Toen ik recentelijk op het idee kwam om een project te voorzien van een printplaat en deze zelf te maken, kwam ik er achter dat het tekenen van de sporen op een stuk printplaat met een watervaste stift, en het vervolgens etsen van die printplaat, ook tegenwoordig nog een heel gangbare manier is om printplaten te maken. Het tekenen van de printsporen kan met de hand, maar ook zeker met een speciaal voor dit doeleinde geschikte plotter. Waarvan acte.
Mijn plan is om een plotter met een watervaste stift te maken, waarmee eilandjes en printsporen direct op de koperzijde van een printplaat getekend worden. Na het drogen van de inkt gaat de printplaat een etsvloeistof in, waarin de niet-afgedekte delen van het koper weggeëtst worden. Vervolgens wordt de inkt met aceton verwijderd en worden gaatjes geboord in de eilandjes, waarna de printplaat klaar is voor gebruik. De juiste stiftdikte vereist waarschijnlijk soortgelijke afwegingen als de 3D-printer-spuitmonddiameter, een iteratief en proefondervindelijk proces.
Research onder bestaande opties en ontwerp in Autodesk Fusion 360
Op YouTube zijn er verschillende voorbeelden van penplotters te vinden die werken een inktpen. Veel ervan met een hoog knutselgehalte, maar vaak met slimme ontwerpideeën. De AxiDraw van Evil Mad Scientist vind ik mooi, maar duur en niet verkrijgbaar. Er zijn diverse handige oplossingen rondom het stabiel vastzetten van de stift bedacht, van klemmetjes tot gat-in-blok-hout. Een beetje ideeën samenbrengen en er zelf wat energie in stoppen kon met Autodesk Fusion 360 nog wel eens een feestje worden.
De basis van de plotter wordt gevormd door een lengte 2040 (rechthoekig, 2 x 4 cm) aluminium profiel voor de X-as en 2020 (vierkant, 2 x 2 cm) voor de Y-as. Dit soort profielen heb ik vroeger zien toegepast bij mijn eerste 3D printer die ik aan de hand van een ontwerp van Bart Dring maakte. Stevig spul, goed te verkrijgen en niet duur. De ontwerpen die ik op YouTube zag maken hier soms gebruik van, de meeste doen stalen stangen. Beide oplossingen lijken me prima, maar ik vind de profielen het leukst. Hiervoor zijn allerlei onderdelen verkrijgbaar om X- en Y-verbindingen te maken: rollers, drukkers, montageplaten enzovoorts.
Het principe van de X- en Y-beweging is heel vaak uitgedacht en kun je dan ook flink gebruik gemaakt van de ontwerp-ideeën van de ontwikkelaars van de aluminium profielen, die speciaal bedoeld zijn om vrijbewegende spatiale constructies te maken. De constructie van de Z-as daarentegen is niet zo voor de hand liggend en hier heb ik dan ook de minste verdusie in dat dit in de eerste iteratie goed gaat werken. De pen gaat omhoog én omlaag met een servo-arm en hierbij is zwaartekracht wel een ontwerpfactor, maar vormt niet de directe aandrijving: de arm van de servo beweegt de houder omhoog én omlaag. Dat betekent ook dat de beweging hiervan iets van dode ruimte heeft tussen beide richtingen. Is in software deels op te lossen en de servo heeft een ingebouwde hoekgarantie, maar zie ik als een “kan nog wel een verbetering gebruiken” hoek van dit ontwerp. Ik hoop de bedrading zo goed mogelijk door het frame te geleiden, maar als dat niet lukt zijn tiewraps mijn vrienden.
De basis gaat op zijsteunen staan met hieronder een stel rubber voeten; de Y-as gaat bewegen op de X-as en in balans zijn door het gewicht van de stappenmotor. Het is handig om alle onderdelen tegelijk te bestellen; ik houd op AliExpress de leverancier Venstpow aan, die van alles lijkt te kunnen leveren op dit gebied. Ik ben overal uitgegaan van de M-maten, met M2,5 voor de bevestiging van de elektronica, M3 voor de bevestiging van de stappenmotoren en M5 voor de rollen en slotplaten in de profielen.
Bestellijst profielen en andere mechanische en elektronische onderdelen
De ‘Bill of Materials’ heb ik samengesteld op basis van het benodigde aantal of lengte, met een link naar de bron die ik hiervoor heb gebruikt. De bron verwijst soms naar een assortiment van dat onderdeel, omdat dat voordeliger uitkwam:
| Naam | Aantal of lengte | Bron | Prijs |
|---|---|---|---|
| Aluminium 2020 profiel | 50 cm | Aliexpress | € 7,93 |
| Aluminium 2040 profiel | 50 cm | Aliexpress | € 9,40 |
| Rubber voeten en montagemateriaal | 1 set | Aliexpress | € 2,92 |
| Schuifmoer voor profielen, m5 | 100 stuks | Aliexpress | € 5,17 |
| m5x16 imbusbout | Aliexpress | ||
| m5x20 imbusbout | Aliexpress | ||
| Tandriemgeleider | Aliexpress | ||
| Tandriemset voor twee assen met asdiameter 5 mm | Aliexpress | ||
| Stappenmotor- en servomotorbesturingsprint | Aliexpress | ||
| NEMA 17 stappenmotor | 2 stuks | Okaphone |
Kunststof 3D printbare onderdelen
Er zijn in totaal 12 onderdelen die afwijken van wat standaard verkrijgbaar is en die ge-3D-print worden. Het gaat hier om de standaards links en rechts waar het 2040-profiel doorheen schuift en vastgezet wordt. Aan één kant komt de elektronica (stappenmotor- en servosturing en Arduino), aan de andere kant een NEMA stappenmotor. Ik doe deze route, Fusion 360, export STL’s, import in Dremel’s Print Cloud, op de bouwplaat positioneren en slicen niet vaak genoeg om er iets slimmers voor te verzinnen. Maar dit was een klusje.
Alle onderdelen passen goed op de bouwplaat van mijn Dremel 3D45 printer. Ik twijfel nog wat over de kleur: oranje lijkt me wel wat. Ik kan alle onderdelen in PLA printen; de bodemplaat voor de elektronica zou nog wel eens een probleem kunnen worden als de stappenmotordrivers heet worden. Maar ze zitten bovenop de Arduino en de Arduino staat op de bodemplaat. Zou goed moeten gaan, en anders vervang ik die plaat door een andere oplossing.
Ik ben voor de Dremel Oranje PLA gegaan, een heldere oranje kleur die mooi combineert met het zilvergrijs van de metalen onderdelen. Toen ik eenmaal de grotere onderdelen had geprint (per stuk ongeveer 9 tot 11 uur) heb ik de laatste handvol kleinere onderdelen tegelijk gedaan: een printklus van 14 uur. De onderdelen zijn er mooi uitgekomen, en de ontwerpregels (+1-3-5% voor buiten, binnen en pasmaten) lijken goed gewerkt te hebben: de schroefgaten zijn net groot genoeg en de stappenmotoren passen ruim in de hiervoor bestemde uitsparingen.
Besturing en elektronica
Er zijn twee stappenmotoren, een servo, een Arduino, een CNC controllerboard en een lichtnetadapter nodig om het geheel te laten werken. De onderlaag van besturing is I/O via de Arduino, daarbovenop Gcode (denk ik), en dan iets dat aansluit bij een vector-tekenprogramma.
(volgt)
Constructie
(volgt)
Proefnemingen
(volgt)
Code en drivers
(volgt)
Eindresultaat: PCB printsporen
(volgt)