Con las bridas puestas

Año 2020. Hoy he acabado de montar mi impresora 3D. Ha sido un proceso largo y a la vez muy interesante. Cuando descubrí el proyecto RepRap no tardé ni un minuto en darme cuenta de que ¡yo quería eso! Decidí comprarme una impresora en cuanto fueran razonablemente asequibles.

En el año 2014 llegó la hora (mejor dicho el precio) y finalmente compré un kit Prusa i3 Hephestos de BQ. Era un gran kit DIY puesto que sólo había que tener unas pocas herramientas y aún menos habilidades para montarlo (soldar con estaño), y costaba 499 euros.

Tardé dos días en ensamblar el kit lo suficiente como para imprimir mi primera pieza. No me preocupé de organizar los cables ni intenté que fuera estéticamente bonita. Al principio yo sólo quería diseñar e imprimir. Y comencé a ver las cosas cotidianas que me rodeaban en forma de malla; todos los objetos podían fabricarse e incluso mejorarse.

Sin embargo pronto me di cuenta de que había algunas partes de la propia impresora que se podían haber planteado de otra manera: algunas soluciones eran indiscutiblemente mejorables, algunas operaciones muy tediosas y, sobre todo, algunas piezas no se imprimían bien por mucho que afinara su diseño o los parámetros de laminación.

Empezó entonces el recorrido que me ha llevado todos estos años en busca de la fiabilidad y la calidad de las impresiones, pero sin sacrificar la sencillez original de la impresora.

1. Chasis

El primer paso, tras poco más de un mes de uso, fue sustituir las barras roscadas M8 estructurales que conformaban la base. Aquello era un desastre. Era difícil que todo estuviera perfectamente alineado y, lo peor, una vez ajustado se desajustaba por el propio uso normal de la máquina. Me imagino lo difícil que hubiera sido si llego a entrar en este mundo con la Prusa i2 (16 varillas roscadas para la estructura).

Adquirí por internet un chasis P3Steel (el v2.0 de irobri) que principalmente sustituía las barras por una estructura de acero de 3 mm cortado por láser mucho más rígida y estable. Y lo bueno es que se podían aprovechar todos los demás componentes de la impresora, hasta las varillas lisas del eje Y eran de 341 mm, sólo cambiaba el marco. Venía en bruto, incluso con algún filo cortante, así que hubo que limpiarlo, lijarlo y pintarlo con spray.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Cambio de chasis de Prusa i3 Hephestos a P3Steel

El cambio de chasis fue sin duda un hito en la historia de mi impresora. Unos pocos tornillos M3 para ensamblarlo y queda perfectamente rígido y no se desajusta con el tiempo. Maravilloso.

Me pareció entonces que desaparecían todos los problemas de la máquina, pero en realidad al desaparecer los problemas más importantes lo que ocurrió es que los otros problemas, que antes no parecían tan importantes, ocuparon su lugar. Si no imprime bien, ¿te vas a preocupar del ruido que hace?

2. Ventiladores

No me molesta e incluso me parece lógico que la impresora haga algo de ruido mientras funciona, hay que enfriar el filamento según se deposita y a veces en piezas pequeñas hay que tener el ventilador de capa a tope. Lo malo es que los ventiladores del extrusor y de la electrónica están siempre funcionando directamente a la corriente de 12V de la fuente, y los que vienen en el kit son unos modelos muy ruidosos, muy molestos sobre todo cuando la máquina no está haciendo nada.

Un NB-BlackSilentPRO de 60x25 para la electrónica y un Noctua de 40x10 para el disipador del extrusor y asunto arreglado, ahora al menos si no está imprimiendo no hace nada de ruido.

3. Extrusor

Ignoro si por mala suerte o producto del desgaste el extrusor empezó a dar saltos de vez en cuando (hace un clack cuando pierde algún paso); normalmente iba bien pero aleatoriamente en algunas impresiones se producían algunos saltos estropeando las piezas (al perder pasos se produce falta de filamento en la pieza y se recalienta demasiado en el extremo antes de salir dejando pegotes oscuros). Lo peor: aleatoriamente.

Adquirí uno nuevo pero en esta ocasión de tipo DDG (double drive gear) con el cual desaparecieron los saltos para siempre, incluso en capas muy gruesas, gracias a su gran tracción. Y al tener la misma relación de pasos que el Witbox al que sustituía, no fue necesario tocar el software.

4. Eje X

No había elección. Tuve que diseñar los soportes del eje X desde cero (y de paso el carro).

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Soporte eje X derecho versión Hephestos

La pieza impresa de la derecha del eje X es probablemente la peor diseñada de todas. ¡Se pretende que avance suavemente por el eje Z a la vez que soporta una fuerte tensión perpendicular a dicho recorrido al sujetar el tensor de la correa del eje X! Y además transmite cualquier excentricidad de la varilla roscada del eje Z a los demás componentes. Era obvio que había que aislar esas tres funciones: recorrido por varilla lisa del eje Z, tensor de correa del eje X, empuje de varilla roscada en dirección Z.

Un nuevo tensor de correa que se apoye contra las varillas lisas del eje X y una nueva pieza que empuje en dirección Z y sólo en dirección Z al final del eje X fueron la solución.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Diseño del nuevo soporte derecho del eje X
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Diseño del nuevo tensor de correa de eje X
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Diseño del nuevo empujador dirección Z para tornillo M5
Disposición de los tres componentes del soporte derecho del eje X y pieza ensamblada

Durante esta modificación me percaté de que las varillas lisas del eje X estaban algo rayadas, supongo que tienen una dureza menor que las bolas de los rodamientos lineales LM8UU, que tampoco es que corran muy finos con ningún lubricante (he probado grasa de litio, aceite y WD40). Así pues modifiqué las medidas para sustituirlos por los casquillos DryLin de Igus.

El contacto de la pieza que empuja (la que tiene el tornillo M5) con la pieza que se desliza (la que tiene el casquillo) sin ningún intermediario que evite el rozamiento no logró aislar a esta última de los bamboleos producidos por la excentricidad de la varilla roscada. Modifiqué entonces las superficies de contacto para albergar sendas arandelas de latón que harían contacto entre sí debidamente lubricadas. Mucho mejor. Pero aún mejor resultó al sustituir el latón por teflón.

Por otra parte, el tensor de correa nuevo se apoyaría contra las varillas lisas del eje X en su misma dirección mediante dos tornillos largos rematados con llaves impresas para su ajuste fácil sin herramientas. Este tensor libera también al soporte izquierdo del eje X de la tensión de la correa pues son las varillas lisas las que hacen tope dentro de dicho soporte y no el eje del NEMA17 que tiene unido.

Respecto al soporte izquierdo también lo rediseñé para casquillos en lugar de rodamientos e hice la nueva pieza para utilizar las arandelas de teflón. De paso eliminé el soporte para la cadeneta recogecables pues tenía pensado desde hacía tiempo que podría colgarla desde la estructura en lugar de subir y bajar con el eje.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Diseño del nuevo soporte izquierdo del eje X

La modificación del carro no estaba prevista inicialmente pero quería dar una oportunidad a los casquillos DryLin que tan bien parecía que funcionaban en el eje Z. De paso cambié la disposición de los tornillos que sujetan el soporte del extrusor al carro, con cuatro orificios lo más alejados posible horizontalmente (en el kit eran dos tornillos y no en las posiciones más alejadas posibles), dos casquillos por varilla (el kit tenía dos rodamientos en la superior y uno en la inferior), algunos orificios para bridas y un saliente que hiciera tope contra el final de carrera con seguridad.

Diseño del nuevo carro X y pieza impresa

Lamentablemente los DryLin no iban tan finos como yo esperaba. ¡Se deforman! Si el hueco para colocarlos es muy justo no corren bien por la varilla pudiendo llegar a atascarse. Con demasiado espacio aparece holgura. Descartados para el eje X. Pero como no quería volver a los rodamientos de bolas adquirí por internet unos casquillos de bronce sinterizado y volví a diseñar el carro para ellos (son bastante más pequeños). Perfectos: son suaves, silenciosos, autolubricados, y se pueden sujetar a presión sin aplastarse contra el eje como ocurría con los DryLin.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Rodamiento LM8UU original, DryLin y casquillo de bronce sinterizado

5. Eje Y

La primera modificación tuvo que ser inmediata. En la primera prueba con el chasis P3Steel un ruido espantoso hizo que corriera a parar la impresión. El tornillo trasero que sujeta la base de impresión con el carro Y (y que nivela la base) choca con el espaciador del NEMA17 que mueve la correa Y. Yo estaba encantado con este tornillo pues hacía que la base se apoyara en tres puntos sobre el carro y sin duda eso facilitaría la nivelación (la base original se apoya en cuatro puntos). Un nuevo espaciador con forma rebajada para que el tornillo pasara cerca pero sin rozar y arreglado.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Diseño del nuevo espaciador para motor Y

Existe un error en el diseño del recorrido de la correa. La polea del motor, la polea loca y, sobre todo, el punto de anclaje de la correa al carro están a diferente altura. Por tanto el recorrido de la correa es un triángulo y la suma de los lados de dicho triángulo no es constante sino que varía en función de la posición del carro. Es decir, la correa va a estar demasiado tensa cuando el carro esté en algunas zonas y demasiado floja en otras, y lo peor es que el movimiento del carro no va a ser lineal respecto a los pasos del motor. No es necesario alinear la polea loca con la tractora, simplemente hay que conseguir que el recorrido desde el anclaje a las poleas sea paralelo al movimiento en Y (el recorrido entre poleas es indiferente).

Disposición en P3Steel (arriba) y nueva disposición de la correa Y

La correa del eje Y no tiene tensor en el chasis P3Steel. La nueva pieza de anclaje al carro para corregir el recorrido de la correa, tendría que tener también la función de tensor.

Diseño del nuevo tensor de correa Y y pieza ensamblada

Ya que iba a desmontar la máquina para sacar el carro Y aproveché para hacer unas fijaciones nuevas y poder sustituir los rodamientos por casquillos de bronce sinterizado también en el eje Y. Ni el kit ni el chasis P3Steel tenían piezas impresas para sujetar los rodamientos al carro Y.

Diseño de las nuevas fijaciones para casquillos de bronce y pieza ensamblada

6. Eje Z

Antes de rediseñar los extremos del eje X introduciendo los separadores de teflón tuve la tentación de eliminar el Z-wobble buscando la alineación perfecta de las varillas roscadas M5 y los NEMA17 del eje Z mediante diversos tipos de acopladores. Craso error. Lo lógico es evitar que una alineación imperfecta (que siempre va a existir en cierto grado) transmita dicha imperfección al resultado de la impresión, cosa que se consigue gracias al interfaz de teflón.

Los acopladores flexibles originales no podían alinear bien los ejes puesto que éstos están sujetos por prisioneros que los empujan directamente, sería mejor una sujeción de tipo abrazadera. Probé unos de tipo spider jaw, muy costosos, sin gran mejoría. Finalmente tengo puestos unos impresos, rígidos (todo lo rígido que es el PLA 870) que tampoco son la panacea. Lo importante es que casi cualquier acoplador sirve ya que el bamboleo de la varilla roscada no se va a transmitir gracias al interfaz de teflón. El Z-wobble no se elimina en el acoplador ni en la varilla, se elimina con las arandelas de teflón.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Acoplador flexible original, spider jaw y acoplador rígido impreso

Aunque las varillas métricas M5 son casi reliquias en las impresoras modernas, a mí me funcionan perfectamente, y por ello mi única intervención ha sido sustituir la tuerca de acero inoxidable por una de latón, mucho más blanda, para que en la interacción varilla-tuerca sólo se desgaste la tuerca y así prolongar la vida de la varilla.

7. Base de impresión

Nivelar la impresora puede convertirse en una operación tediosa si ha de realizarse constantemente. Y que la base de impresión mantenga la altura correcta respecto al carro Y durante muchas impresiones con sólo tres muelles es bastante improbable. Además, la unión del carro a la base debe ser lo más rígida posible para evitar defectos en las impresiones. Todo lo anterior se consiguió sustituyendo los muelles por barriletes sólidos impresos en TPU 90A, y volviendo a cuatro anclajes. Rematé la fijación con llaves impresas por un lado y arandelas dentadas por el otro para facilitar el ajuste sin herramientas. Queda perfectamente fija, nivelada para cientos de impresiones.

Sustitución de los muelles por barriletes de TPU

Aunque era imperceptible a simple vista, el metacrilato del kit tenía los bordes ligeramente deformados y hacía que el vidrio se apoyara irregularmente. Encargué un corte con láser a medida, de 5 mm de espesor (el original era de 8 mm) y taladré los agujeros. Arreglado.

8. Portabobina

Aprovechando una barra y un par de muelles del desguace de una LaserJet hice un portabobina decente que rodara suavemente y evitara que el extrusor tuviera que dar tirones del rollo de filamento.

Diseño del nuevo portabobina y pieza ensamblada

9. Cable LCD

Por fin había llegado a un punto en el que la máquina funcionaba perfectamente. Era el momento de ordenar un poco la maraña de cables que colgaban por todas partes. Primer paso: fijar el módulo display LCD y lector de SD en algún sitio de la estructura. El cable plano IDC de 10 pines del kit tiene la longitud justa para colocar el módulo en la parte superior del marco, pero yo tenía un embellecedor de metacrilato negro especial para la P3Steel que iba perfecto abajo en el frontal, así que adquirí un cable más largo (70 cm en lugar de 30 cm originales) para poder colocarlo.

Para mi sorpresa, con el cable nuevo el lector de SD no funcionaba. De hecho con ningún cable IDC de 70 cm funcionaba el lector. Tuve que fabricar mi propio conector con cables de mayor sección. Los crimpé con dos terminales DuPont de cinco bocas pegados entre sí para que encajaran en los sockets de 10 pines del módulo y de la placa. Curioso que un palmo extra de cable debilite o interfiera tanto la señal como para dejar inutilizado el lector de SD.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Nuevo cable para lector SD

10. Patas

Como la superficie de apoyo del chasis P3Steel es minúscula (menos de 5 cm2), unas patas impresas en TPU 90A evitarían cualquier daño a la superficie donde estuviera colocada la impresora, además de absorber vibraciones.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Diseño de las patas de apoyo

11. Bridas

Para mí, colocar bridas es siempre el punto final de cualquier proyecto.

Tengo una impresora que no conserva ninguna de las piezas impresas originales. Las he diseñado todas desde cero con la finalidad inicialmente descrita de mejorar los resultados y la fiabilidad sin renunciar a la sencillez original. Por el camino he aprendido tanto que el viaje en sí mismo ha valido la pena. Y además creo que he alcanzado el objetivo, pues ahora los límites no están en la máquina: si yo puedo diseñarlo ella puede imprimirlo.

Es el momento de cortar los cables eléctricos a medida (tenía algunos de más de un metro de longitud para un recorrido de 20 cm), crimpar sus terminales, enfundarlos, y finalmente enrutarlos de alguna manera por la estructura con bridas. La impresora ahora puede ser transportada gracias a la rigidez del chasis, con todos los cables bien fijados.

Enrutado de cables

Y un adorno para acabar: he colocado leds en la cara interior del marco inferior con una finalidad puramente estética, aprovechando que la base de metacrilato es semitransparente.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Iluminación
Resultado final

Anexo I. Otras piezas

También se diseñaron desde cero las demás piezas, no mostradas anteriormente: los soportes para montar los finales de carrera de los tres ejes, el soporte de la cadeneta, las llaves para ajustar manualmente, los soportes del ventilador de la electrónica, los acopladores, y un tope para el carro Y.

A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Soporte fin de carrera eje X
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Soporte fin de carrera eje Y
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Soporte fin de carrera eje Z
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Soporte de cadeneta
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Llave manual
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Soporte ventilador de la electrónica
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Acoplador de 5 mm a 5 mm (motor a varilla roscada)
A generic square placeholder image with rounded corners in a figure.
Tope para el carro Y

Anexo II. Z-wobble

Para evitar el Z-wobble he visto algunas soluciones peregrinas como fijar las varillas roscadas por su extremo superior al marco con rodamientos, y otras estrategias más drásticas y costosas como sustituir las varillas por husillos, e incluso implementar motores NEMA17 con husillos integrados (sin acopladores). Sin duda el Z-wobble es uno de los artefactos que más quebraderos de cabeza dan a los usuarios de las i3, pero ojo, al cambiar las varillas roscadas M5 por husillos no estamos atacando la raíz del problema.

Z-wobble: impresión con kit original (azul) vs. nuevo diseño con interfaz de teflón (rojo)
Ortoedro impreso verticalmente (x=3 mm, y=30 mm, z=113 mm)

Referencias


Adrian Bowyer - Replicating Rapid Prototyper

Prusa i3 Hephestos by BQ

P3Steel by irobri