Автокалибровка стола 3D-принтера: какие бывают датчики
BL Touch, индуктивные и ёмкостные сенсоры, тензодатчики, пьезо, FSR и оптика: как работают системы автоуровня стола и кому они действительно нужны.
Что делает автокалибровка
Чтобы первый слой держался, а модель сохраняла геометрию, поверхность стола должна быть параллельна плоскости, в которой движется печатающая голова. На небольших картезианских принтерах это достигается вручную, винтами под столом. Автокалибровка обычно стол не выравнивает: датчик снимает высоту в ряде точек, прошивка строит карту высот и учитывает её при печати. Иногда остаётся лишь подправить значение Z Offset. Способов измерения существует много, и однозначно лучшего среди них нет.
Концевик и BL Touch
Самый дешёвый вариант — обычный механический концевой выключатель на рычажке, который сервопривод опускает ниже сопла на время измерений. Каретка идёт вниз, пока концевик не сработает. Повторяемость и точность у такого решения ниже, чем у других датчиков, а рабочая температура в среднем ограничена 80 °C, так что для камеры с подогревом до ста градусов оно не годится.
BL Touch — наиболее распространённый датчик автоуровня. В его основе датчик Холла и выдвижной щуп с магнитом, который касается стола ниже уровня сопла. Голова обходит стол точка за точкой, и по замерам формируется сетка высот. Датчик изначально создан для 3D-принтеров, универсален и достаточно точен. Минусы оригинала — цена и редкие ложные срабатывания. Реплики обычно продаются под названием 3D Touch; встречаются и самодельные варианты из сенсора или концевика с маленьким сервоприводом в печатном корпусе.
Бесконтактные датчики: индуктивные и ёмкостные
Индуктивный датчик фиксирует изменение магнитного поля при появлении в нём металла. Он также крепится на голову. Специализированный пример — PINDA для принтеров Prusa: версия PINDA2 имела встроенный термистор для компенсации температурного дрейфа, а третья, SuperPINDA, добивается точности за счёт более медленного измерения. Из универсальных моделей популярен LJ12A3-4-Z/BX, его погрешность в среднем около двух сотых миллиметра.
Такие сенсоры точны, надёжны, долговечны и широко доступны. Главное ограничение: они видят только металл. Стеклянную поверхность датчик не заметит, хотя может среагировать на другие элементы стола под ней.
Ёмкостные датчики внешне похожи и ставятся так же, но реагируют на гораздо более широкий круг материалов: они отслеживают изменение ёмкости при приближении объекта. Условие одно — объект должен хотя бы слабо проводить ток.
Сопло в роли щупа: тензо-, пьезо- и FSR-датчики
Тензодатчик преобразует деформацию тензорезистора в электрический сигнал. Его встраивают в печатающую голову так, чтобы усилие от касания сопла передавалось на чувствительную зону, либо размещают под столом. Решение незаметно снаружи и термостойко: некоторые тензодатчики сохраняют точность при температурах выше ста градусов. Сложность в том, что голову нужно проектировать под датчик.
Пьезоэлектрический датчик — металлическая пластина с напылением пьезокерамики с двух сторон; приложенная сила превращается в напряжение. Пластины дёшевы и чувствительны вплоть до лёгкого постукивания пальцем, но плохо переносят нагрев: в горячем состоянии чувствительность растёт, а после остывания падает ниже исходной. Поэтому их ставят под стол или в голову, но подальше от нагревателей.
Тонкоплёночный FSR-сенсор измеряет давление: два его слоя разделены прокладкой, и чем сильнее нажатие, тем ниже сопротивление. Несколько таких датчиков кладут под стол, и касание сопла даёт сигнал. Возможна установка одного сенсора в голову, но её придётся серьёзно переработать. Есть и съёмный вариант — FSR с формой под сопло, который надевают перед каждой калибровкой: он дёшев и прост, однако ручная установка делает процесс менее автоматическим.
Общее достоинство этих трёх подходов: на голове нет дополнительных конструкций, её масса и габариты не меняются.
Оптика и контактные площадки
Оптический концевик работает на прерывании инфракрасного луча. На нём построен самодельный BFP Touch — аналог BL Touch с другим типом сенсора. Он дёшев, детали доступны, креплений под разные головы много, но изготавливать его нужно полностью самостоятельно.
В современных принтерах встречается иная компоновка: хотэнд подвижен по Z относительно каретки, а оптический концевик спрятан над ним. При касании стола хотэнд слегка приподнимается, и это фиксируется. Конструкция компактна, но сложна для разработки и монтажа в домашних условиях.
Похожим образом работает схема вовсе без датчика. Хотэнд установлен на короткой рельсовой направляющей, контактные площадки на радиаторе замкнуты с площадками на каретке. Когда сопло упирается в стол, хотэнд поднимается и цепь размыкается. Система почти не занимает места и даёт хорошую точность.
Ультразвуковые датчики для этой задачи подходят плохо: их погрешность составляет несколько десятых миллиметра, тогда как требуется точность хотя бы в пару сотых. То же относится к лазерным дальномерам; достаточно точные датчики отражённого света существуют, но стоят заметно дороже остальных вариантов.
Кому автокалибровка необходима
- Домашние картезианские принтеры с небольшим столом: ручная калибровка проста и держится долго, если принтер не переносить, так что автоуровень здесь скорее дело интереса. Простой путь — качественная реплика BL Touch
- Дельта-принтеры: калибровка может сбиться уже после первой печати, а вручную выполнять её гораздо сложнее, поэтому автоматика очень желательна
- Фермы принтеров: автокалибровка, запускаемая кнопкой или перед каждой печатью, экономит время, которое растёт пропорционально числу машин
- Промышленные FDM- и FGF-принтеры: стол площадью в несколько квадратных метров нужно выдерживать с точностью до сотых миллиметра, и вручную это может быть попросту невозможно