Haber

3D Yazıcı Elektroniği

Bu yazıda, teknik ve detay 3D yazıcı elektroniğine değinmek istiyorum. 3D yazıcıların beyni olarak adlandırabileceğimiz elektronik bileşenler ile ilgili mümkün olduğunca detay bilgiler vermeye çalışacağım. Burada atladığım ya da daha detaylandırmamı istediğiniz konuları comment olarak yazının altından sorabilirsiniz. 3D yazıcıların kalbi olarak da extruder’ı nitelendirirsek yanlış yapmamış oluruz. Onu da bir sonraki yazıda ele alırız.

3D yazıcı elektroniğini oluşturan temel bileşenleri;

  • Arduino temelli kontrol kartı
  • Arabirim kartı (Shield)
  • Motorlar
  • Motor Sürücüleri
  • Sıcaklık Sensörleri
  • Isıtıcılar
  • Güçkaynağı
  • End Switchler
  • Firmware

olarak başlıklandırabiliriz. Bütünleşik sistemler de mevcut olmasına rağmen ben biraz sistem işleyişini de anlatabilmek ve önemli noktalara ışık tutabilmek için mümkün olduğunca dağıtık bir yapı üzerinden anlatmayı tercih ettim. Bugüne kadar bir çok kontrol kartı elektroniğini deneme fırsatım ve hatta bazılarının tasarım çalışmalarına katılma şansım oldu. Ana çalışma prensipleri ve kullanılan ekipmanlar bilinirse doğru seçim yapmak daha kolay olacaktır diye düşünerek bildiklerimi sizlerle paylaşmak istedim.

 

Arduino Temelli Kontrol Kartı

Sistemin gömülü yazılımının koştuğu kısım olarak nitelendirebiliriz. Aslında tüm kesaplamalar ve PC üzerinde koşan yazılımla haberleşmeler, Motorların sürümü için gerekli puls sinyallerinin üretimi, ısı okuma ve ısıtıcıyı PID algoritmaları ile açıp kapama, endswitchlerden gelen sinyalleri dinleme gibi tüm 3D yazıcı temel fonksiyonları bu birimde gerçekleştirilir. Temel olarak ben Arduino Mega mimarisi üzerinde durmak istiyorum. Birini seçmek zorundayım zira hepsini tek tek anlatmam mümkün olmayacak. Seçim kriterlerimi popülerlik ve benim kullanıp memnun kaldığım şeklinde iki kritere indirdim ve bu yazıda tanıttığım konfigurasyonu oluşturdum. Arduino Mega2560 zaten kendisini kanıtlamış ve bir çok başka işte de mikro işlemci kartı olarak kullanılmakta.

 

ArduinoMega2560_R3_Front

 

Dikkat etmemiz gereken burada çipin Atmel Atmega2560 olması. Firmware dediğimiz gömülü yazılımların en çok desteklediği platform da bu. Bir çok bütünleşik kartın temelinde de bu çip bulunmakta. Arduino Mega kullanmanın bir önemli artısı da bir çok EMI/EMC testlerine uygun olarak kartların dizayn edilmesi. Çinden aldığım bazı bütünleşik kartların çevresel elektro magnetik etkilerden etkilenerek USB bağlantısında kopmalar yaşadığımı tecrübe ettim. Arduino meganın birde ATmega1280 çipi üzerine bir tasarımı var onu kullanmamanızı öneririm çünkü bazı firmwareler ona kurulamıyor. Bu kart üzerine firmware kurulması ile ilgili daha detay konulara Firmware bölümünde değineceğim.

Arabirim kartı (Shield)

Arduinolar, Shield denilen ilave özellikler içeren tak çıkar kartlar ile ek özellikler kazanabiliyorlar. Arduino üzerinde I/O işlemleri için hazır bulunan soketlere takılan Shield lerin yüzlerce çeşitleri var. 3D yazıcılar için en popüler olanı Ramps 1.4 Ramps kartı 3D printer çevre birimleri ile Arduino meganın fiziksel bağlantısını yapmakta. Tam bir ara birim kartı Bu kart üzerine Pololu motor sürücüleri takılmakta. Ayrıca Ramps üzerinde power transistörler var. Bu güç transistörleri de extruder ısıtıcısının ve ısıtılmış tablanın ihtiyaç duyduğu yüksek akımları sağlamaktadırlar. Bir diğer bağlantı arayüzüde Thermistör bağlantılarıdır. Thermistörler Extruder ve ısıtılmış tablanın ısı değerlerini okumak için kullanılırlar. Bu bilgiler Arduino Mega’nın analog girişlerine aktarılır. Arduino mega da set edilmiş ısı dğerlerinde bu bileşenleri tutmak için güç transistörlerini açıp kapatarak gerekli akımları sağlarlar. Isının set edilen değerlerde kalması için yapılan hesaplamaların genel algoritması PID olarak adlandırılmaktadır. Çok teknik detay olacağından bu kısma girmiyorum.

46895

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Motorlar

Genel olarak 3D yazıcılarda NEMA 17 büyüklüğünde step motorlar kullanılmaktadır. Step motorlar, mikro işlemci yada bilgisayar ile pozisyonları ve hızları kontrol edilebilen motorlardır. Bazı özel modeller olsada bir step motor bir turunu 200 stepde tamamlamaktadır. Yani en küçük kontorl açısı 1.8 derecedir. Bu mekanik anlamda doğru bir ifadedir. Step Motorlar mikrostep denilen sürüş teknikleri ile çok daha küçük açılarda kontrol edilebilirler. Mesela 1/16 mikrostep ile sürülen bir step motoru bir turunu 16*200 = 3200 stepte tamamlar. Yani bu şekilde sürülen motora 1 tur attırabilmek için 3200 adet puls sinyali gönderilmelidir. İşin içine hız girdiğinde birim zamanda kat edilmesi gereken mesafeler için mikro işlemcinin çok yüksek hızlarda pulslar gönderebiliyor olması gerekir. Bu hesplamaları mekanik sistemlerden bahsederken detaylandırmak istiyorum. Bir 3D yazıcının doğru çalışması ve güzel çıktı üretmesi için bu hesaplamaların doğru yapılması gerekli.

Step motorlarda dikkat edilmesi gereken bir başka husus da bipolar yada unipolar olmalarıdır. Bu motorun iç bobin yapısı ile ilgli bir konudur. Genelde motordan çıkan tel sayısı ile bu anlaşılabilir. 4 kablolu motorlar bipolar motorlardır. 5 yada 6 kablolular unipolardır. 8 kablolular ise hem bipolar hemde unipolar olarak bağlanabilirler. Motorların sürücülerinin seçilmesi sırasında motora uygun yani unipolarmı yoksa bipolarmı olduklarına dikkat etmek gerekir. Artık genelde piyasada 4 kablolu bipolar motorlar yaygındır.

 

stepper_motor

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Motor Sürücüleri

Step motor Sürücüleri motorların ihtiyaç duyduğu yüksek akımları üreterek arduinodan gelen sinyallerle motorları sürmektedirler. Motor sürücülerin akım kontrollü ve mikrostep sürücüler olmasına dikkat edilmelidir. Sürücü üzerinde bulunan bir pot ile motora gönderilen akım ayarlanmaktadır. 3D printerlar için maksimum 2-2.5 amperlik sürücüler yeterli olmaktadır. Nema 17 motorları 1 amper civarında bir akımla sürdüğümüzde yeterli gücü alıyoruz. Motorlara gereğinden fazla akım basmak hem sürücünün hemde motorun ısınmasına neden olmaktadır. Yeni teknoloji sürücülerde ısınma durumunda kendini kapama özelliği bulunmaktadır. Yanlış akım ayarlı bir motor uzun print sürelerinde sürcünün ısınmasına ve anlık sürücünün kapanıp açılmasına neden olabilir. Böyle bir durumun çıktı kalitesine olumsuz etkide bulunacağı aşıkardır. Böylebir durumu farketmekte sonderece zor olduğundan akım yarlarının çok dikkatli yapılması önemlidir. Akım ayarının sürücü üzerindeki test noktasından motor bağlı iken multimetre ile voltajı ölçerek yapıyoruz. Akım ayarının nasıl yapıldığı ile ilgili bir video koymanın yararlı olacağını kendime not olarak alıyorum.

Motor sürücüleri konusunda Pololu gerçekten iyi bir firma tasarımları çinliler tarafından sürekli taklit edilmekte. En son çıkarılan drv8825 modelini deneme şansım oldu. 3DMetri yazıcılarında da kullandık. Gerçekten güzel bir sürücü.

0J5806.1200

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Sıcaklık Sensörleri

3D yazıcı dünyasında genel olarak Thermistörler ve Thermocoupllar ısı sensörleri olarak kullanılmaktadır. İkisininde üstün ve zayıf noktaları var. Birini diğerine tercih etmek mümkün. İki sensörüde bir çok uygulamada kullanmış ve bu sensörler üzerine bazı kartlar tasarlamış biri olarak söyliyim ikisinide kullanabilirsiniz. Thermistörler daha ucuz ve kontrol elektroniğinin basit olması nedeni ile biraz daha çok tercih edilmekteler. Epcos marka 100K thermistörler size önerebileceğim ısı sensörleridir. Bu sensörler genelde extruder içinde gömülü olarak da gelmektedir. Ne tür bir sensör kullandığınızı bilmeniz gerekiyor. Çünkü bunu firmware ayarlarında konfigurasyon dosyasında belirtiyorsunuz. Yanlış bir sensör seçerseniz sıcaklığı yanlış okuyabilir ve extrudrın doğru çalışmamasına neden olabilirsiniz. Thermistörler temel olarak ısı ile direnci değişen elemenlardır. Yanlız dirençleri ısı ile lineer değişiklik göstermez bu nedenle ısı ve karşılığında elemanın direnç değeri bir tabloda tutulur. Mikro işlemci elemanın direncini ölçer ve bu tablo ile karşılaştırarak sıcaklığı bulur. Bu çalışma prensibi de bize doğru sensör ve firmware içinde doğru tanımlanmış ısı tablosunun önemini göstermektedir. Bu kaynak size çeşitli thermistörler ve ısı tabloları ile ilgili bilgileri sunmaktadır.

 

Cache-R4840127-01

 

 

 

 

 

 

 

 Isıtıcılar

3D yazıcılarda genel olarak iki yerde ısıtıcı kullanılmaktadır. Birincisi extruderın ısıtılmasında bir diğeri de ısıtılmış tablada. Her ısıtıcıya yakın birde ısı sensörü olmalıdır ki ısı ölçülüp set edilmiş değerde tutulabilsin. 3D yazıcıların gelişmesi sürecinde bir çok ıstıcı denenmiştir. Dirençler bile ısıtıcı olarak kullanılmış ve hatta halen bazı extruderlarda kullanılmaktadır. Son zamanlarda mini fişek ısıtıcılar extruderları hızla ısıttıkları için tercih edilmektedir. Eskiden 3D yazıcı malzemeleri bukadar yaygın değildi. Ben bir rezistanscıya özel olarak yaptırdığımı hatırlıyorum.

Isıtıcılarda dikkat edilmesi gereken değer omajlarıdır. Buradan ne kadar amper çekecekleri ve kaç watlık bir güç üreteceklerini bulabiliriz. Bu neden önemli söyliyim heycanla yeni bir parça basmak için yazıcının başına geçtiğinizde extruderın belirlenen sıcaklığa ulaşması için sabırsızca bekleriz. Bu sürenin kısa olması kullanıcı açısından önemli oluyor. Buda elektronik anlamda limitlerimizi bilip onları zorlamak ile mümkün olmakta. Ohm yasası bize burada yardımcı olacaktır. Voltaj = Amper x Direnç Voltajımız genel olarak 12V dur. akım olarakda 2-3 amper çekmek karta zarar vermeden basabileceğimiz akımlardır. buradan direnç değerinin 4-6 ohm arasında olması uygun olacaktır. Watt = Amper X Voltaj dersek buradan ısıtıcımızın 3×12 = 36 watt civarında olması gerekir. (Hadi 40 watt olsun) Bunun altında olması daha yavaş ısınmasına sebep olur. Bu değerin üstünde olmamasını öneririm.

 

Cartridge_Heater_A

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Güçkaynağı

Genel olarak 12V switch mode güç kaynakları kullanılmaktadır. Eski bilgisayar güç kaynaklarının wattı yüksek olanlar kullanılabilir. İhtiyacımız olan akım değerini hesaplayacak olursak. 4 motorlu bir sistemde motor başına 2 amperden 8 amper motorlara 3 amper extruder ısıtıcısı için elektroniklerin beslenmesi için 2 amper desek. Toplamda tek extruder ve ısıtablası olmayan bir yazıcıda enaz 15 amperlik bir güç kaynağı kullanılmalıdır. Isı tablasını hesaba katmadım çünkü çok fazla akım çeken modelleri olabiliyor. Böyle bir durumda ısıtablasına yarı bir güç kaynağı kullanılmalıdır. Extruderında tek olduğunu varsaydım çift extruder kullanılacaksa 3 amper daha eklenmesi yerinde olur. Güzenli tarafta olmak lazım bence bulduğunuz değere en son 5 amper daha ilave edin. Çünkü sistemler ilk çalışmaya başladığında kısa bir süre hesaplanandan çok daha fazla amper çekebilirler.

 

F05950-3D-Printer-Universal-110V-220V-350W-12V-29A-AC-DC-Power-Adapter-Switch-Power-Supply

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

End Switchler

3D yazıcının ilk çalışmada kendi pozisyonunu sıfırlaması yada mekanik olarak sona geldiğinde daha fazla gitmemesi için Sonlandırma switchleri kullanılmaktadır. Aslında ilk sıfırlama switchlerine Home Switch denilmekte ve bu sıfırlama fonksiyonuna da Homing denilmektedir. G28 Gkodu ile makinanızın bu sıfrlama işlemini yapmasını sağlayabilirsiniz. Bu durumda makina firmware de belirtilen yönde switchi görene kadar ilerler. Switche bir kaç kez dakunarak 0 pozisyonunu her eksende bulur. Yazmaya başlamadan önce ilk işlem budur. End Switchler mekanik optik yada hall denen magnetik özellikte olabilir.

Getech-Mechanical-Endstop-End-stopV1-2-switch-for-3D-Printer-Reprap-Prusa-Mendel-CNC

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Genel Bağlantı Şeması

750px-Rampswire14.svg

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Firmware

İşte bu konu 3D yazıcıların en kapsamlı ve zor konusu. Bunun ayrı bir yazı olarak ele alınması lazım. Giriş niteliğinde olması açısından temel firmwarelara değinerek yetineceğim şimdilik. Daha öncede dediğim gibi firmware 3D yazıcının tüm foksiyonlarını kontrol eden ve kontrol kartı (Arduino Mega) çipi üzerinde koşan yazılımdır. Açık kaynak olanları ve firmaların kendilerine özgü geliştirdikleri modeller mevcuttur. Açık kaynak olan en önemli iki firmware Marlin ve Repetier dir. Bu yazılımlar zaman içerisinde baya yol katettiler. Bu yazılımların en son sürümünü indirip Arduino IDE geliştirme programı ile karta aktarabilirsiniz. Arduino kartlar ile çalışmadan önce yapılması gereken ilk işlem usb driverının kurulmasıdır. Bundan sonra işletim sistemi arduinonun bağlı olduğu Com portunu tanıyacaktır. Hem firmwareı yüklerken hem de 3D yazıcınızı kullanırken makinaya bu seri iletişim portundan bağlanmak gerekmekte. İletişim kurarken dikkatedilmesi gerek bir diğer değer de Baud Rate denilen iletişim hızıdır. Genellikle 115200 kullanılmaktadır. eski sürümlerde 9600 kullanılıyordu.

Firmware içerisinde Configuration.h denilen bir dosyada 3D yazıcı ile ilgili neredeyse bütün ayarlar yapılmaktadır. Başlangıç için bu yarların kullandığınız model için internetten hazır bulmaya çalışın. Ayarların saklandığı bir diğer yer ise çip üzerindeki EEPROM dur. Burada yapacağınız değişikliklerle 3D yazıcınızın kalibrasyonunu ve istediğiniz çalışma özelliklerini değiştirebilirsiniz. EEPROM üzerinde çalışmanın faydası firmwareı tekrar yüklemeye gerek kalmadan eprom değerini değiştirerek istediğiniz ayarı yapabilirsiniz.

firmwareı 3D yazıcıyı kontrol ettiğimiz PC üzerinde çalışan Host yazılımı ile karıştırmamamız gerekmekte. Biri kontrol kartının üzerinde diğeri bilgisayarımızda çalışıyor ve bir birleri ile haberleşiyorlar.

Umarım faydalı bir yazı olmuştur. Aklınıza takılanları bu yazının altından bana sorarsanız ilgilenen diğer insanlarında yararlanabileceği bir doküman haline gelir. Özel mesaj ve mail yerine ilgili konu altından hepbirlikte tartışabiliriz.

Bu arada sizlerden gelen güzel geri bildirimler nedeni ile hazırlıklarını sürdürdüğüm 3dprinter yapım derslerinin de müjdesini vermek isterim. Atölye ortamında birlikte bir araya gelerek bazı etkinlikler yapmayı planlıyoruz. Yakında sizleri bilgilendireceğim.