3Dプリンターの良いところは、難しい造形も3D設計して印刷すれば出来上がることであるのだが、安価なFDMタイプのプリンターでは変形や積層はがれなどいろいろな課題がある。
さて、表題の材料は、左の三次元データである。よく調整のとれたプリンターで支持材を指定すればできるかもしれないのだが、このままでは完成には、おぼつかない。
そこで、凡そ三つのパーツに分解して、はめ合わせて接着するほうが各部品の仕上がりならびに積層方向に基づく強度も高まるはずだ。
そこで使える道具はAutodesk社のMESHMIXERだ。面カットとシェル分解で切り分けていく。オブジェクトブラウザーで対応のパーツのみにしていくのが進め方だ。最終的に結合して以下の三つのパーツになった。
そして出来上がったのがこちらだ、勘合部分は、ちょうどよかった。ABS接着剤で接着した。
組み込みの里に追加導入した3DプリンターはMakerbot社のreplicator2x互換ということになる。最近は、このクラスが増えていて、売れ筋はFlashForge社のCreator Proということになるらしい。
いずれも、Dual nozzleのブロックが搭載されている点、出力ステージが上下してエクストルーダー自体はX-Yに移動する形式で筐体構造も同じなのだが、フルクローンか進化型なのかで異なっているようにみえる。
Extruderブロックはリニアレールの上のキャリッジに装着されていて、温度センサー・クーリングファン・ヒーターなどが搭載されているので可撓性の高いしなやかなワイヤーが本体に引き出されて接続されるという構成である。
今回、Exruderの分解清掃を実施しようとしたときに安易に考えて、ヒーターの電流が大きいものについては、MOLEXの3191を使い、XHコネクターを使ってロック式のプラグイン構成にしようと考えたのだがカットしたセンサーのワイヤーは固いもので可撓性があるものの、半田付けが難しくXHコネクターのはんだ付けは断念して接続用の基板を製作してターミナルを搭載して締め付ける形にしたのだった。
興味があったので他のプリンターについて調べてみたところ、オリジナルのMakerbot社のreplicator2xについては、長いワイヤーのままの搭載で保守に際しては、これらの線を処理しながら行うという点で現在のものと同一らしいということが分かった。
保守に関して、進化していたのは、FlashForge社のCreator Proだった。ブロックだけ容易に取り外しが可能なように中継ターミナルの基板が同様な構成で作られていた。やはりセンサーのワイヤーのはんだ付け性が悪いのかターミナルで取り付けるようになっていた。
私のインプリは中途半端で、センサー側からの信号は圧着してXHを適用したのが違いだが、本来は、本体からのワイヤリングも直して、このような形にすべきだろう。
最近一般化してきた3Dプリンターは、主にホビーで使われているフィラメントを溶融して絞りだしつつ積層していく方式のものだが、期待する外形サイズと実際のそれには、プリンタの設定、スライサーの癖、フィラメントの状態など多様なパラメータがあってある程度の誤差の範囲である意味あきらめるか、自身で経験を積んで設計値と実際の出力結果の傾向を学習して対応することになる。のし
とはいえ、プロ用途ではないものの物理的になにか既存のものと嵌合させたり、3Dプリント出力物でケースを作ったりする場合には蓋と本体の嵌合という問題が出てくる。
3Dプリンター自体はNC加工と同じでステッピングモータを何回転したら1mm進むのかという設定がギア比などから導かれるしGコードのコマンドでもM92などがそれに相当してプリンタ固有値を与えて調整するということになる。それ以外にもフィラメントの送り量についても同様なことが発生して太いマジックで書いたものと同じではみ出るし、それを計算して少し内側に描画というか出力を行うのはスライサーの仕事だ。
ともあれ、自身の使えるプリンター環境で設計値と出力値を比較して学習するためのテストピースを作ってみて確認してみる。
左の3Dデータがそのテストピースでサイコロの目のような穴と、サイズを少しずつ振った長さの異なるでっぱりを持つ凸側の二つで嵌合させた時に何ミリの隙間が出来るかで5段階の幅が判断できるようにして、それぞれ5mm角の穴に対応するものをセンタに一番小さいものを5mm出るようにして、順次1mmずつ短くして少しずつ太くしているということだ。
実物はこちら
この例では、2mmくらい嵌合できない隙間があり、用意した突起のうち、三つがクリアできたということになる。
5mm角穴に対して、この例では突起の設計値は4.0mm 4.25mm 4.5mm 4.75mm 5mmだったので設計値でいうところの4.5から4.75mmの範囲で嵌合する適合点があるようだ。
実際にはこの差分は常に同じと考えて0.5mmくらい内側を小さくすれば出来そうだ。
次の範囲を絞ったピースでは4.5 4.55 4.6 4.65 4.7としたが、4.55の場合にかっちり噛む感覚で閉じたようだ。これは、この印刷環境の事例なので同様なことを使われるツールで作り再現確認していただいて学んでいただくのがよいだろう。
[続報] プリンタ毎に異なるのも当然ですが・・・
黒いテストピースはRobo3Dで出した同一条件、青のテストピースはQIDI Avatar IVでの結果
Robo3D 4.7 0.35程度
QIDI AvatarIV 4.55 0.5程度
組み込みの里でカスタマイズ作成している電子工作用のバイスがリニューアルされて、分解可能な形になりました。材質はABSです。100%充填率で作成していますので強度は確保されています。
幅75mmの基板まではスリットに合わせると固定出来ます。
水平保持した場合に下のスリットの場合で85mmの高さ、上のスリットの場合で97mmほどです。
機体の色は、そのときの事情でフィラメントの在庫によります。これはパンダ色になっていますが、特定できません。
2. ロックスクリューのネジ側の強度を高めました。
3. すべて分解できる構造になりました。
価格 3500円にて頒布いたします。送料別途かかりますが、PCN 秋葉原 by Assemblageさんにも置かせていただきますので現地でご確認ください。
[追記] まだバイスの口を開閉する回転ノブの軸との密着度が不十分で空回りしてしまうことがわかりました。分解可能をあきらめて接着するかどうかを、もう少し見極めます。現在のものは、接着しておきます。
[追記更新] 強度と分解の両立を図るための、技術を一つ見つけましたのでこの方法で出していきたいと思います。従来のモデルはクロス軸を構成していたのですが、このモデルでは角の丸い軸を使っています。強度確保の意味では、こちらが強いのですが、軸に対して力を伝えるということに関しては精度含めて難しいのが3Dプリンターの矛盾となります。
左側の写真が、対策を講じた部品です。
3Dプリンターが到来して三年余り、今は二台目も登場してパラレル運転することもあり新旧両機種の癖の違いなども進化として理解している。旧型機種とはいえ、当該メーカーの更新や最新型のホットエンドへの改修も含めてそれなりに進化している。進化できないのはメカにともなう速度の問題と、構造に基づく振動などの課題だ。とはいえ先日作成したヒートカバーでABS出力も安心して出せるレベルになった。
新型プリンターはFlashforgeなどの相当品で、出力プレートが上下動するタイプでX-Y軸の水平面が保持される点なども含めて高速動作が出来るようになっている。構造からくるサイズ制限は、筺体に対して出力プレートの左右にエクストルーダーの余地がそれぞれ必要なことや、既にDualヘッドの時代になっているのでそれも要因の一つだ。出力サイズを確保して安定に出力するという目的に適うのはデルタ型かもしれない。Dualヘッドの並行性確保が難しいという噂などがあり、メカで水平が確保されるモデルとして現在の機種を選定したのだが、三つのモータを駆使して制御するデルタ型のほうが実は安定かつ力強く制御できるのかもしれない。
旧型プリンターはAutolevel機能を導入したので、この点については毎回の調整が不要になりとても便利だ。新型プリンターは構造的に本来は最初にマニュアル調整すればふとは不要のはずなのだが、ヒートプレートの過熱状態でのたわみの相違があるのか今のところ毎回微妙な調整を余儀なくされている。こちらも出来ればAutolevelの多点検知補正でアルゴリズムで解決できるように改造をしていきたいと思う。
ここまでは、現状認識までの話なのだが、実際問題として安定出力していく上でどちらにも重要な課題は、実はフィラメント供給の安定が鍵だといえる。
新型プリンターでも発生した、フィード不良による停止は、実はフィラメントガイドが課題だったし、同様に旧型でも同様なことが懸念されたし思い返される事態が記憶にあったのでフィラメントガイドの再設計を行った。Flashforgeでも共通の課題だったフィラメントスプールからの引き出し位置をスプール幅の中央位置に合わせることでフィラメントがスプール内部で噛むことが回避されるようになった。片寄せをしていた場合には噛みこみが発生していた。
Robo3Dではフィラメントを上部に置いてはいたものの、噛みこみについての理解は十分でなかったし、中央位置へのガイドとともにスプールが安定に回るようにという意味も含めてひっかけではなくてベアリングを追加してスプールがスムーズに回るようにした。従来は、テンションがさらにかかる要因になっていた。また取り付け位置も高さを稼いでフィラメントガイドに追加したガイドホールの角度もスムーズになるようにした。
3Dプリンターでフィラメント供給が止まる要因には様々なものがあるが、色々つぶしていった結果、残ったのはここになる。もうホットエンド供給内部でフィラメントが詰まることはなくなった。冷却が十分に必要ということの認識と対策が出来たことに基づく。ホットエンドをヒートアップして、フィラメントさえ送りこめるようにしてあげれば内部を掃除する必要はなくなったと感じている。
まだまだほかの事由も起こってくるのかもしれないが、三年余りの運用を通じて学んできた経験からの対策は、複雑な3Dプリンターのシステム理解についてゴールに近づいているかもしれない。
既存のSTLファイルを加工して利用する場合についてデータ出力で問題となる場合がわかった。
この写真の例では、左端のデザインをベースにして一部の脚のみを分割して伸ばしたいというものだったのだが、真ん中の事例は、そのままやったことが明確なままに部材も分断されて出てきた。
右側の事例は、そのことが判明したので対策をしたものです。Meshmixerで面カットなどで分断した場合で別の部品や拡張した形で接続しようとする場合に起こりました。
Gcodeベースで確認すると違いは次の通り。
結合しただけの状態で出したSTLファイルは実際には内部は結合していませんでした。Mattercontrolでgcode生成した場合の第一層の写真です。
結合した後にMake solid(固体化)というアクションをとることで作ったSTLファイルでは綺麗に内部が固体化されたのが確認されました。
必要な手続きをMeshmixerで再確認すると
これが内部で固体化されていないSTLファイルを読み込んだ状態でObject Browserを開きました。
Edit->Separate Shellを実行すると内部に三つのパートがあったことがわかり分解されました。
Object Browserで三つのパートを再選択して、Combine(結合)します。
Object Browserでも一つになりましたが、これではもとに戻っただけですね。
Edit-> Make solidを選択するとメニューが出てきますので、固体化する際の精度などを選択できます、ここではsolid accuracyを最大の512にしました。そしてacceptを実行すると
Object Browserにもう一つのデータとして名前に(solid)が付加されたものが作られました。
固体化していないオブジェクトを一旦Object Browserでゴミ箱に入れて
このオブジェクトに対して、Edit->Separate shellを実施すると出来ないよとアラートが出ますので、これで固体化が完了しました。
Object Browserで、固体化したオブジェクトを選択した状態でFileメニューからExportを選んで、STL形式で出力することで完了となります。
ヒートベッドの温度設定ならびにフィラメント温度設定などが正しくx3gファイルに設定されないと思われる事象の発生
もろもろ確認の一日になりそうです。予定では、細密出力のトライをしたいのですが、先は長そうだ。
3Dプリンターを使い始めると、パソコン創成期のように自分で改造していくということが頻繁に発生するようになる。完成品というには、似つかわしくない進化する道具といえるだろう。カスタマイズが共通だったりする場合も、オプションが異なる場合なども含めて共有されるカスタマイズパーツのSTLファイルはthingiverseなどのコミュニティに提供される共有フォーマットとしては有用なのだが、加工をベースにした場合には123Designなどで開いても加工できないケースが多い。
今回は、Robo3Dプリンターに保温カバーを取り付けるという長年の懸案事項に踏み込んだ為にスマート液晶コントローラの取り付けパーツを変更することが必要になった。
左側の3Dデータが、従来使ってきたものだが、今回取り付け位置を右にずらす必要から、右側のように3Dデータを変更してパーツを作成する必要がある。
踏み込んで使えるように、今回はMeshMixerというAutodesk社のツールを用いて、こなしつつ学ぶことにした。
行うべき手順は、取り付け部分のパーツをカットして、スライドしてということなのだが、実際には、それだけでは済まなかった。
Plane Cutという機能で切断面を当該部分の根元に当てようとすると、角度の調整が難しいのである程度あわせて切断面を前後に移動させながら角度を追い込んで適当な位置を求めた。
写真の下のほうでカバーの一部が、この切断面で切れてしまうことが分かったので、あらかじめ、このケーブルカバーを根元で切断して保存しておき、あとで結合することにした。
切り出されたオブジェクトはObject Browserに追加された。この部分を非表示にしておいて、本体の部分のカットに取り掛かる。
ある程度のところで妥協すると断面は、すこしスカートが残ってしまうことになった。このままスライドしてもつながらないので、それは断面をextrudeして伸ばして面に接地されるようにしなればならないが、適当な厚みで重なっても問題はない。
切断するとこの動かすべきパーツがさらにObject Browserに追加された。
移動させてみると断面がおかしなことになっていることが判明したので、これを修正する。
修正には、Analysis->Inspectorで断面をFlatFilでAuto Repair allを実施してまずはベースの修正を完了したので、このパーツを非表示にして移動した部品の断面を伸ばすことにとりかかる。
案の定切った断面の前処理が必要なのでベースと同様にAnalysis->Inspectorで断面をFlatFilでAuto Repair allを実施し処理してみる。
これでこの断面を伸ばすことに取り掛かれる。
selectの画面で、左クリックする少しずつ領域が選択されるので、繰り返し残りの領域を選択して全面あるいは少なくとも周囲を押さえることが必要だ。
まじめに全部選択してみた。
Edit->Extrudeでメニューがでるので、ここで長さを調整する。おそらく3mmもあればかぶるので適当なところでAcceptをする。
非表示にしていたメイン部品を表示にすると重ね合わせが出るので少し長いが問題ないと判断するか調整をするか
三つのパーツがそろったので、Object Browserですべて表示させて、シフトおしながら選択して、EditからCombineを選択して結合させる。
Object Browserでも一つになったことが分かるので、これで一応目的は達成した。最後に出来上がったファイルをSTLフォーマットでExportして完了だ。
スプリング持ち手のワイヤーで線径は0.8ミリ、1.0ミリ、1.3ミリ、1.6ミリと4種類あるのだが全部そろえると便利だ。
実は、これは電動ポンプ式の半田吸引器のクリーニングピンだ。HAKKOだとこの四種類がそろう。
組み込みの里では、割安なフィラメントを購入するようにしているので毎回スプールサイズがまちまちだったりする。およそ1kGのフィラメントも径や厚みが多彩だが、今回はスプール径が大きいもので、写真でいう右側のものだ。
このサイズだとガイドチューブの配置からフィラメントのフィード時の動作としてからがってしまいフィードが止まってしまう事態が起きてしまった。フィードが止まってしまうとフィラメントドライブギアがカスを作り出して詰まってしまいこまった事態になってしまう。掃除は大変だし、時間のかかる出力が失敗したりすることも含めて影響は甚大だ。
対策としてはスプールを逆に設定するようにした。
この問題は、メジャーな課題のようでスプール依存性からの解決に向けてPTFEのチューブ固定位置を空間に移動する形で、先人たちがパーツを作られていた。このプリンターはCreator ProのCloneマシンなので、良くも悪くもコピーされて再現しているということだった。となりのマシンのスプールを借りて、スプールガイドパーツを作成することにした。この現象が起きたのは、透明のフィラメントが切れて、白色に移行したことで発生していたのだった。
隣のマシンのスプールを利用して十分な空間をあけて、そのスプール問題対応パーツを作成しているのはブートストラップしている状況といえるかもしれない。
フィラメントガイドの補助部品を作ってスプールに対して中央の位置で引き取るようになった。左がオリジナルで、右がパーツ追加後である。
少し大きな部品を作ることで安定になったかどうかはひきつづき評価します。
左側は処置前
右側は処置後
出力に要した時間は、内部サポートもあり11時間あまりでしたが、翌朝無事にトラブルなく完了しました。このサポートに隠れている部品で、古いプリンターの制御パネルをずらして配置することが出来ました。双方のプリンターがABS出力などで恒温状態で出力できるようになりました。
フィラメントの具合が確認できるように壁にミラーを取り付けました。今日からはPVAフィラメントをセットしてみます。