Door het experimenteren met bestaande 3D printers, ben ik mijn eigen printers gaan ontwerpen en bouwen. Van deze experimenten heb ik enorm veel geleerd en heb nieuwe methoden ontdekt om dingen te doen. Uit ervaring heb ik geleerd wat wel en wat niet werkt. Er zijn enkele designs bij die ik uitgetest en gedocumenteerd heb, omdat ik ze destijds op 3d model websites gedeeld heb.
De eerste 3D Printer
Mijn eerste FDM printer was de K8200 van Velleman. Deze zelfbouw printer was betaalbaar genoeg om 3D printen eens te proberen. Maar helaas was deze printer een enorme teleurstelling. Ik wilde alleen ABS printen, maar dat bleek onmogelijk. De Hot End kon de gewenste temperatuur niet halen. Ook raakte hij steeds verstopt, doordat het vloeibare filament, terug in de buis omhoog kroop. Als het dan lukte om te printen, trok de print krom of kwam los van het printbed. Dit kwam doordat het verwarmde printbed, niet heet genoeg kon worden. Omdat deze printer dus onbruikbaar was, besloot ik er mee te gaan experimenteren. Succesvol ABS printen was het doel.
Tank 1
Na de eerste aanpassingen heeft deze K8200 al heel wat veranderingen ondergaan. Het Heat Bed is vervangen, voor een die 110°C kan halen, zodat ABS beter blijft plakken tijdens het printen. Daarop ligt nu een glazen plaat. Dit maakt dat het printbed perfect vlak is.
Ook heeft deze printer nu een behuizing die gemaakt was van gewalst staal en plexiglas ramen. Dit maakt de printer super zwaar en stabiel. Omdat het frame zo lomp was, heb ik hem de Tank genoemd 🙂
Deze behuizing houdt ook meteen de warmte vast, waardoor de print niet te snel afkoelt, tijdens het printen. Ideaal voor het printen met ABS.
De Heat Break wordt nu actief gekoeld met een ventilator. Dit is om te voorkomen dat het filament draad te vroeg zacht wordt.
De kabels van de Hot End, ventilator en Extruder hebben nu een connector. Hierdoor is monteren en demonteren heel eenvoudig geworden. Dit is handig voor het oplossen van storingen.
De besturing heb ik ook moeten aanpassen om deze veranderingen mogelijk te maken. Rechts op de foto is de 24V voeding van een oude laserprinter te zien. Deze voedt de nieuwe Heater van het Printbed.
Deze Heater wordt geschakeld door een FET, die via een optocoupler verbonden is met de Arduino. Deze FET moet wel actief gekoeld worden om doorbranden te voorkomen.
In het midden is nog het originele besturingsbord te zien. Deze werkt al op basis van een Atmega2560 microcontroller. Dit maakte het mogelijk betere firmware te laden en te experimenteren met andere instellingen.
Nog niet goed
Ondanks al deze aanpassingen, had ik nog steeds veel storingen met deze printer. Dit kwam door het slippen van het 3mm filament draad of verstoppingen van de Nozzle. Daarnaast had deze printer ook nog eens de neiging, om soms totaal zijn positie te verliezen. Vervolgens ging hij dan verder alsof er niets was gebeurd. Toen had ik geen idee wat daarvan de rede zou kunnen zijn. Nu weet ik dat het EMF verstoringen waren, die van de voeding van de printer zelf af kwam. Dit heeft ertoe geleid, dat ik veel onderzoek heb gedaan naar EMF en dit soort problemen in de toekomst te voorkomen. Maar toen wist ik dat niet, dus ik besloot een nieuwe besturing te bouwen voor deze printer.
Tank 2
De nieuwe besturing bestond uit een GT2560 board met motordrivers die een hogere resolutie en stroom kunnen halen. Hierdoor wordt de printer preciezer en sterker. Deze besturing heeft zijn eigen behuizing met actieve koeling, om alle warmte zo snel mogelijk weg te voeren. Omdat ik de aanwezige aansluitingen niet handig vond, zijn ze uitgebroken naar de groene klemmenstroken op de achterkant. Hierdoor kun je makkelijk dingen veranderen of meten.
De originele bekabeling heb ik maar geschrapt en vervangen voor dikkere.
In de vorige versie bestond ook nog het probleem, dat de aluminium balk waar de Extruder op zit, ging hangen. Als dit te veel gebeurd, gaat de Z as stroef lopen. Om dit uit te stellen, heb ik een M8 bout aangebracht, die links van de Extruder motor te zien is. Het was niet mooi, maar werkte.
Op de ronde thermometer kon ik zien of er een kritieke temperatuur bereikt was. Als de naald het rode labeltje aantikt, kunnen de X en Y motoren te veel kracht verliezen door warmte.
Naast het vervangen van de besturing en kabels, waren ook de Extruder en de Hot End vervangen.
Het design van deze Extruder maakt het verwisselen van filament veel makkelijker. Ook kan deze 1.75mm filament draad aan. De druk op het filament, kon beter geregeld worden, om het slippen van het filament draad te voorkomen.
Nu is er ruimte voor een standaard Hot End met actief gekoeld koellichaam. Ook het verwarmings-element (of Heater) heeft nu meer vermogen.
Tank 3
Ondanks de aanpassing met de M8 bout, voor het waterpas stellen van de Aluminium balk waar de Extruder op zit, bleef het toch een lastig ding. Door warmte werking moest ik deze bout regelmatig bijstellen.
De methode, om deze hefboom maar aan een kant op te heffen, vraagt natuurlijk ook om problemen. Daarom heb ik toen een nieuw Z as ontwerp gemaakt.
Nu wordt deze aluminiumbalk (of Z as) aan beide kanten opgeheven. Hierdoor kan de aluminium balk niet meer schuin gaan hangen.
De Extruder van Tank 2 werkte super goed. Echter ontstond er op de langere termijn toch een probleem. Het PET-G geprinte lichaam van de Extruder, begon langzaam maar zeker te buigen. Hierdoor was het op een gegeven moment niet meer mogelijk, om het filament hard genoeg, tegen de Extruder Drive Gear te drukken.
Daarom heb ik de Extruder weer opnieuw ontworpen. Ditmaal is alles opgesloten in een box. Op deze manier is het onmogelijk dat hij uit krom gaat buigen. Ook is hij nu uitgeprint in ABS.
Na al deze aanpassingen was het dan toch nog een goede printer. Maar er was veel voor nodig en het is allang geen K8200 meer. Gelukkig heb ik enorm veel geleerd van dit avontuur. 🙂
Experimenteren met bestaande 3D printers
In de tussentijd heb ik ook veel geëxperimenteerd met het verbeteren van bestaande printers, zoals de Anet A6. Dit zijn goedkope zelfbouw printers, die makkelijk aan te passen zijn. Het is ook goed mogelijk, een totaal andere printer met de onderdelen te maken.
Anet A6 printers ombouwen voor ABS en meer hoogte
Dit is bijvoorbeeld een omgebouwde Anet A6. Normaal kan deze printer tot maximaal 24cm printen. Nu kan hij tot 48cm. Dit komt doordat ik de Z as verlengd heb. De tussenruimte is opgevuld met een gezette aluminium plaat. ABS printen was het doel van deze printer. Daarom zit hij in een houten behuizing, zodat de ABS print niet te snel afkoelt.
De originele Hot End van de Anet was niet echt geschikt om ABS mee te printen. Hij raakte vaak verstopt. Dit kwam doordat vloeibaar ABS omhoog kwam in de Heat Break, en daar dan stolde. Dit kan gebeurden doordat de originele Hot End geen actief koellichaam heeft.
Nu is de Hot End vervangen voor een die dat wel heeft.
Hij is hier te zien op de foto.
De lucht wordt van vooraf langs het Hot End koellichaam geleid en komt er aan aan de achterkant, onder een bepaalde hoek weer uit. Dit is om eventuele koeling, van het te printen ABS object, te voorkomen.
Ook heeft de nieuwe Hot End een PTFE buis vanaf de Nozzle tot de Extruder. Dit maakt het invoeren van filament super makkelijk. Bij de originele setup van de Anet, was dit enorm lastig.
Het nadeel van deze X wagen/Hot End combinatie, is dat PLA printen niet goed kan. Er is namelijk geen mogelijkheid gemaakt om een koelventilator te monteren. Hieruit kwamen dan ook andere verbeter onderdelen voort, om PLA printen wel mogelijk te maken.
Anet A6 printers ombouwen voor ABS & PLA
Om PLA printen toch weer mogelijk te maken, heb ik een nieuwe Hot End Setup bedacht. Deze is veel lichter en compacter. Hier door zijn ook snellere bewegingen mogelijk. Ook zitten er 2 koelventilatoren op, die de print kunnen koelen, tijdens het printen. De Anet in de foto, heeft ook een behuizing, om de warmte binnen bij de printer te houden. Deze behuizing, is gemaakt van ijzeren buis van een oud bed.
Hier is de Hot End/ X wagen Setup van dichtbij te zien, op een andere printer.
De 2 rode luchtkanaaltjes, sturen de lucht direct op de print. Doordat het van beiden kanten komt, is de koeling goed verdeeld.
De Extruder is niet langer meer op de X wagen aanwezig. Hij is nu bovenop de behuizing gemonteerd. Dit maakt de X wagen lichter, waardoor hij sneller kan bewegen.
De Filament draad wordt nu via een PTFE buis naar de Hot End op de X wagen geleid. Op de foto kun je de witte PTFE buis in midden net zien uitsteken.
Anet A6 printers ombouwen voor ABS & PLA en metalen frame
Een nog extremere aanpassing van een Anet, was om hem minder breekbaar te maken. De Anet heeft een frame van plexiglas. Dit werkt prima, maar niet echt, als je de printer makkelijk wilt verplaatsen. Elke keer was ik bang, dat ik het plexiglas zou breken, tijdens het verplaatsen. Ook had de riem, van de Y as, de neiging het plexiglas langzaam krom te trekken.
Daarom heb ik bij deze Anet, de Z as en de Y as van ijzer gemaakt. Dit maak het frame super sterk. Het is hierdoor heel makkelijk, om deze printer op te pakken, zonder dat het frame vervormd. Ik kan zelfs in de tuin printen, als ik zou willen. Tijdens het lassen is het frame wel iets vervormd. Gelukkig kon ik de assen terug recht stellen dmv vul plaatjes.
Deze printer heeft ook weer de voorgaande Hot End/ X wagen Setup.
Hier is goed te zien, hoe de blauwe PTFE buis, van de Extruder naar de Hot End gaat.
Door de PTFE buis samen te binden met de elektrische draden, blijft alles mooi samen en kan de X wagen soepel bewegen.
3D printen in het groot
Ook heb ik veel geëxperimenteerd met grote 3D printers. Grote 3D printers bouwen met spullen die ik, in de loop van tijd, verzameld had. Eigenlijk gewoon bouwen met spullen, die je direct in je omgeving kunt vinden. Het begon met een Hot End en een Heat Bed aan te brengen op een CNC router, waar ik eerder al over verteld heb. Het werkte wel, maar de Z hoogte was heel beperkt. Daarop ontstond het idee dit bestaande Router frame te verhogen. Uit dit experiment kwam Big printer 1 voort.
Big printer 1
Deze 3D printer, gemaakt uit aluminium profielen, was mijn eerste poging tot groot printen. De Aluminium profielen had ik gekregen en de ronde buis nog liggen. Het print bereik van deze printer was 900mm x 900mm. Helaas was het print bed maar 300mm x 300mm. De assen ware ronde metalen stangen, waar lineaire lagers overheen liepen.
De Extruder en Hot End zijn ontworpen als een module. De Hot End is opgesloten in zijn eigen kamer. Een ventilator stuurt via een inwendig kanaal, lucht lang het koellichaam van de Hot End. Vervolgens kan de lucht via een ander kanaal, dat naar boven leidt, ontsnappen.
Deze Extruder is gemaakt voor een 3mm filament draad. Om het de motor makkelijker te maken dit dikke filament te verplaatsen, is er een tandwiel vertraging ingebouwd. Het grote blauwe tandwiel is duidelijk op de foto te zien.
De besturing voor deze printer bestond uit een Arduino Mega, met daarop een RAMPS board. De RAMPS maakt het mogelijk, om de motordrivers, makkelijk te installeren op de Arduino. Ook is de RAMPS makkelijk aan te passen zoals je ziet op de foto.
Ik wilde meer motordrivers gebruiken, dan de RAMPS ondersteund. Gelukkig is het eenvoudig om er nog 2 extra drivers bij op te solderen.
Helaas gingen de stangen van de X & Y assen een beetje doorzakken. Dit heb ik nog weten te compenseren met het toevoegen van draadeinde. Hij kon goed grote vazen uitprinten, maar de constructie was niet stug genoeg voor gedetailleerde prints.
Big printer 2
Om het doorzakken van de ronde stangen te voorkomen, heb ik een lichtere X wagen ontworpen. De Extruder is verwijderd en op het printerframe gemonteerd, om gewicht te besparen. De 1e versie had geen koelventilatoren. Bij deze waren ze wel toegevoegd. Ook werkte deze printer met 1,75mm filament draad, ipv 3mm. Dit waren goede verbeteringen, maar het kon beter.
Big printer 3
Deze printer is eigenlijk Big Printer 2, maar dan met heel veel verbeteringen. Het zwarte koellichaam voor de FET die het Heat Bed schakelde, bleek onvoldoende. De FET was overleden. Nu zit er een enorm aluminium koellichaam voor deze FET, tussen de 2 Z as motoren. Ook zijn er bij deze printer motordrivers met een hogere resolutie gebruikt. Hierdoor gaan de motoren rustiger lopen en zijn er minder kleine trillingen in het printer frame.
De Extruder is vervangen voor een nieuw design dat hier te zien is op de foto. Het is veel compacter.
Doordat de motor van de Extruder niet meer direct boven het Heat Bed gemonteerd is, heeft hij geen actieve koeling meer nodig om zijn kracht te behouden. Op deze nieuwe Extruder is de druk op het filament draad beter te regelen waardoor verschillende diktes filament draad mogelijk zijn. De wartel maakt het mogelijk, verschillende diktes PTFE buis aan te koppelen.
Big printer 4 de Kleine Reus
Big printer 3 was een goede printer, maar enorm groot in omvang en dus niet te verplaatsen. Sterker nog, hij was vastgeschroefd aan de tafel waar hij op stond. Daaruit kwam het idee om de omvang te verkleinen, maar wel dezelfde print dimensies te behouden. Daarom heb ik deze printer “de kleine Reus” genoemd. Nu kan hij door een persoon opgepakt en verplaatst worden. Deze printer was ook weer een stuk stabieler, doordat de X en de Y assen ook veel korter zijn geworden. Dit was een hele verbetering en deze printer kon ook goed kleine objecten printen.
Helaas heeft dit design ook weer een nadeel. Het print bed loopt via 2 geleiden stangen over de Z as. Deze stangen waren 10mm dik en 1000mm lang. Als het print bed op de helft van deze lengte is, hebben de stangen toch de neiging om een beetje te gaan resoneren.
Hierdoor kunnen trillingen ontstaan bij bepaalde print bewegingen, die je dan toch terug ziet in het eindresultaat.
Om dit te voorkomen moest de print snelheid omlaag gebracht worden. Dat is jammer, want hele grote prints duren al erg lang.
Big printer 5 de Metalen Reus
Om de Kleine Reus te verbeteren moet de Z as geleiding van het printbed dus stabieler worden. Om de Z as stabieler te maken, heb ik gebruik gemaakt van geleider staven van 12mm dik. Ook hebben deze staven een aluminium ondersteuningsdeel, waardoor doorbuigen niet meer mogelijk is. Wel zijn deze staven behoorlijk zwaar. Daarom is het frame van deze printer volledig van staal gemaakt. Om dit frame te bouwen heb ik al het ijzer en staal dit ik thuis had liggen, bij elkaar geschraapt en gebruikt. Doordat deze delen niet echt gelijk waren, was het een behoorlijke uitdaging om het frame recht genoeg in elkaar te lassen. Natuurlijk heb ik het een en ander nog moeten uitvullen met plaatjes, om de assen ten opzichten van elkaar, echt goed te krijgen. Hierdoor is het grijze basisframe zo zwaar geworden, dat ik het in 2 delen moest maken. Anders zou ik het niet alleen de trap op kunnen tillen. Maar het extra werk heeft zeker geloond. Deze printer kan net zo snel (of sneller) printen als de normale formaten. Maar dan wel 300mm bij 300mm en 995mm hoog. Doordat het frame zo zwaar is, gaat er ook niets trillen, waardoor deze printer ook super gedetailleerde prints kan maken.
De Extruder zit weer direct op de X wagen gemonteerd. Deze printer kan het extra gewicht makkelijk hebben doordat hij zo massief is gebouwd. Als ik de Extruder wel bovenin gemonteerd zou hebben, zou dit betekenen dat ik de laatste meter van de filament rol, niet zou kunnen gebruiken. De koeling van de print wordt nu door een “slakkenhuis” ventilator geleverd. De lichtblauwe “Fan duct” verdeelt de lucht gelijkmatig rond de Nozzle. Om te voorkomen dat de Nozzle te hard afgekoeld wordt, is hij omhuld met een “kous” van sileconen.
De besturing is een GT2560 board. Leuke dingen, maar dingen meten is lastig. Ook de kleine connectoren zijn niet zo handig. Daarom zijn de draden die naar de motoren gaan, aangesloten op een Break-out bordje, dat direct onder de paarse motordrivers zit. Zo wordt de route, die normaal via het GT2560 board genomen zou worden, omzeilt. De motordraden gaan direct naar de motor driver. Aan de buitenkant zit een grote klemmenstrook, waar alle kabels naartoe gaan. Zo kan ik makkelijk meten en dingen veranderen. Een 2e klemmenstrook komt ook weer terug bij de X wagen. Dit maakt het mogelijk om elektrische onderdelen makkelijk uit te wisselen.
Dit was ook weer een enorm experiment, dat over jaren heeft gelopen. Hiervan heb ik heel veel plezier van gehad en geleerd. Uit deze kennis heb ik ook andere FDM printers ontworpen en gemaakt. Een gedocumenteerd voorbeeld is de Portable 3D Printer (of Draagbare FDM 3D Printer).
3D Printer om mee te nemen
Deze draagbare printer is ontworpen om mee te nemen. Hij kan makkelijk, door een persoon, opgepakt en in de auto gezet worden. Door zijn harde houten multiplex plaat behuizing, kunnen er geen fundamentele onderdelen beschadigd worden. Er is geen frame, dat vervormd kan worden, door het transport. Deze houten doos zal dus niet snel vervormen, waardoor de X,Y & Z as solide ten opzichten van elkaar zullen blijven staan. Ik heb deze printer zelfs meegenomen naar de Pyreneeën en terug. In de bergen heeft hij prima geprint.
De totale afmetingen van deze printer zijn maar 427mm breed, 464mm diep en 592mm hoog. Toch kan hij 210mm bij 210mm en 380mm hoog printen. En dat is zelfs groter dan de meeste commerciële printers.
Deze printer heeft 2 grote deuren, zodat alle onderdelen goed bereikbaar zijn. De binnenkant is wit geschilderd en hij heeft een ingebouwde lamp. Zo is alles goed te zien, wat handig is voor het oplossen van eventuele storingen. De deuren kunnen ook open gezet worden, om warmte makkelijker te laten ontsnappen bij het printen van PLA. Het luik aan de bovenkant helpt daar ook bij. Als er ABS geprint moet worden, kunnen alle deuren juist gesloten worden, om de warmte binnen juist binnen te houden. Dan koelt het ABS niet te snel af en trekt het dus minder snel krom.
Hier was de printer nog in het test stadium. De draden naar de X wagen zijn nog niet samen gebonden, tijdelijk schilders tape op het printbed enz. Maar wel is goed te zien hoe de filament draad naar de Extruder loopt. De Extruder is niet aanwezig op de X wagen, maar in de behuizing gemonteerd. Hierdoor wordt de X wagen lichter en kan dus soepeler van richting veranderen.
De PTFE buis van de Extruder naar de Hot End verdwijnt even uit beeld, maar het is duidelijk te zien hoe hij naar de Hot End gaat.
De Hot End is makkelijk te monteren en demonteren, zodat storingen oplossen makkelijk is. De 2 koelventilatoren en hun luchtkanalen, zitten direct op het koellichaam van de Hot End geklikt. Dit maakt monteren en demonteren ook weer erg eenvoudig. De besturing bestaat uit een Arduino Mega en een RAMPS board. Deze onderdelen zijn goedkoop en makkelijk te krijgen. Mocht er iets mis gaan met de besturing, dan is ook dat makkelijk en goedkoop te repareren. Deze printer is dus ideaal om mee te nemen, maar ook makkelijk te repareren. Over deze printer heb ik een presentatie gemaakt. Hierin kun je leren hoe een 3D printer werkt, maar ook hoe je deze printer zelf kunt bouwen. Klik hier om naar deze presentatie te gaan.
Deze Printer is ook gedeeld op 3D model websites zoals Thingiverse, MyMiniFactory, PinShape en Cults3d.