Realizzare un piatto di stampa riscaldato per una stampante 3D

L’heatbed, la cui realizzazione è oggetto di questo articolo, è la risposta a uno dei problemi principali nella stampa 3D, ovvero il così detto warping, la deformazione degli oggetti plastici stampati che ha tra le sue cause temperature troppo alte o troppo basse, o repentini sbalzi di temperatura.

Esempi di warping

Uno dei modi per ridurre questo problema è, infatti, quello di riscaldare il piatto di stampa. Questa soluzione, accoppiata ad una scelta oculata del materiale della superficie di stampa, assicura un netto miglioramento della stampa.

I membri della comunità RepRap hanno sperimentato metodi eterogenei tra loro, dallo stendere sotto il piano di stampa un filo di nicromo attraversato da corrente, all’utilizzo di resistenze riscaldanti, arrivando addirittura a provare con il ferro da stiro.

La soluzione che riesce a garantire la migliore distribuzione del calore è quella di utilizzare un intero circuito stampato come resistenza. Dato che questi PCB heatbed posso risultare piuttosto costosi, ho provveduto a relizzarne uno in casa.

Lista della spesa

  • basetta ramata di dimensioni maggiori uguali di 200x220mm;
  • 1,60 metri di cavo elettrico da almeno 12A (3-4mm di spessore).

I connettori invece li avevo già acquistati insieme alle componenti elettriche (e sono inclusi nella lista della spesa dell’articolo precedente).

Un po’ di teoria

Considerando 120 W come valore di potenza accettabile per il nostro piatto riscaldato e ricordando che la Gen7 eroga 12 V verso il connettore per l’heatbed, dalla prima legge di Ohm e dalla legge di Joule, si ricava che il valore di resistenza che dovrà avere il circuito stampato dovrà essere uguale a:

$ R = \frac {V^2} {P} = \frac {(12\,V)^2} {120\,W} = 1,2\, \Omega $

Se il circuito è costituito da tracciati paralleli, collegati tra loro a zig-zag agli estremi, il numero di tali tracciati sarà dato dalla formula:

$ n_{tr} = \frac {w_b} {w_{tr}+w_i} $

dove $ n_{tr} $ è il numero dei tracciati, $ w_b $ è la largezza del PCB (nel nostro caso 200 mm), $ w_{tr} $ è la largezza dei tracciati e $ w_i $ lo spazio tra i tracciati (un cui valore accettabile è 0,5 mm).

Dalla seconda legge di Ohm si calcola che la larghezza dei tracciati sarà data da:

$ w_{tr} = \frac {-w_i + \sqrt {w_i^2 + 4 \cdot \frac {R_{s,cu} \cdot l_b \cdot w_b} {R \cdot t_{cu}}}} {2} $

dove $ R_{s,cu} $ è la resistività del rame ed è uguale a 1,68 $ \cdot 10^{-5}\,\Omega $ mm, $ t_{cu} $ è lo spessore del rame, che generalmente è uguale a 0,035 mm e $ l_b $ è la lunghezza del PCB, che nel nostro caso è 200 mm.

Sostituendo si ottiene:

$ w_{tr} = \frac {-0,5\,mm + \sqrt {0,5^2\,mm^2 + 4 \cdot \frac {1,68 \cdot 10^{-5}\,\Omega \cdot mm \cdot 200\,mm \cdot 200\,mm} {1,2\, \Omega \cdot 0,035\,mm}}} {2} = $ 3,77 mm

Quindi il numero dei tracciati sarà:

$ n_{tr} = \frac {200} {3,77 + 0.5} = $ 46,8

All’opera

Sulla base di questi calcoli, ho provveduto a disegnare i tracciati per l’heatbed. Il programma che ho utilizzato è stato Gimp, ed in particolare il filtro Render/Griglia.

Dopo aver stampato il pdf su carta patinata con una stampante laser, ho trasferito il disegno sulla basetta ramata con l’ormai consueta tecnica del toner transfer seguita dall’incisione, analizzata in dettaglio in un articolo precedente.

Multimetro

Avendo a disposizione un multimetro, ho misurato il valore della resistenza, verificando che fossero in accordo con quello teorico e, dato che il mio multimetro, se usato come tende a misurare 0,4 $ Ω $ in più quando utilizzato come ohmmetro, posso dire di aver centrato l’obiettivo.

Collegamenti

Il passo successivo è stato quello di collegarlo alla Gen7.

Prima di tutto ho preparato due cavi in questo modo:

Poi li ho saldati al PCB:

E ho inserito le altre estremità (quelle prima crimpate) nel connettore di plastica:

Dopo aver inserito anche l’altro cavo nel medesimo connettore e aver agganciato questo alla Gen7 siamo pronti per testare.

Testing

Prima di tutto caricare il seguente firmware di testing, con la stessa procedura descritta alla fine dell’articolo precedente:

#define PSU_Pin 15
#define HEATER_Pin 3
#define BED_Pin 4
 
void setup() {
 
 Serial.begin(9600);
 pinMode(PSU_Pin, OUTPUT);
 pinMode(HEATER_Pin, OUTPUT);
 pinMode(BED_Pin, OUTPUT);
 digitalWrite(PSU_Pin, HIGH); // initial value, off
 digitalWrite(HEATER_Pin, LOW); // always off
 digitalWrite(BED_Pin, LOW); // initial value, off
 
 Serial.print("turning PSU on\n");
 digitalWrite(PSU_Pin, LOW);
 Serial.print("LED on\n");
 digitalWrite(BED_Pin, HIGH);
}
 
void loop() {
 Serial.print("ATmega is idle\n");
 delay(1000);
}

Se scotta funziona bene. Se l’alimentatore si spegne, ci sono corti.

Quindi collegare il piatto alla board e la board all’alimentatore e accendere quest’ultimo.

Attenzione

Attenti a non mettere in corto nulla e a non toccare fili scoperti.

Se invece tocchiamo l’altra faccia, dovremmo sentirla rovente. Se non si riscalda e l’alimentatore si spegne, ci sono quasi sicuramente dei corti, da eliminare con un taglierino, oppure l’alimentatore è troppo poco potente (< 120 W).

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