Robo3Dプリンターの出力環境改善で導入した軽量パンケーキモーターを搭載するExtruderユニットを装着して安定化するという報告をしてから、発生していたことについて書き記します。

埋め込み型温度センサーにも変えてセンサーのストレス対策なども講じましたが、配線系統の断線をしらせるエラーが生じたことから、インタフェース基板からのセンサー配線系統を一式やり直すことにしました。

また、センサーとの接続部のコネクターには、安定化の目的から配線中継用のSMシリーズコネクタを採用し、三年前の購入以来のセンサー交換などで積み重ねられた延長や途中交換を経たセンサー配線を一気通貫でやりなおしました。

ですが、まだ残る問題がExtruderのフィード不良が起きていました。動作をみるとドライバーの駆動力不足でモーターが脱調していました。

安定にフィラメントが駆動されないことの確認は、出力の表面がざらついていることからもわかります。注意深く現象を監視しているとExtruderのドライブギアが空回りして振動しているのが確認できました。

ドライバーユニットの駆動電流不足だったようで、設定値を調整して安定に出力動作が進むようになりました。

先日からの大雨で床下部分の換気口から浸水が発生したので、そうした不測の事態をさける目的で遮水カバーを作成しています。

これが決定版といえる3Dプリンター用の温度センサーが届いた。

従来品での一般的なセンサーは、ホットエンド(Volcano)の穴に差し込みビスで固定するというものでホットエンドとの間は接触で成り立っていました。ビス止めでは着実なテンションがかかっていたとは言えませんでしたね。

従来のネジの中にセンサーが封止されていますので、接触は安定に維持されます。

実装状態はこんな様子です。

どんな効果があったのかと問われると、エクストルーダーの温度センサー異常の発生が無くなったように見えます。現在使用しているFirmwareはMarlineというファームウェアですが、無記名の”Err:”が発生することがありました。ソースから見ていくと印刷中にExtruderの温度測定が急低下した事実が起きた際に用いるメッセージだったようです。

Volcano自体は熱容量の高い高速出力が可能なホットエンドなので物理的に急激な温度低下が起きることはないので、センサーの接触不良が想定される項目となります。熱結合を安定させるために何か含浸させて止めるということも従来品でも行うことで回避できるかと思われます。

何が起きていたのか、写真を見ていただくとわかる人は凄い。これは、組み込みの里でアレンジしているプリント基板用のバイス(卓上万力)の主要部品である左右でネジの異なるネジである。これにより中心に向かって万力の嘴が移動することになるのだが、上下をカットしているのは確かに設計通りなのだが、底面が設計以上にカットされているのだ

。

従来品の右側の黒いパーツ(嘴も結合しているのでちょっと位置が違いますが・・・)と比較すると上下の整形が異なっているのが見て取れます。

Robo3Dのフォーラムの仲間と意見交換をして、現象からみてZ-offsetの処理が正しくハンドリングされていないようだというのが現象面からの推察。

実は、Robo3Dが使っているFirmwareはMarlinというメジャーなreprapプロジェクトのオープンソースなプリンター制御Firmwareなのですが、AutoLevel処理については、とてもユニークなのです。オートレベリングとは、3Dプリンターのヘッドと出力されるヒートベッドを基点とするゼロ設定を自動的に行い、プリントギャップを正しく確保するものです。この調整はマニュアルでやるととてもクリティカルなもので、ヘッドとプレートの間を0.1mm程度になるように基準の紙や隙間ゲージなどを使って出し入れした際の引っかかり具合で判定して、プレートの水平も含めて何点かで調整するというものなんです。

そんなオートレベリングにはz-probeというセンサーを取り付けて自動調整の段階では、ヘッドよりも下になる位置にこのセンサーを下げてプローブがプレートに当たるまで下げていきます。当たりが検知されたときの位置をfirmwareでは記録しておき、メカ的なセンサープローブとヘッドの相対距離を引くことで、正しいZ軸のレベルを測ることが出来るわけです。この相対距離をz-offsetと呼んでいるのですが、通常の構成では、この値は正の値となりますが、Robo3Dではマイナスとなるのです。

なぜマイナスになるかというと、Robo3DのレベルセンサーはX軸のフレームを支えているZ軸上の移動台座との間にセンサーが付いていて、実際にX軸を下げ過ぎてさらにいくと、このセンサースイッチが開放されて衝突をしるという逆転の方法で検知しているからです。実際には、開放された後に、Z軸を上げていくことで短絡するまでのZ軸の移動距離がz-offsetとなります。そのため、扱う値は負の値となります。

こうした特性から、ソフトウェアの設定メニューなどにおいてマイナスになる要素が、この一点しかないといったことからRobo3D用のFirmwareは独自のパッチをして提供していたようです。液晶制御コンソールからはz-offsetの登録編集メニューがあるのですが、こちらではマイナス範囲に対応しないといった問題もあり、メインライン化されていないコードを使っての制御は難しく、通常と同様なセンサーメカを搭載して利用しているメンバーも多いようです。

ざくっとFirmwareのコードを見直して、マイナスの取り扱いが出来るように修正したところ、正しく期待通りに動くようになりました。

メニューからもZ offsetをマイナスに設定できます。印刷結果も確認出来ました。

さて安定動作にこぎつけたかに見えたRobo3Dだが、出力にともない今回手を付けていないヒートベッド側に問題があるとのレポートで印刷が中断する事案が発生した。まさに根本を揺るがす事態だ。ABS出力で必須なヒートベッドであり、すでにホウケイ酸ガラスという耐熱で膨張率の低い専用のヒートベッドに更新してあり、試作品の雰囲気のあったReprapでおなじみのヒートベッドをベニヤ板のステージに浮かせていた雰囲気ではないのだが・・・。問題点としては、センサーワイヤーの断線またはコネクター接触不良、センサー自体の故障ということになる。

しばらく動作をさせてみて時折再発するのでシールド側(RAMPS)のコネクター(QI)も確認してみるも問題はなさそうで、ヒートベッドからのワイヤリング(太目のリボンケーブル)とセンサーを疑い、切り分けの意味でリボンケーブルは根元で延長可能な分だけを残してカットしてセンサー系統の配線についてみると100kオームのサーミスターを接続するラインではあるが20-40Ω程度の値をしめしていて可撓性の確認をしていくと断線しかかりもあるように見受けられた。ヒートベッド更新してからは2年ほどなのだがセンサーも交換してみることにした。

ヒートベッドの下には、ヒーターが張られていて、そこにセンサーが取り付けられていて、全体に粘着コルクシートで断熱されてアルミテープで押さえられているという形だった。先日シンクのすきまテープを張り替えていたので在庫のあったアルミテープを適用したが、ヒーター直下の状況では高温で糊が聞かなくなりはがれるという事態がさらに起きた。

粘着度の高い基板加工機で利用する両面テープで隅を抑える形ではがれを抑制して、給電する配線系統には26芯のリボンケーブルを用いて、ヒーター系統には10芯ずつを二つ使い、センサー系統には3芯ずつを二つ使いそれぞれを根元ではんだ付けして熱収縮チューブで処理をした。

銅製粘着シールもあるのだが、コスト的にここで使うべきではないと判断して一部のみである。

ケーブルはヒートベッドのテーブルベッドの端にタイラップで止めて可動部分の下側での問題が起きないようにしている。残りはヒートカバーの中でとぐろを巻いている。

結果としてサンプルを出してみたところ安定動作しているようだ。気になっていたフィラメントの供給系統も中華製ABSで十分スムーズに供給出来ているようで、エクストルーダーから煙突のように突き出たPTFEチューブがくせのついた内心部のフィラメントでも使い切るときにちょうどうまくハンドルできるようだ。

色々と騒がせてきた、新エクストルーダーによるRobo3Dプリンターの改修作業は、昨夜一段落した。

フィラメントの装着もRobo3Dのケース上部にある横スリットの向きに合わせた正立オープンリールの形式だ。

新型のエクストルーダーはコンパクトでモーターも軽くなり、初代のものから比べて高速動作をしても大丈夫な形になったようだ。試験的には90mm/Sで動作させてみたが問題ないようだ。オリジナルの設計は50mm/Sだったので、倍近い速度でも対応出来るようになった。まだ90mm/Sが保障できるわけではないのでまだ確認が必要だ。

フィラメントの経路にはPTFEのチューブを通していてこの経路でのフィラメント走行には支障がないようにしている。

よく問題になるE3Dのホットエンドの放熱部分でのファン取り付けがこちらだ。
ABSで出力してオリジナルよりも大きな4cmのファンを取り付けている。フィンへの取り付けとしては、形状としてスリットに引っかかるようにしておき、タイで取り付けている。このファンは常時ONの設定である。

ノズルはE3DのVolcanoです。

残り少なくなった際のフィラメントにありがちな巻き癖のついた状態がみてとれるが、フィラメントのけん引力も含めてスムーズな供給が実現できているようだ。Octave社のフィラメントは滑りもよいので、中華製のものでないと評価にはなりえないかもしれないが・・・

とはいえ、フィラメント交換のやりやすさも改善されたので使っていただく上での改善は一段階上がったと思う。

試運転途中で、青のフィラメントが底ついたのでChangeFilamentを行い黒のフィラメントに切り替えた。フィラメントの交換がスムーズになり、今回のエクストルーダーアップデートの意義を再確認できた。