後方的孔與鑽床平行。將3號鑽頭的深度用卡尺和膠帶設定為0.275″,並將鑽頭固定於夾頭。在噴嘴添加切削油並小心地鑽孔。
    • 噴嘴仍固定在虎鉗裡,移除鑽頭並更換為1/4″-28螺絲攻。確認和孔對齊正確後,用鑽床開始進行鑽螺紋程序。在螺絲攻仍在噴嘴中時,把螺絲攻從夾頭移除,再手動完成鑽螺紋程序。

    第九步:為加熱管鑽孔

    Picture

    • 用鋼鋸切出2″長,直徑 ¼”的不銹鋼棒,並以銼刀磨平切割面。把不鏽鋼棒的½”固定在鑽床的夾頭,降下鑽床,並將露出的不銹鋼棒固定於虎鉗。保持鑽床降下狀態,把虎鉗夾在鑽床臺上。把不鏽鋼棒從夾頭釋放,如此應能使其和鑽床正確對齊。
    • 將中心鑽頭插入鑽床,並於不鏽鋼棒中心標記。移除中心鑽頭,並更換為4mm鑽頭。在不鏽鋼棒末端加上大量的切削油並開始將其中心鑽出。鑽入大約 ¼”深度後,退出鑽頭,上油,再開始作業。重複此步驟,直到中心完全鑽通。

    第十步:上螺紋並安裝加熱管

    • 在加熱管仍夾在虎鉗中時,用適合的螺紋板牙,加上大量切削油後,在不鏽鋼棒末端切出0.375″的螺紋。切割完成後,清除油漬並去除螺紋和孔的毛邊。
    • 把噴嘴鎖緊於加熱管末端。您可以使用高溫螺紋密封劑來克服外漏問題,雖然我沒有使用,也沒遇到外漏。

    第十一步:製作馬達耦合器

    • 將中心鑽頭固定於夾頭,並降下鑽床。將中心鑽頭固定於虎鉗中,並鬆開夾頭。把 5/16″×1″螺栓滑入夾頭,頭朝下。將鑽床啟動並慢慢降下,直到中心鑽頭於螺栓頭部標記。將螺栓及中心鑽頭自夾子中移除,並將螺栓置於虎鉗。將5mm鑽頭至於夾頭,對齊螺栓,並鑽出其中心。
    • 使用和您的進步馬達軸直徑吻合的鑽頭,重複此步驟處理螺栓剩餘部分。
    • 將螺栓橫放固定於老虎鉗中。用中心沖在螺栓頭部其中一面的中心標記,並以36號鑽頭鑽入。選取 #6-32螺絲攻並在孔中鑽出螺紋。在孔中插入固定螺絲,耦合器便完成。另一耦合器以相同方法處理。

    第十二步:製作風扇底座

    • 以噴膠把風扇底座模板黏到鋁片上,並小心地切出輪廓。在鋁片上鑽孔是不易掌握而且危險的工作,所以請確保鑽孔時底座固定穩固,並在下方布置木塊以避免產生毛邊。
    • 把風扇底座較短一端固定於虎鉗,讓虎鉗兩顎和彎曲線並列。以木塊或榔頭將底座彎曲90°。
    • 以相同方向彎曲另一側,約25°。

    第十三步:製作齒輪

    • 以8mm鑽頭在52T齒輪鑽孔;以5/16″鑽頭在24T齒輪鑽孔。如此可以讓它們輕鬆滑入螺栓耦合器。
    • 把一個8mm螺帽夾在虎鉗上,並以中心沖在其中一面標記中心。把32號鑽頭固定於夾頭,並於螺帽上鑽出中心孔。把虎鉗夾於定位,加上切削油,並把該孔鑽通,但不鑽穿整個螺帽。
    • 用#6-32螺絲攻,加上切削油,在孔上切出螺紋。

    第十四步:組合熱端

    • 進行熱端組合時,把加熱管滑入加熱器方塊,並以活動板手鎖緊噴嘴。請確保有鎖緊,否則融化塑膠可能會從螺紋滲出來。
    • 把預熱塞滑入加熱器方塊並以固定螺絲固定。將一段PTFE套管滑入加熱管,直到碰觸噴嘴停下來。您需要夠長的PTFE來放入加熱管並能夠完整封口。留下約1mm的突出部分,並裁掉其餘套管。

    第十五步:組合噴頭

    • 以2個墊圈和 #4-40螺絲把主體方塊固定在底板上。若沒有正確對齊,補救方法是用稍大的鑽頭或珠寶銼刀加大底板的孔。
    • 把加熱管滑過底板進入主體,並以固定螺絲將之固定。

    第十六步:組合噴頭(續)

    • 在每一邊使用4個墊片和#4-40螺絲把軸承底座和馬達底座固定在主體方塊上。把兩個608軸承滑入底座並讓滾齒的螺栓通過後方和前方的軸承。把固定螺帽旋入有螺紋一端並輕輕旋緊在軸承上。滾齒的螺栓應能順利旋轉。固定螺帽放置完成後,把固定螺絲旋緊,將之固定。
    • 把大的進給齒輪放在滾齒螺栓有螺紋一端,並以固定墊圈和8mm螺帽將之固定。以4個墊圈和螺絲把進步馬達固定在馬達底座上。(若分節器太寬,可以用旋轉工具或帶式砂磨機修整608軸承的其中一邊;別磨掉太多就好。)
    • 把耦合器螺栓滑過馬達軸並以固定螺絲固定。把驅動齒輪滑過耦合器並以固定墊圈和螺帽固定。請確保螺絲正確咬合。若太鬆或太緊,以銼刀調整馬達安裝位置。

    第十七步:組合噴頭(續)

    • 用兩個#6-32×¾”螺絲將散熱風扇安裝於底板底部,讓它吹過外露的加熱管。
    • 把加熱器電源線的兩端剝去⅛”的外皮,並各壓接上環形端子。把正極接上預熱塞,負極接上噴頭主體。
    • 把¼-20尼龍張力器旋入主體,並輕輕鎖緊。把熱電偶連接至加熱器方塊底部,組裝便完成。

    結論

    完成了!是不是簡單呢?您現在擁有超穩定的自製噴頭,可以為您的下一個作品進行列印了!

    先等等,別著急!在把噴頭裝上印表機前,先接上工作臺電源和獨立式溫度控制器,看看它是怎麼運作的。我喜歡用多餘的線材和手動進給的分節控制器來測試進給速率和流速。如此可以調整對齊,調整張力器並確保一切運作順利。

    設定您的噴頭的第一步是找出您要使用的控制儀器種類(RAMPS、GRBL Shield等等)。若您是從現有的印表機中取出舊的噴頭,您可以考慮使用該印表機的熱電耦和分節控制器。如此可以省去很多設定機器時的麻煩。

    若您要製作自己的印表機,連接也很簡單。把溫度感測器、分節器和馬達連結至控制器,並把火星塞接上加熱器電路。

    注意:您使用的是可達危險高溫的汽車預熱塞。請務必設置熱力 / 電流保護措施以防止意外火警或傷害!

    現在進行軟體設置。要計算塑膠噴出噴嘴的切確節數/mm,需要很複雜的數理分析。不需鑽研書本,您只要用以下的計算便能算出大概並在測試列印時做調整:

    節數/mm = R * r / (𝜋 * D)

    R =馬達轉一周之節數
    r =齒輪比例(在此為25:52或2.167)
    D =進給輪直徑(我的裝置是6.82mm)

    所以,我開始設定控制軟體(Teacup、Marlin等等)時,我用的起始節數/mm值為:

    (3,200 節數/轉周 * 2.167) / (3.14 * 6.82mm) 
    = 323.81 節數/mm

    接下來需要的資訊和線材及噴頭的噴嘴部分有關。ReplicatorG需要此資訊以決定列印時的流速和進給速率。此噴頭的原廠設定有下列規格:

    層高 = 0.3mm(我把這個當作通用層高)
    線材直徑= 1.75mm(需測量以得實際值)
    噴嘴直徑 = 0.39mm(需測量以得實際值)

    現在可以把這些設定在MakerBlock.com載入方便的 ProfileMaker,然後開始列印囉!

    Picture

    ADAM KEMP
    目前於維吉尼亞州亞歷山卓市的湯瑪斯・傑佛森高級技術學校擔任能源系統研究實驗室的負責人。


    (譯:Dana、屠建明)
    [原文]

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