Projet du FabLab étude et réparation d'une imprimante 3D Velleman afin de pouvoir potentiellement adapter le système à de futurs projets de tailles et utilisations variables.

Exemple de projets possibles adaptés, une fraiseuse, une imprimante 3D de grande taille…

L'idée et de voir la faisabilité du projet et de produire une documentation permettant de réaliser cela assez facilement.

Benjamin Cauley Mail BCauley

<note>à faire au propre avec un logiciel plus tard : </note> Wiki du projet RepRap

Forum du projet RepRap

Vidéo youtube expliquant les différentes étapes d'une impression 3D

Guide de montage de la Velleman k8200

Partie du wiki qui est résumée

Une impression 3D demande, on l'aura deviné, un modèle 3D généralement le format STL est le plus commun et celui qui vous fera rencontrer le moins de soucis de compatibilité. Pour obtenir ce modèle 3D vous pouvez le récupérer sur un site communautaire. Post forum regroupant les liens de la communauté

Ou faire son modèle par soi même, pour cela on peut utiliser divers logiciels libres, blender (animation, art), openscad (industriel), inkscape (possibilité d'extrusion une fois le modèle vectoriel terminé) voir même pour des petites retouches le site internet Tinkercad qui ne demande aucunes installations ou à licences comme solidworks ou catia.

Une fois le modèle obtenus il faut le convertir en un format compréhensible pour la machine, il faut trancher celui ci en plein de surfaces 2D comme un saucisson afin d'obtenir les couches d'impressions à effectuer cette étape est nommée Slicer ou Trancheur. Le format est appelé G-code, il existe de nombreux logiciel pour obtenir cette conversion Slic3r, Skeinforge ou Cura sont les plus populaires.

Petites descriptions des trois logiciels, avantages et inconvénients :

• Slic3r est l'un des logiciels les plus utilisées, offrant une grande liberté pour les paramétrages il est assez instinctif, toutefois il présente souvent des bugs lors des mises à jours.
• Skeinforge est un logiciel codé en python il est plus complet que Slic3r mais bien moins ergonomique (ou user friendly).
• Cura est un logiciel libre financé par le fabricant ultimaker, il est plus simple d'utilisation mais plus obscure sur la personnalisation et le paramétrage.

Il y a ensuite le problème de convertir les tranches en instructions pour les moteurs de l'imprimante 3D, c'est le rôle de la carte Arduino et du firmware (firm comme entre soft et hard, le firm permet de mettre à jour la carte sans changer le composant).

Ainsi que la gestion de la carte arduino et de son software. Pour tout cela se référer au lien situé plus haut pour des instructions détaillées.

Source de la toolchain

Il y a différentes parties d'électronique dans une imprimante 3D du type RepRap.

• Le microcontrôleur ou contrôleur, il s'agit en général d'une carte arduino sur laquelle va se greffer le reste de l'électronique. On peut utiliser pour cela un Arduino Mega avec un shield ou une carte spécifiquement faite pour cela avec des ports de connectiques dédiés à l'imprimante 3D, on peut trouver d'autres variations mais au final les cartes sont interchangeables leurs fonctions sont les même.

• Un moteur pas à pas, ce type de moteur permet un grand contrôle de la vitesse et surtout de position, il y a un moteur pour chaque axes (X,Y,Z), il y a aussi un moteur pour tirer le filament et le fournir à la buse de l'imprimante.

• Un dispositif d'entraînement pas à pas, il relie la carte aux moteurs et amplifie le signal, permet une plus grande réactivité du moteur (changement de sens de rotation notamment), et permet de diminuer les effets de la force contre électromotrice.

• Un système de sécurité permettant de déterminer à quel moment le déplacement d'axes du plateau ou de la buse arrive aux limites des dimensions de la machine, il s'agit en général d'un simple interrupteur ou d'une lamelle conductible. Il y en a évidemment deux par axes (les limites max et min).

• Une plaque chauffante, il est conseillé de chauffer la plaque sur laquelle on imprime notre figure 3D afin d'éviter qu'en ne refroidissant trop vite, le plastique n'adhère pas à celle-ci et se détache durant l'impression. Pour cela on utilise une thermistance. Il s'agit tout simplement de résistances, comme une plaque de cuisson.

La partie mécanique se divise en deux sous partie, la question des déplacement selon les axes X/Y/Z et la structure du plateau d'impression.

Quand on se tiens face à une imprimante RepRap les déplacements d'axe X se font sur le côté (droite-gauche), ceux d'axe Y d'avant en arrière et ceux d'axe Z influent sur la hauteur.

Les déplacements linéaires sont généralement effectués à l'aide de deux méthodes :

• Des poulies et courroies crantées

• Des tiges filetées ou des vis d'entraînement.

Les poulies et courroies crantées sont efficaces pour des mouvements rapides et de faible puissances (poids léger). Les tiges filetés et vis d'entraînement sont adaptées pour les mouvements lents de plus grande puissances.

La plupart des RepRap utilisent une combinaison de poulies et courroies pour les déplacement en X/Y et de tiges/vis pour les déplacement en Z.

Quand on aborde la précision, le plus important est l'ensemble poulie/courroie. L'état de l'art actuel est la combinaison entre la courroie GT2 et une poulie usinée qui correspond parfaitement au diamètre de l'arbre moteur (normalement 5 mm).

Voici les ensembles poulie/courroie les plus utilisés (source de Mars 2012) :

  L'ensemble T5, ensemble de courroies métriques asynchrones. Les courroies ont des dents trapézoïdales et présentent un jeu permettant de réduire l'usure et le bruit. Elles sont appropriées pour les applications uni-directionnels. Elles sont difficiles à trouver en Amérique du Nord. Les poulies peuvent être imprimés toutefois en les imprimants vous obtiendrez une précision équivalente à un ensemble poulie/courroie MXL avec un mauvais diamètre d'alésage. 
  

T2.5

  Comme la T5, ce sont des courroies métrique asynchrone. Les courroies ont des pas de 2,5 mm (0,098") et les poulies sont imprimables. Avec le même diamètre de poulie, elles ont une meilleur adhérence comparé à la T5 et donneront de meilleurs résultats. Les meilleurs résultats sont obtenus avec des poulies métalliques grâce à un profile de denture plus fin. 
  

MXL

  Cela signifie "Mini eXtra-Light". Comme la T5 et la T2.5, ce sont aussi des courroies asynchrone mais elles sont communes en Amérique du Nord car elles suivent des dimensions impériales. La distance entre dent est 0,08" (2,032 mm). Vous *devriez* être capable de trouvez des poulies qui ont un alésage de 5 mm avec un peu de difficulté. La plus part des moteurs pas à pas ont des arbres de sortie de 5 mm de diamètre. 

GT2

  Ce sont des courroies crantés Gates PowerGrip® GT®2 industriel synchrone. Elles ont de bonne caractéristiques technique et à la différence des courroies MXL et T5, la courroie GT2 a des dents rondes avec peu de jeu.

Les tiges filetés :

La plupart des RepRap utilisent des tiges filetées pour les déplacement selon l'axe Z. Ces déplacements n'ont pas à être rapide, le déplacement étant en général de l'ordre 0.2/0.4 mm par couches. Les points forts des tiges filetées sont la force et la précision. Du fait des frictions et du fait que la tige supporte (en général) le poids de la buse et du dispositif l'entourant, il est conseillé de prendre de l'acier trempé de qualité pour éviter l'usure.

Le plateau d'impression :

C'est le plateau sur lequel est imprimé la pièce, il consiste en deux partie :

La partie supérieur.

 Elle peut être chauffée ou non, il est conseillé de la chauffer pour des matériaux comme l'ABS, ce n'est pas forcément nécessaire pour le PLA. Il y aura une plaque ultra plate faite en métal ou en verre fixée à la plaque thermorésistante avec des clips. L'utilisation de la plaque chauffante permet entre autre d'éviter ou de diminuer ce qu'on appelle le warping (déformation de l'objet imprimé qui a tendance à ce "relever" sur les bords).
 

Le plateau inférieur

 Il est parfois appelé il est appelé la grenouille du fait de l'apparence du modèle original de Mendel qui ressemblait à une grenouille.
 De design solide, il est le support sur lequel se repose la partie supérieur, si le plateau se déplace alors c'est la partie inférieure qui est fixée aux mécanisme de déplacement, souvent des courroies si les déplacement se font sur les axes X/Y et une tige filetée si le déplacement se fait selon l'axe Z.

L'extrudeur est l'élément qui permet d'amener le filament et de le faire fondre avant de le déposer sur sa plaque.

Il consiste en deux parties, la partie froide et la partie chaude.

La partie froide est la partie qui amène le filament à la partie chaude, sur la RepRap Velleman qui est à l'étude le modèle utilisé semble être une variation du modèle de greg. Il existent divers modèle comme le modèle de Bowden ou le modèle de Wade ainsi que d'autres variations et originaux.

Lien permettant d'expliquer clairement les différences entre les modèles d'extrudeurs direct et Bowden

La partie chaude est en général en métal et contient de l'électronique avec une résistance permettant de monter au point de fusion du matériaux (dans les alentours des 200°, entre 210 et 280 pour l'ABS et entre 180 et 240 pour le PLA, cela dépend de la composition du matériaux, se renseigner avec les datasheets du fournisseur). Et d'une thermistance afin de mesurer cette température.

On peut maintenant décrire un peu les différents filaments, l'ABS et le PLA.

   L'ABS est soupçonné d'avoir des effets potentiellement néfastes dans des lieux non aérés (maux de têtes, micro particules), des études sont en cours. Ce matériau est très résistant, il se plie mais ne se rond pas, on peut faire des traitements post impressions dessus, comme le perçage et la peinture. Par contre il est très sensible aux changement de températures, il est conseillé que l'imprimante soit dans un lieu clos sans courant d'air (une boîte par exemple), sous peine de risquer un échec d'impression.
   
   Le PLA a un meilleur taux de réussite lors de l'impression, il permet des impressions plus délicates comme des pièces creuses, très cassant il ne peut pas être limé ou percé après impression, il est également sensible à l'humidité et ne supporte pas les fortes chaleurs (au delà des 1XX degrés).
   

http://reprap.org/wiki/Ramps

Cette partie résume les différentes opérations de maintenances décrites en détail plus bas.

Problème pour l'initialisation en X Y et Z =⇒ réglage des butoirs et interrupteurs

Problème de quantité de matériaux =⇒ double origines, mauvais étalonnage pour l'axe Z et le filament de l'imprimante n'est pas de bonne dimension.

Problème de saut selon l'axe Y =⇒ Réglage du stepper relié au moteur.

Problème de saut selon l'axe X =⇒ Tentatives (pas de solutions actuellement), calibrer le stepper (échec), tendre la courroie (échec), détendre la courroie (échec), huilage des axes via WD-40 (échec), baisse des vitesses d'impressions (échec).

Après avoir installé le software Pronterface (faisant le lien entre la machine et les instructions de l'ordinateur et possédant notamment un slicer (Slic3r) intégré) et avoir suivi le tutoriel je me suis rendu compte qu'il y avait un soucis pour la mise à zéro de l'axe Y.

Le butoir et l'interrupteur n'était pas bien alignés. De plus l'ensemble n'était pas suffisamment sensible. Pour l'axe X le butoir est presque au niveau du microrupteur, alors que pour l'axe Y il y a une certaine distance entre les deux.

Il faut donc que je retire le support de la thermistance et de la plaque en général pour accéder à la vis maintenant le butoir.

Le problème étant réglé je passe maintenant du côté logiciel pour tester l'imprimante.

Pour rappel on a besoin d'un fichier STL qui passe par un slicer (Slic3r en l'occurrence manuel d'utilisation ) ensuite on a besoin d'un software permettant de communiquer entre l'ordinateur et la machine (pronterface Cf plus haut) ces deux logiciels ont besoin de connaître de nombreux paramètres de la machines, notamment le firmware de celle ci. Après quelques recherches il se trouve que le firmware de la velleman k8200 est le Marlin V1.

Différents soucis saute aux yeux, la quantité de pla extrudé par l'imprimante n'est pas homogène ni suffisante, la buse semble “racler” les couches inférieures en imprimant les couches supérieures et surtout il y a un soucis de “sauts” des pas des courroies assurant les déplacements selon les axes X et Y du plateau.

Le premier soucis est celui de l'extrusion, la bobine placée a un filament de 1.75 mm de diamètre or les paramètre de la Velleman k8200 indiquent qu'elle utilise des bobines de 3.0 mm de diamètre. Une tentative d'extrusion est faites avec une bobine de 2.85 mm, le moteur de l'extrudeur ne parvient pas à faire passer le filament et laisse des marques sur la bobine.

Problème vite réglé il s'agissait de la vis de pression qui était trop serrée dans le pignon. (La vis sur le côté de l'extrudeur qui gère un ressort.)

C'est partie pour la deuxième tentative d'impression.

Résultat :

On peut voir que la quantité de filament déposée semble être convenable, mais qu'il y a toujours les sauts selon les axes X ou Y. Il s'agirait d'un problème récurent pour ce modèle : exemple de post sur des forums sur le sujet

Il y a aussi toujours le problème du “raclement” des parties inférieures par la buse, cela peut être dû au fait que le verre serait bombé et que la buse appuierait dessus.

Deux problèmes à résoudre donc.

Le problème de “raclement” est à première vue le plus simple à résoudre, il s'agit simplement d'un mauvais réglage de la hauteur (axe Z) de la buse, je règle l'offset de la buse dans les paramètre de Slic3r, pour stabiliser cette offset je rajoute un deuxième boulon au butoir (la vis) de l'axe Z, car celle-ci avait tendance à se viser ou dévisser avec les vibrations de l'imprimante.

La mesure de l'offset se fait selon un procédé est proche de celui du paramétrage de la up mini, on prend une feuille de papier on se place au zéro du Z et on bouge par pas de 0.1 vers le haut ou le bas jusqu'à ce que la feuille ne soit plus écrasée entre la buse et le plateau et qu'elle continue d'être en contact avec les deux. Pour mon cas, je suis monté de 7 pas de 0.1 via le logiciel Pronterface, sachant qu'un déplacement de “100”=10 cm 0.7=0.7mm, (tutoriel pronterface, page 7) je met donc 0.7 mm dans la partie “printer settings”→ “Z offset”.

Maintenant je relance l'imprimante pour voir si le raclement était à l'origine du saut. Par prévention, je commence déjà à toucher aux stepper en augmentant le voltage desservie au moteur de l'axe Y.

Si les petites touches de modifications sur les steppers ne marchent pas je tendrai ou détendrai les courroies.

Le raclement a disparus mais les sauts selon y continues. Un tour sur ce site me permet de visualiser les différents paramètres et couches du Gcode, ce qui me permet de confirmer que le problème ne vient pas de là.

Second essai

Test pour vérifier que le soucis ne commence pas à la seconde couche.

Le test est concluant le décalage c'est fait avant le passage à la seconde couche.

Il y a plusieurs possibilités, notamment le fait que ça vienne peut être du slicer ou des moteurs, surchauffe, courroies, voltage…

Modification de la vitesse (tout à 30mm/s) Toujours des décalages et des sauts.

https://www.genapart.com/2015/10/27/rôle-et-réglages-des-pilotes-moteurs-pas-à-pas/

Récapitulatif des réparations et tentatives des derniers jours :

• WD-40isation de tous les axes, X,Y et Z, pour retirer tout aléa et effort en plus aux moteurs.

• Calibration des steppers des moteurs aux alentours de 9 volts (référence prise sur le moteur Y qui ne saute pas) (détails de l'opération plus bas)

• Changement de deux des steppers.

• La vis réglant l'offset en Z à tendance à se déplacer malgré les deux boulons, rajouts de rondelles envisagée (penser à vérifier l'offset régulièrement)

• Après avoir baissé les vitesses à 10 mm.s-1 pendant ces opérations, elles ont été rétablies à 50.

• Test du “bateau” (impression d'un petit bateau réputé difficile d'impression). le bateau en question

Exemple de mesure du voltage pour l'un des stepper :

et pour l'autre :

Les valeurs sont les suivantes : X 0.967 V, Y 0.933 V, Z 0.843 V, E 0.674 V

Exemple de calcul pour calibrer le stepper. Sur la fiche des moteurs de la Velleman K8200 on a le Imax qui est de 2.5 A, en reprenant le calcul du wiki du forum reprap du lien précédent et en prenant compte des risques de surchauffes autant des drivers que des moteurs, on part sur du I = 70% d'Imax et on a Vref (affiché dans le multimetre) de 0.7*2.5/2=0.875V.

Je calibre donc X et Y pour obtenir 0.875 V. J'obtiens stepper X = 0.864 V et Y = 0.896

Il semble y avoir un soucis sur l'axe Z (qui est penché, testé avec un niveau), il existe des solutions sur internet pour régler le problème, mais ça demande un investissement financier et en temps conséquent. Exemple de solution

|exemple de discu forum

Axe Y 0.56 V, axe X 0.55 V

Nouveau soucis, les moteurs se bloquent sur un petit périmètre, un carré de qqs cm de côté. Comme si les dimensions du plateau avaient été modifiés dans le logiciel printrun. Mais dans les paramètres il indique bien 20 cm de côté (mesuré 21.5 à la règle).

Le soucis venait du nouveau réglage des stepper, il n'y avait pas assez de puissance envoyé aux moteurs.