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Mejorando la producción con herramientas open source II

En esta nueva entrega de herramientas open source que utilizamos en BCN3D Technologies para mejorar la producción os traemos un banco de pruebas para hotends.

Para quien aún no lo sepa, el hotend es el elemento que se encarga de fundir el filamento de plástico y depositarlo a través de una boquilla de 0,4mm. Consta de las siguientes partes:

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  1. Disipador
  2. Heat-break
  3. Hot-block
  4. Nozzle o boquilla
  5. Termistor
  6. Resistencia

 

Para poder verificar tanto el montaje como el correcto funcionamiento del mismo, hemos diseñado el Hotend Test Bench, una herramienta que se ha fabricado con tecnologías de fabricación digital como el corte por láser y la impresión 3D.

 

El Hotend Test Bench es básicamente una placa electrónica con unos soportes específicos para verificar 6 hotends de manera simultánea, todo empaquetado en una bancada para su fácil manipulación y transporte.

 

¿Qué es lo que se verifica?

Lo que se ha automatizado en este banco de pruebas es la comprobación de los elementos eléctricos/electrónicos, es decir, la resistencia o elemento calefactor y el termistor o sensor de temperatura.

La potencia de las resistencias es de 40W a 24V, por lo que el valor resistivo debe de ser de 14,4 Ohms en valor nominal. Se pueden observar dos efectos si el valor real de la resistencia se desvía del nominal. Si la resistencia es muy baja, la circulación de corriente aumenta (Ley de Ohm) y esta disipará más potencia pudiendo llegar a dañar algún componente. Por otro lado, si la resistencia es demasiado elevada, la potencia disipada será insuficiente para llegar a la temperatura de trabajo desencadenando problemas de impresión.
Para verificar este componente hemos optado por realizar un ciclo de calentamiento a una temperatura objetivo y calcular el tiempo que tarda en alcanzarlo, siempre comparándolo con un tiempo estándar considerado correcto.

Por lo que respecta al termistor, este debe de tener una resistencia de 100K Ohms a 25 grados. Un termistor no es más que una resistencia variable con la temperatura. Mediante un sencillo circuito divisor de tensión, el convertidor analógico-digital del microcontrolador es capaz de leer este valor e interpretarlo. Para comprobar el termistor simplemente leemos su valor a temperatura ambiente y verificamos que se encuentre dentro de tolerancias.

 

El Hotend Test Bench

El Hotend test Bench se compone de la placa electrónica y las piezas mecánicas.

La electrónica es una placa de doble capa de 10×5 cm que contiene los siguiente elementos:

  • Microcontrolador ATmega328. Compatible con Arduino.
  • 6 canales de potencia. Uno para cada Hotend.
  • 12 Leds indicadores de estado de cada hotend. Los leds se controlan a través de registros de desplazamiento con tres pines del microcontrolador.

 

Todo el conjunto se alimenta a través de una fuente de alimentación de 24V/320W.
A continuación se puede ver la placa por delante y por detrás.

 

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Los leds de la parte frontal indican si el hotend se está calentando, si la comprobación es correcta o incorrecta y si la temperatura es suficientemente baja como para manipularlos.

 

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La parte mecánica la podríamos separar en chapa y piezas impresas. Las chapas son de aluminio de 3 mm y pintadas con pintura negra mate. El resto de piezas blancas son de PLA. La impresión 3D nos ha permitido diseñar soportes para los conectores aéreos de los hotends y un soporte dedicado para la placa electrónica.

 

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Como se puede ver en la imagen, los hotends se disponen por la parte posterior sobre el soporte dedicado y quedan colgando dentro del receptáculo evitando posibles contactos y quemaduras indeseadas.

Una vez el ciclo de comprobación se ha completado, un pulsador permite encender los ventiladores laterales y acelerar la refrigeración para realizar otro ciclo en el menor tiempo posible.

 

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Visualizando los datos en el ordenador

Uno de los problemas con el que nos encontramos al diseñar esta herramienta era que no teníamos manera de visualizar de manera gráfica las temperaturas que el microcontrolador lee. Sí que éramos capaces de ver la evolución de las temperaturas a través del puerto serie pero no resultaba muy visual.

Por este motivo hemos decidido hacer una mini aplicación con Processing que abre este mismo puerto serie y representa gráficamente las temperaturas en tiempo real.
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El funcionamiento de la aplicación es bastante sencillo. El microcontrolador envía cada 0,5 segundos un vector con las temperaturas de los 6 hotends en grados celsius y el programa interpreta las temperaturas ajustándolas al área del gráfico. Cada temperatura representa un punto que se une al siguiente mediante una línea recta, de esta manera obtenemos un gráfico continuo.

En la imagen se puede observar una prueba con 3 hotends conectados. Se puede apreciar fácilmente como cada hotend tiene una respuesta dinámica diferente. Esto puede venir causado por la tolerancia del valor de la resistencia y la dispersión en las lecturas del termistor.

 

Conclusiones

El hotend es una pieza clave para el funcionamiento de nuestras impresoras 3D y por ese motivo necesitamos comprobar que se encuentre dentro de nuestros estándares de calidad. El diseño de esta herramienta está publicado en el repositorio Hotend-Test-Bench de nuestra cuenta de Github bajo licencia MIT. Al final del repositorio encontrarás una lista de cosas a mejorar, así que si sabes Processing, ¡nos puedes echar una mano!

 

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¡Si tienes alguna duda o sugerencia contacta con nosotros! Recuerda que podrás encontrar todos los archivos de este proyecto y más en nuestro portal github

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