CNC/3D printteri Tekijän kokemuksia ja kommelluksia matkalla numeerisesti ohjattujen omavalmisteisten jyrsin/3d printterin rakenteluun ja käyttöönottoon SISÄLTÖ: CNC jyrsin ja 3D printterin mekaaninen rakenne Sähköiset komponentit Käyttöönotto: - CNC jyrsin tarvitseman koodin kehittelyä ja käytössä tarvittavia ohjelmia - 3D printterin tarvitseman koodin kehittelyä ja käytössä tarvittavia ohjelmia 1. CNC jyrsin ja 3D printterin mekaaninen rakenne Jyrsi 2.0 on projekti, joka synnyteltiin opiskelumielessä, pyrittiin hakemaan vastausta siihen, voiko samaan runkoon rakentaa sekä CNC jyrsimen että 3d printterin. Laitteen koko määräytyi saatavilla olevista tarvikkeista: 600x400 mm kokoisesta 100 mm korkeasta alumiiniprofiilista ja 30 mm levyisistä alumiinisista ohjausvarsista ja erilaisista kulmaprofiilesta ja muusta sopivaksi havaituista tarvikkeista. Toteutus on "kimppaprojekti", karkea metallityö on Kalevi Sippolan käsialaa ja lopputoteutus on Tapio Nummen tekemä, kuva 1 Laite CNC jyrsinmuodossa Y-suuntaista siis pitkittässuuntaista liikettä ohjaa alumiinikehikon sisäpinnan profiileissa liukuvat 2x2 10 mm y-kelkkaan kiinnitetyt laakerit ja päätyihin kiinnitettyjen laakereiden varassa 8 mm kierretanko ja kelkan U-osan keskelle kiinnitetty pitkä mutteri. Rakenteesta ei ei näy pöytälevyn ollessa paikallaan muuta kuin vetomoottori.
Kuva 2 Y-suuntainen asennus, moottori on vastakkaisessa päässä X-suuntaista liikettä ohjaa samoin päätyihin kiinnitettyjen ohjauslaakereiden varassa 10 mm kierretanko. Moottori oikeassa päädyssä ja vetävä mutteri on kiinnitettynä Z rungon keskiosaan. Z-runko on laakeroitu 2+2 laakerilla, jotka liukuvat vaakasuunnassa olevan alumiinisenprofiilin urissa. Kuva 3 Ylä ja alalaakerit alumiiniprofiilin urissa Z suuntaista liikettä ohjaa 10 mm kierretanko sekin laakeroitu samoin 2+2 laakerilla, jotka liukuvat pystyssä olevan Z rungon almiiniprofiilin urissa. 10 mm kierretangot liitetään moottorien 6 mm akselihin erilisillä sorvatuilla messinkiholkeilla
kuva 4 Z kierretanko ja liitäntä, johon on kiinnitetty jyrsi 4. moottoria, A moottoria tarvitaan muovilangan syöttään silloin, kun laitetta aletaan käyttää 3D printterinä. 3D Printterin yksityiskohtaisesta rakenteesta tuonnempana tarkemmin kohdassa3b Laitteiston vaihto CNC:n ja 3D printterin kesken Käyttötarkoitus muuttuu hetkessä. Laiteaihto voidaan suorittaa helposti vaakasuuntaisen runkoon kiinnitetyn naaraspuoleisen ja CNC:hen ja extruderiin kiinnitettyjen koirapuoleisten liukukiskon keseken
Kuva 5 naarasura- ja extruderin koiras liukukisko 2, Sähköiset komponentit CNC-jyrsin tai 3D printterin päiden ohjaus on periaatteessa hyvin samankaltaista. Molemmissa tapauksissa tietokoneessa olevan ohjelman Mach3 tulee kyetä ohjaamaan leikkaus tai tulostuspäätä halutulla tavalla liikkumaan paikasta A paikkaan B. Tätä toimintaa varten tarvitaan ym. ohjelman lisäksiohjaus kortti (kuvat 5 ja 6) Ainoa merkittävä ero on ohjausmoottorien määrä, 3 tai 4, jonka mukaan kortti määräytyy
kuva 6 Hitachi TB6560 CNC Router 3 axis 3D printterikäytössä tarvitaan ohjainkortti, CNC TB6560 4 Axis 3.5A jossa on neljä väylää, yksi kullekin moottorille. Tilauksen mukana tulee rinnakkaiskaapeli ja kortin liittimet sekä ensiarvoisen aloittajalle tärkeä Mach3 moottorien ohjausohjelma. Ohjelma osaa lukea g-koodia, Kua 7 CNC TB6560 4 Axis 3.5A Kumman tahansa kortin tilauksen (E-Bay) mukana tulee rinnakkaiskaapeli ja kortin liittimet sekä ensiarvoisen tärkeä ohjelma aloittajalle Mach3 moottorien ohjausohjelma.
Sillä on kyky lukea g-koodia. Mach 3 ohjausohjelman oiva erityispiirre on myös siinä, että se näyttää koordinaatteina ohjauspään kulloisenkin sijainnin, missä mennään ja 3d printtauksessa muovilangan syötön määrän Kuva 8 Mach 3 näyttöruutu Samantapainen tilanne vallitsee moottorien osalta. Moottorit ovat tyyppiä Nema 23 perusmoottoreita yksi kullekin akselille (X,Y,Z) ja yksi moottori (A) 3D printterikäytössä muovia syöttävää extruderia varten
Kuva 9 Extruder ja sen moottori ja vierssä Nema 23 askelmoottori Ohjainkortti ja sen kaapelointi on tarkoituksenmukaista suojata sitä varten rakennettuun pölytiiviiseen laatikkoon varsinkin jyrsinkäytössä. 3, Käyttöönotto: A. CNC jyrsin käynnistysvaihaeita ja käytössä tarvittavia ohjelmia Kuva 8 CNC-jyrsimeni ensimmäisiä testiajoja Mach ohjelman ohjaamana. Materiaali on foam levyä, näkyy kuvassa vasemmalla, terä on 3 mm suora, jyrsi on 600w 3000 rpm kiertävä harrastejyrsi, edessä tuuletin ja suojasuojalevy Käytännössä tuotteen luomismatka ideasta lopulliseen toteutukseen on
kolmivaiheinen joka tarkoittaa sitä, että aluksi piirretään kappale kolmiulotteisena, sitten siitä luodaan esim, CUT 3Dohjelman avulla G-koodi ja lopuksi kappale työstetään jyrsillä, jonka liikkeitä ohjaavat 3 askelmoottoria (X, Y ja Z) g-koodin lukemisen kykenevän ohjausohjelman, Mach3:n avulla B 3D printterin käynnistysvaiheita ja käytössä tarvittavia ohjelmia
Kuva 10 Extruderi valmiina tulostamaan sulaa 0.4 mm muovia Vieressä Mach 3:n tiedot: X- ja Y-paikat, pään korkeus ja syötetty mm matka Tulostusmateriaali on 3mm filamentti. PVC muovia, joka näkyy kuvassa oikealla ylhäällä rullana. Muovin syöttölaite, kuvassa keskellä, on E3D V6 tyyppinen extruderi Kuva 11 Extruderin jäähdytinputkisto ja syöttöpää vaaka-asennossa Extruder muodostuu seuraavista osista runko, syöttömoottori, syöttökela, jäädytin putkisto, jäähdytyspuhallin ja 0,4 mm suutin kiinni syöttöpäässä, johon kiinniyttyvät muovin sulatuskaapeli ja lämmönsäädin. Tavoitteena on saavuttaa 200 asteen lämpö, jolloin muovi on sula. Haluttua lämpöä ohjaa erillinen lämmönsäätelyyksikkö Pinta, jolle muovia tulostetaan, tulostusalusta, tulee lämmittää muovin tartunnan helpottmiseksi noin sataan asteeseen sitä varten valmistetulla aluslevyllä, jota ohjataan 12 v jännitteellä Kuva 12 Tulostusalusta
Käytännössä tuotteen luomismatka ideasta lopulliseen toteutukseen on kolmivaiheinen, aluksi piirretään, skannataan tai downloadataan webistä kappaleen 3d malli. Siitä luodaan esim, Slic3D-ohjelman avulla G-koodi ja tulostetaan sen jälkeen, kun extrudri on 220 asteen lämpöinen ja tulostusalusta on 100 asteen lämpäönen 3D printterillä, jonka liikkeitä ohjaavat 3 askelmoottoria (X, Y,Z ja A) g-koodin lukemisen kykenevän Mach3ohjausohjelman avulla Slic3r käytöönotto ja oikeiden asetuksien löytäminen on hankala tehtävä ja vaatii syvällistä paneutumista ohjelman manuaaliin.
CNC-esimerkkiprojekti: Kiinnitystuen valmistus
1. 3d kuvan piirtäminen Tavoitteena on jyrsiä CNC:llä tuki -niminen kappale lämmönvaihtimen kiinnittämiseksi lämminvesivaraajan kylkeen. - ensimmäinen testiversio jyrsitään foamilla, lopullinen versio jyrsitään mahongista. - piirretään tarkasti mittakaavan mukainen tasopiirros (Spaceclaim 11) - tasopiirroksesta pursotetaan tuki 3-ulotteisesti nähtynä
- kun tallennus stl muodossa on tehty, ohjelma suljetaan liikaa vääntöä vaativana ohjelmana ja jatkossa tarpeettomana. - avataan Cut3D, joka osaa lukea lukuisia eri tiedostoformaatteja mm. stl, -3ds.
2. Cut3D Avausvalikosta avataan haluttu ohjelma: tuki.stl tarvittavien asetusten ja muunnoksien syöttämistä varten Cut3D ohjelmaan Cut3D ohjelman vaikeaselkoiselta näyttävien säätöjen ja ohjailuiden haltuunotto on lopulta varsin helppoa, sillä ohjelman tuottaja on valmistuttanut siitä netistä ladattavan helppotajuisen HowTo videon os: www.cut3d.com
Ennenkuin loppulisiin g-koodeihin voidaan päätyä, käyttäjän määriteltäväksi tulee lukuisia eri tekijöitä. Näitä ovat mm. valmistettavan kappaleen mitoitus, mm/cm/tuuma, terän pituus, paksuus, sen pään muoto, kappaleen skaalaus kaikilta osin tai x, y. xz osalta tai erikseen, työstön ajosuunnat sen askelluksen määrä ja syvyysajon askellus. Oma kokonaisuutensa on tuotteen tarkastelu virtuaalimallissa.
Asetusvalikoiden vaatimien syöttötietojen ja testiajojen jälkeen Cut3D tarjoaa virtuaalisen suorakaiteen,
joka on hieman suurempi kuin lopullinen työstettävä kappale.
Halutun kappaleen, tässä kappale tuki Cut 3D kaivertaa virtuaalisesta kappaleesta.
Lopputulosta voi käännellä ja tarkastelle sitä eri kulmista, pohtia sen oikeellisuutta ja muotoa eri katselukulmissa Lopuksi kappale tulee aina tallentaa kolmessa eri formaatissa, aluksi karkea jyrsintä nimellä tuki1r.tap, sitten hieno jyrsintä tuki1f.tap ja viimeistely tukio1.tap ja sen mahdollisesti aiheuttamat muutostarpeet ja korjaukset ja lopuksi tarvittavat kolme eriasteista tallennusta.
3. MACH3 Avauksen jälkeen edellinen ohjelma suljetaan ja tilalle avataan Mach3, joka on varsinainen CNC jyrsimen ohjaus ja työstöohjelma. Mach3 lukee G-koodia ja ohjaa CNC-jyrsimen terän liikkeitä x- y- ja z suunnissa ao. esimerkki G-koodin mukaisesti (kuva vasemmalla) Tässä kuvassa siniset viivat kuvaavat terän vaakaliikettä X ja tumma väli korkeusaskellusta Y. Z- liike ei tasokuvassa näy.
Jyrsinnän edistymistä voi seurata ruudulta ja tehdä koodiin tarvittavia muutoksia (kuva alla). Future Miten tästä eteenpäin, hyvä kysymys. Kiinnostavia asioita ovat esim 3d skannerointi http://www.3dcutting.com/solutions/frogscan.html ja Gnexlabin Mach3 addon sovellukset CNC:n Mach3:n käyttö 3d printterin ohjaukseenja miksipä ei http://www.3dcutting.com/solutions/frogscan.html Vuoroaan odottaa myös laserleikkaus sovellukset. Kun perusohjaus on kunnossa kokeilumahdollisuuksia on paljon