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Stepper/Spindel Kupplung optimieren

Heute hatte ich einen „Patienten“ mit ausprägtem Z-Wobbel da.
Der 3D-Drucker war eigentlich anständig montiert, aber zeigt einem massiven Z-Wobbel im Druckbild. Die Kupplung der Z-Achse war schnell als Ursache ausgemacht.

Ausgangssituation:
Eine klassische Kupplung mit 2 Stiftschrauben. Bohrung maßhaltig. Gewindestange knapp daneben.
Die 2 Gewindestifte drücken sich jedoch Täler der Gewinde und die gesamte Spindel in die andere „Ecke“.
So bleibt der Spindel nichts anderes übrig als zu nicht rund zu laufen.

DSC_1386

Lösung:
Um das ganze zu verbessern, ohne neues Material zu kaufen oder größere Umbaumaßnahmen vorzunehmen, wurde ein zusätzliches Gewinde eingebracht.

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Endprodukt:
Die Gewindestange kann nun zentrisch gespannt werden und eiert nicht mehr.

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Die Gewindestifte mit Spitze (ISO 4027) wurde gegen Gewindestift mit Kegelkuppe (ISO 4026) getauscht.
Die Spitze drückte sich immer in einen Gewindegrund, dadurch verzog sich die Kupplung noch zusätzlich.
Die Kegelkuppenform hingegen drückt sich mit einer größeren Fläche, also über mehrere Gewindegänge, auf die Gewindestange. Die Kupplung „verzieht“ nicht mehr.

Wer keine anderen Gewindestifte hat, schleift einfach die Spitzen von Gewindestiften an. Das alleine kann schon eine deutliche Verbesserung des Rundlaufs bringen.

Beim anziehen der Schraube ist schön gleichmäßig und vorsichtig vorzugehen. Zwischendurch immer wieder den Rundlauf kontrollieren.

Noch schöner wäre natürlich eine Lösung mit 4 ISO 4026 Gewindestiften, dann liesse sich die Kupplung wie ein 4-Backen-Futter einstellen.

P3sTE MK1

P3steel toolson edition MK1

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In my opinion Irobri’s P3steel frame is probably the best i3 frame available.
But the printed parts didn’t meet my requirements. Most of the existing designs are not well thought out .

More than 1 year ago I bought a P3steel kit from a spanish supplier.
After hundreds hours of printing i changed and modified nearly every part.
Some weeks ago I decided to design a completly new P3steel.
I designed nearly every part from scratch based on my long time experience with my first P3steel and all the developments I did in the mean time.

 

stl’s / download:

If you want to print the parts yourself, you can download all stl-files here:
http://www.thingiverse.com/thing:1054909

Contact me when you have no possibility to print the parts yourself.
(contact form at the end of the page)

preconfigured Firmware

download the preconfigured Repetier v0.92 Firmware here:
Repetier-Firmware

For beginners and first testruns:
Set acceleration for X and Y axis to a lower value (800-1200).

Dont forget to finetune PID Parameters for Heatbed and Hotend.
Use M303 command:
M303 P<extruder/bed> S<printTemperature> X0 R<Repetitions>- Autodetect pid values.
Use P<NUM_EXTRUDER> for heated bed. X0 saves result in EEPROM. R is number of cycles.

BOM (last change: 20.01.2016)

(please report missing objects or failures, contact form at the end of the page)

frame/mechanics
1 P3steel frame V2.01 or higher
4 springs for heatbed standard
2 smooth rods Y, 350mm; d=8mm, Cf53 h6 tolerance, grinded surface, steel, hardened
2 smooth rods X, 380mm; d=8mm, Cf53 h6 tolerance, grinded surface, steel, hardened
2 smooth rods Z, 320mm; d=8mm, Cf53 h6 tolerance, grinded surface, steel, hardened
12 linear bearings LM8UU
 Important:  smooth rod length is for v2.01 frame, for other frame version the length may vary
drives:
2 pulley 20 teeth
2 drive belt GT2; 1m
2 couplings 5mm/5mm
1m threaded rods M5; 8.8 or 10.9 quality (cut into 2 pieces)
2 brass nuts DIN 934 – M5
4 bearings MF 126 (with flange)
4 stepper NEMA 17; 1,8°; 1,7A
2 knurled nut DIN 466 – M5
2 bearings 625ZZ
2 nuts DIN 985 – M5
extruder:
1 stepper NEMA 17; 1,8°; 1,7A
1 extruder drive gear MK8
1 bearings 625ZZ
1 bearings 608ZZ
2 springs 0,5 x 4,5 x 20 mm
2 pushfits M5 x 4mm
heatbed:
1 silicone heater 200x200mm, 12V, 200W,  with thermistor
1 aluminium cast plate 220x220x5mm; finely milled
1 buildtak 203x203mm
1 solid state relais DC/DC
hotend/cooling:
1 hotend E3Dv6 clone; 1,75mm, 0,4mm noozle, 3950 thermistor
1 COB LED 26x36mm
1 fan 30x30mm; 12V
2 fans 40x40mm; 12V
Sunon MB 40101V2-000U-A99
1 teflon tube 4x2mm (maybe delivered with hotend)
1 MPX plug 6 pole, green
Elektrik/Elektronik
1 power supply 12V 25A 300W
1 fan expansion for RAMPS 1.4
1 Arduino MEGA 2560 R3
1 SD-card Sandisk 16GB Class 10
1 LCD 2004 SmartLCD with adapter
3 endstops Makerbot v1.2 style
1 spring 0,5 x 4,5 x 20 mm
1 arduino shield RAMPS 1.4
4 stepper driver Watterott, TMC2100
4 heatsinks Watterott, 10x10x12,5
1 socket IEC
2 switches Marquardt 1801 series
6m braided sleeving example: ViaBlue size S
2 fans 40x40mm; 12V
Sunon HA40101V4-000U-999
3m wire black, 0,25mm“
3m wire red, 0,25mm“
3m wire blue, 0,25mm“
3m wire green, 0,25mm“
1m wire black, 1,5mm“
1m wire red, 1,5mm“
1m flat ribbon cabble 10pol., AWG28
6 crimpcontacts DuPont, 2 pol
3 crimpcontacts DuPont, 3 pol
5 crimpcontacts DuPont, 4 pol
0,5m shrink tubing 8mm, inner hot glue coating
0,5m shrink tubing 5mm, inner hot glue coating
0,5m shrink tubing 3mm, inner hot glue coating
20 zipties 100×2,5mm

List of screws (last change: 21.11.2015)
(may not 100% complete, please report missing objects, contact form at the end of the page)

DIN 912 M3 x 12 32 P3steel frame
DIN 985 M3 32 P3steel frame
DIN 912 M3 x 20 4 Y-axis-stepper
DIN 912 M3 x 8 2 Y-axis idler
DIN 985 M3 2 Y-axis idler
DIN 912 M6 x 30 1 Y-axis idler
DIN 985 M6 1 Y-axis idler
DIN 934 M3 6 Y-axis belt tensioner
DIN 912 M3 x 8 4 Y-axis belt tensioner
DIN 912 M3 x 25 2 Y-axis belt tensioner
DIN 985 M3 8 Y-axis linear bearings
DIN 912 M3 x 10 8 Y-axis linear bearings
DIN 912 M3 x 6 6 Z-axis stepper
DIM 912 M3 x 8 2 Z-axis stepper/light switch
DIN 912 M3 x 16 1 Z-axis endstop mount
DIN 912 M3 x 6 2 Z-axis endstop
DIN 934 M3 2 Z-axis endstop
DIN 934 M3 1 Z-axis endstop
DIN 912 M3 x12 1 Z-axis endstop
DIN 934 M3 1 Z-axis endstop
DIN 912 M3 x 8 2 extruder
DIN 912 M3 x 6 2 extruder
DIN 934 M3 3 extruder
DIN 912 M3 x 12 1 extruder
DIN 912 M5 x 16 1 extruder
DIN 125 M3 4 extruder
DIN 912 M3 x 40 2 extruder
DIN 912 M3 x 6 2 extruder mount
DIN 934 M3 2 extruder mount
DIN 912 M3 x 6 2 x-axis endstop
DIN 934 M3 2 x-axis endstop
DIN 934 M3 4 y-axis endstop
ISO 7380 M3 x 8 4 y-axis endstop
DIN 912 M3 x 16 3 x-axis
ISO 7380 M3 x 8 4 x-axis
DIN 912 M6 x 25 1 x-axis
DIN 985 M6 1 x-axis idler
DIN 125 M6 1 x-axis idler
DIN 934 M4 2 x-axis idler
DIN 912 M4 x 30 2 x-axis idler
DIN 912 M3 x 16 4 ramps fan
DIN 912 M3 x 20 4 ramps fan
DIN 934 M3 8 ramps fan
DIN 934 M3 4 ramps offset mount
DIN 912 M3 x 6 4 ramps offset mount
ISO 7380 M3 x 8 4 ramps offset mount
DIN 912 4 x 25 4 carriage/effector
DIN 934 M4 4 carriage/effector
DIN 912 M3 x 12 15 effector/hotend
ISO 7380 M3 x 8 2 effector/COB LED
DIN 912 M3 x10 5 hotend
DIN 934 M3 3 hotend
DIN 912 M3 x 25 4 heatbed
DIN 985 M3 4 heatbed
DIN 912 M4 x 6 3 power supply
ISO 7380 M3 x 8 4 power supply cover
DIN 934 M3 4 power supply cover
DIN 912 M3 x 10 4 SmartLCD
DIN 985 M3 4 SmartLCD
ISO 7380 M3 x 8 4 SmartLCD

P3steel – toolson edition by toolson is licensed under the Creative Commons – Attribution – Non-Commercial license.

P3Steel – frame by irobri is licensed under the Creative Commons – Attribution – Non-Commercial license.

Compact Bowden extruder by scarou is licensed under the Creative Commons – Attribution – Share Alike license.

SmartLCD-Case by schlotzz is licensed under the Creative Commons – Attribution – Share Alike license.

P3steel – toolson edition – part 13

Der letzte Beitrag meinerseits vor der Veröffentlichung des Gesamtpaket, behandelt das Druckbett meines P3steel.

Da ich noch genügend Material dafür da hatte, kommt der bewährte Aufbau meines Hexagon XL Druckbetts zum Einsatz.

Als Grundplatte kommt ein feingefräßte Aluminiumgußplatte zum Einsatz. Diese Platten sind sehr plan und verziehen sich wenig bei Erwärmung.

Als Druckoberfläche kommt wieder eine Buildtakfolie zum Einsatz.
Die ermöglicht eine deutlich niedrige Druckbetttemperatur als z.B. Glasplatten oder Dauerdruckplatten. Das spart Energie und minimiert Probleme durch zu warme Druckbetten.
Die Haftung mit so ziemlich jedem Material ist gigantisch. Das ablösen der Teile erfordert teilweise etwas Übung. Am besten geht es mit ein Cuttermesserklinge, die an Ecke des Druckteils zwischen dieses und die Buildtakfolie geschoben wird.
Die Haftung des Druckteils auf der Buildtakfolie lässt sich den Abstand der Düse und die Druckgeschwindigkeit der ersten Schicht steuern.

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Um die Aufheizzeiten kurz zu halten kommt eine leistungsfähige Silikonheizmatte zum Einsatz. Der Thermistor ist bereits in der Matte integriert.

dcDSC_1385

Da der Spitzenstrombedarf der Silikonheizmatte bei fast 17A (12VDC) liegt muss ein SSR verbaut werden. Das eingesetzte RAMPS verpackt nur Ströme bis ca. 11A.
Es gibt Möglichkeiten das RAMPS zu modifizierem, umzulöten. Da ich aber günstig an das SSR gekommen habe ich mir die Arbeit gespart.

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P3steel – toolson edition – part 12

Nachdem nun so ziemlich alle Baustellen am P3steel abgehakt sind, wird es Zeit das Kernstück zu montieren. Das Hotend.

Vor einiger Zeit habe ich schon den modularen bowden effector entwickelt. Die Kühleinheit für Hotend und Druckkühlung hat sich bewährt. Auf so ziemlich jedem meiner Drucker verwende ich Teile dieser Einheit.

Das Hotend ist leicht entnehmbar. Dank der nun eingesetzen MPX Steckverbinder auch leicht, für Wartungszwecke, vom Kabelbaum zu trennen.
Der Lüfter für das Hotend ist rückseitig montiert. Dies ermöglicht eine möglichst freie Sicht auf die Düse und erleichtert die Entnahme des Hotends.

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Die Luftströme für die Druckkühlung treffen sich ziemlich genau unter der Düse ohne die Temperaturregelung des Hotends zu stark zu beeinflussen.

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Die montierte COB LED ermöglich auch eine gute Sicht auf die Druckteile selbst bei schlechtem Umgebungslicht. Der steile Beleuchtungswinkel zeigt so ziemlich jeden Druckfehler auf.

DSC_1375

Da die 30 mm Lüfter, teuer, schwer zu beschaffen, nicht gerade leise sind und teilweise schlecht auf PWM Regelung reagieren, entwickle ich momentan eine alternative Lüftereinheit. Es soll nur noch ein 30mm Lüfter für die Hotendkühlung eingesetzt werden. Für die Druckteilkühlung  kommen nun 40mm Lüfter zum Einsatz.

403040beta

Die aktuellste Version findet sich zum download hier:
http://www.thingiverse.com/thing:953811

 

P3steel – toolson edition – part 11

Die originalen Befestigungspunkte für den Arduino am P3steel Rahmen sind ziemlich nah am X-Portal.
Um ein LCD-Adapter auf dem RAMPS zu benutzen ist quasi kein Platz vorhanden.

Um etwas Platz für alle Komponenten zu schaffen habe ich einen Befestigungsplatte für den Arduino MEGA erstellt.

Durch die Platte rückt die MEGA/RAMPS Kombination 15mm nach hinten.

ramps_offset_mount_1

ramps_offset_mount_2

Die TMC Treiber benötigen eine gute Kühlung. Diesmal möchte ich 2 Stück 40 mm Lüfter einsetzen.

Viele montieren die MEGA-RAMPS Kombination in eine Box.
Dies gefällt mir nicht, da die Teile danach extrem schwer zugänglich sind. Meistens lassen sich die Kabel auch nur äusserst kompliziert verlegen.
Deswegen setze ich diesmal auf die offene Lösung.
Das sollte vieles vereinfachen.

Lüfterhalter für RAMPS shields gibt es jede Menge. Gefallen haben mir dir die Halter von Schlotzz.

Um 2 Lüfter verwenden zu können, habe ich noch schnell ein Lüfterverbinder entworfen.

ramps_fan_mount_1

Das Netzteil ist auf die andere Seite gewandert. Ein schicke Box für den Hauptschalter und eine Kaltgerätebuchse war schnell erstellt.

PSU_25A_cover_1

Die Teile gibt es auf Thingiverse zum Download:

Arduino Offset Befestigung:
http://www.thingiverse.com/thing:1052156

Netzteilabdeckung:
http://www.thingiverse.com/thing:1052288

RAMPS-Kühlung:
http://www.thingiverse.com/thing:1052196

 

P3steel – toolson edition – part 10

Da im Original die Z-Achse des P3steel oben nicht geführt ist, entstehen bei Drucken mit hohen Jerks und Beschleunigungen üble Klappergeräusche der Gewindestangen.

Selbst gedruckte Führungsbuchsen können die Geräuschkulisse höchstens minimieren.

Des weiteren sind üblichen Kupplungen zwischen Stepper und Gewindestange nicht für Druckbelastungen geeignet. Dies kann man meistens an Unregelmäßigkeiten in den Layerhöhen erkennen.

Um beide Problematiken in den Griff zu bekommen habe ich Kugellagerhalterung entworfen.
Das Lager führt die Gewindestange präzise, so dass sich diese nicht aufschwingen kann.

Durch Nyloc Mutter DIN985 überhalb des Kugellagers kann eine leichte Vorspannung über die Gewindestange auf Stepperkupplung gegeben werden.
Dies führt zu einem Wechsel der Belastung. Das Gewicht der X-Achse liegt nun nicht mehr auf der Kupplung sondern auf dem oberen Lager.

Das Druckbild müsste deutlich von dieser Maßnahme profitieren. Die Ohren sowieso.

DSC_1103

Die .stl ist wie immer auf Thingiverse zu finden:
http://www.thingiverse.com/thing:1044542

P3steel – toolson edition – part 09

Um Gewicht auf der X-Achse zu sparen soll der neue P3steel einen bowden Extruder bekommen.

Mein NEMA23 Extruder wäre doch etwas zu viel des Guten für diesen kleinen Drucker.

Scarous’s compact bowden extruder hat sich schon bei anderen Projekten bewährt und gefällt mir sehr gut. Er setzt auch auf das äusserst bewährte MK8 Ritzel.

Also habe ich mir erstmal ein compact bowden hergestellt:

compact_bowden_extruder_2_pushfits_xt_light_green

An dem P3steel Rahmen einen vernünftigen Platz für Extruder war gar nicht so einfach. Es musste ein Montagewinkel angefertigt werden.

Der Extruder hat somit seinen Platz für die Zukunft gefunden:

extruder_mount_1

Den Halter gibts zum Download hier:
http://www.thingiverse.com/thing:1042401

P3steel – toolson edition – part 08

Seid einiger Zeit verbaue ich an meinen Hotends LED’s bzw. COB’s. Da diese müssen nicht ständig leuchten müssen, muss irgendwo ein Schalter hin.

Also schnell eine Box kreiert:

led_switch_box_1

Passend für die snap-in Schalter von Marquardt aus der 1801 Serie.

Hier gehts zum Download auf Thingiverse:
http://www.thingiverse.com/thing:1040318

P3steel – toolson edition – part 07

Bei dem Neuaufbau des P3steel wollte ich auf ganz klassische mechanische Endschalter setzen. Diese sind günstig, leicht zu beziehen, sehr präzise und völlig unanfällig gegen Störeinflüsse.

Wie immer gabs es keine Halter die mir gefallen haben. Auf Basis der gefunden Ideen habe ich auf die schnelle einen neuen entworfen. Die ist kompatibel zu allen Teilen der X-Achse.

X-axis_endstop_mount_v1_0

Die .stl gibts, wie immer, auf Thingiverse:
http://www.thingiverse.com/thing:1037870

Für die Z-Achse ist auch ein Halter entstanden:

Z-axis_endstop_mount_1

Die .stl gibts, wie immer, auf Thingiverse:
http://www.thingiverse.com/thing:1052823

Die Y-Achse benötigt auch einen Endstop.

Y-axis_endstop_mount_1

Die .stl gibts, wie immer, auf Thingiverse:
http://www.thingiverse.com/thing:1054680

P3steel – toolson edition – part 06

X-axis_complete_1

Zum Einsatz kommen, wie auch schon bei der Y-Achse, die IGUS RJZM-01-08 Gleitlager. Auf den hartanodisierten Aluminiumwellen von IGUS haben die Gleitlager einen traumhaft gutes und leises Laufverhalten.

Der Lochabstand der Bohrungen  auf dem X-Carriage ist identisch zu dem vom i3-rework. Eine optimale Kompatiblität ist somit gewährleistet.

Für einen 100% Sitz der Lager  werden diese seitlich durch je eine Linsenkopfschraube gesichert.

X-axis_complete_2

Der Motorseite X-Lagerbock ist weitestgehend eine Standardausführung. Die Klemmen für die Z-Lager sind verstärkt.
Die zumeist dünnwandige Ausführung führt meist zu einer Pendelbewegung der X-Achse in Y-Richtung sobald das Hotend ein überstehenden Druckrand berührt.

X-axis_complete_3

Das Umlenklager ist, im Gegensatz zu den Standardteilen, außen  angebracht und somit direkt im Riemenspanner integriert.

Durch die Einleitung der Kraft der Riemenspannung auf die Gleitwellen können sich die Z-Achsen nicht verbiegen.
Mir ist bis heute nicht klar warum das nicht Standard ist. Jeder billige Bausatz wird bis heute mit diesem Konstruktionsfehler ausgeliefert.

Der rechte Block der X-Achse ist somit losgelagert. Die Motorseite stellt das Festlager dar.

Die Klemme für die Z-Lager sind ebenfalls verstärkt.

X-axis_complete_4 X-axis_complete_5 X-axis_complete_6

Zwei Miniaturlager mit Flansch (MF126) sind ideal für die Umlenkung des Riemens. Durch die Flansche kann der Riemen nicht seitlich ausweichen.

Der Durchmesser der Lager entspricht dem einer 20 Zahn GT2 Riemenscheibe. Somit läuft der Riemen exakt parallel und horizontal. Fehler in der Druckgeomtrie sind somit ausgeschlossen.

X-axis_complete_7

Für den Antrieb der Z-Achse kommt eine M5 Gewindestange zum Einsatz. Durch die kleine Gewindesteigunge erreicht die Achse zwar keine hohen Geschwindigkeiten, passt aber gut zu den anderen Teilen.
Die Gefahr mit einer nicht 100% geraden Trapezgewindespindel in Kombination mit 8mm Führungsstangen Z-Wobbel zu erzeugen ist groß. Aus diesem Grund setze ich auf die dünnen, weichen M5 Stangen.

Um dennoch ein qualitativ hochwertiges Ergebnis zu bekommen wird eine M5 Gewindestange mit 8.8 Zugfestigkeit eingesetzt. Die hohe Zugfestigkeit wird zwar nicht benötigt, aber Qualität des Gewindes ist einfach viel besser als die einer Gewindestange in Baumarktqualität.

Oftmals wird der Fehler gemacht eine Edelstahlmutter mit einer Edelstahl Gewindestange zu kombinieren. Dies ist zwar immer gut gemeint, fachlich jedoch völlig falsch. Die gleichwertige Härte führt zu einer sehr schlechten Lebenserwartung und Fressspuren an beiden Teilen.
Aus diesem Grunde kommte eine Mutter aus Messing zum Einsatz. So ergibt sich eine gute Paarung. Sollte die Mutter jemals verschleißen, ist sie schnell ausgetauscht.

X-axis_complete_8

Alle Teile der neuen X-Achse gibts, wie immer, auf Thingiverse zum download:
http://www.thingiverse.com/thing:1036871