De PIKA UV-printkop is een hardware-extensie voor de μRepRap waarmee 3D-structuren op micronschaal kunnen worden gemaakt door UV-hars in situ uit te harden.
Technische Implementatie
- Hardware: Het systeem maakt gebruik van een single-mode glasvezelkabel en een 3W UV-LED-module. Omdat de RAMPS 1.4 controller 12V aanstuurt terwijl de LED 5V vereist, is een 56 Ohm weerstand in serie geplaatst.
- Software: Een specifiek Python-filter (
fibre_process.py) vertaalt GCODE van Prusaslicer. Het filter zet extruder-commando's om naar aan/uit-signalen voor de UV-bron en schaalt de printmaten om van millimeters naar microns.
Werkwijze en Nabewerking
Het printproces vereist een glazen microscoopdia met Kapton-tape en een zeer nauwkeurige uitlijning van de optische vezel (Z=0). Na het aanbrengen van een druppel hars en het uitvoeren van de print, moet het object worden gereinigd met isopropylalcohol (IPA) en definitief worden uitgehard onder een UV-lamp. Essentieel is de regelmatige reiniging van de vezeltip om opbouw van uitgeharde hars te voorkomen.
PIKA UV-printkop
Overzicht
De huidige bronbestanden zijn beschikbaar via GitHub en de vooraf gebouwde STL-bestanden via Printables.
WAARSCHUWING: Kijk met het resterende oog niet in de UV-bron.
Achtergrond
Optische fabricagetechnieken zijn geen primair doel voor de $\mu$RepRap, aangezien deze niet goed werken op schalen kleiner dan de golflengte van het licht dat in een typische werkplaats beschikbaar is (~380 nm). Daarom schalen ze niet mee naar kleinere $\mu$RepRaps.
Het gebruik van UV-lichtpatronen om hars in situ uit te harden, biedt echter een snelle manier om structuren te produceren met elementen in de orde van tientallen of honderden micrometers. Deze zouden anders zeer tijdrovend zijn om te fabriceren met 'dip-pen'-technieken.
De UV-straal hardt hars uit tot een diepte van ongeveer 100 $\mu$m. Bij het printen van overhangende details is dit problematisch; een UV-absorberende kleurstof, zoals curcumine, kan worden toegevoegd om dit te beheersen. Dit effect kan echter ook als een functionele eigenschap worden gebruikt, waardoor een aanzienlijk volume aan structurele hars relatief snel kan worden uitgehard.
Constructie
In lijn met de $\mu$RepRap-traditie zijn alle onderdelen standaard commerciële componenten die in de meeste regio's gemakkelijk verkrijgbaar zouden moeten zijn.
Hardware
- UV-bron en optische vezel: Het UV-licht wordt geleid door een single-mode glasvezelkabel (A), in dit geval een 1G/10GB SMF Duplex Fiber Cable 9/125 $\mu$m Jumper Patch Cord. Deze is met een ijzerzaag aangepast tot een simplex-kabel.
- UV-LED-module: De UV-straling wordt gegenereerd door een "3W" UV-LED-module (B) (let op: fabrikantbeoordeling kan onbetrouwbaar zijn). Deze module gebruikt een aluminium printplaat (PCB) als koellichaam. Indien niet als los component beschikbaar, kan deze worden gevonden in veel ronde USB-UV-lampen met zwanenhals voor hobbygebruik. De module is ontworpen om op 5V te werken.
- Adaptor: De LED-module wordt door een adaptor (C) in uitlijning met de optische vezel gehouden, bevestigd met twee M3 x 20 mm schroeven, M3-ringen onder de koppen en twee M3-moeren.
- Aansluiting: Een schroefaansluitingsblok (D) wordt gebruikt om een 56 Ohm 5W weerstand in serie met de LED-module te plaatsen. Deze weerstand is noodzakelijk omdat de RAMPS 1.4 CNC-controller de D9-uitgangspin ("Coolant Mist", GCODE M7) op 12V aanstuurt, terwijl de module op 5V is gespecificeerd. Het aansluitingsblok wordt gebruikt in plaats van solderen omdat de 5W-weerstand extreem warm wordt.
Software
Het Python-filter fibre_process.py converteert de GCODE-output van Prusaslicer in "Marlin"-modus. Aangezien er geen extruder is, detecteert het filter elke GCODE-beweging waarbij de extruder A-as vooruit wordt gestuurd en gebruikt het M7/M9 om de "Coolant Mist"-driver correct aan en uit te schakelen. Daarnaast schaalt het de print met een factor 10 op. Prusaslicer moet worden uitgevoerd op een schaal van 1 mm tot 10 $\mu$m, omdat het programma het gebruik van een "9 mm" nozzle niet toestaat; het filter schaalt dit vervolgens om naar microns (die voor GRBL als millimeters worden beschouwd).
De volgende parameters zijn ingesteld in Prusaslicer-eenheden (vermenigvuldig met 10 voor microns):
- Extrusiesnelheid: 12
- Eerste laag: 0,6
- Volgende lagen: 0,4
- Perimeter overlap: 65%
- Splice overlap: -15%
- Fill before perimeter: True
Gebruiksinstructies
Voorbereiding
- Neem een schone glazen microscoopdia en bedek een gebied van ongeveer 40 mm vanaf één uiteinde van de dia met 12 mm Kapton™-tape (of een kloon hiervan, soms "Krapton Tape" genoemd). Zorg ervoor dat er geen vuil of luchtbellen onder de tape vast komen te zitten. Gladstrijken met een pluisvrije doek en isopropylalcohol (IPA). Indien beschikbaar, drogen met een luchtstroom.
- Optioneel: bevestig een verstevigingsring voor ringbandmap aan de achterzijde van de dia om het gebied voor microscopische prints te definiëren.
- Bevestig de Optic Probe Holder aan de Probe Assembly en bevestig deze vervolgens aan de Z-as. De Probe Wire kan worden genegeerd; deze wordt niet gebruikt in de optische configuratie.
- Bevestig de glazen dia aan de tafel (Stage) en zet deze vast met de magnetische klemmen. Voer de homing-sequentie uit op de controller om de X-, Y- en Z-assen te resetten.
Uitlijning en kalibratie
- Stel de Probe Arm zo in dat het vierkante gat voor de optische vezel gecentreerd is boven het midden van de tafel.
- Verwijder de beschermkap en steek één uiteinde van de optische vezel in de houder.
- Laat de probe zakken en stel de hoogte van de Probe Assembly zo in dat de optische vezel loodrecht contact maakt met de dia. Bevestig dit via het zijzicht van de microscoop, waarbij de microscoop recht langs het oppervlak van de dia kijkt.
- Bepaal het punt waar de optische vezel de dia raakt door de probe te laten zakken en te heffen. Hef de probe vervolgens 5 $\mu$m op en stel deze hoogte in als Z=0.
- Voer de beoogde print uit en controleer of de optische vezel vrij blijft van de dia. Het is veiliger om iets te veel ruimte te laten dan te weinig; in de meeste gevallen zal een extra 5 $\mu$m de print niet doen mislukken.
Toevoegen van hars
- Breek de print af zodra de uitlijning correct is.
- Hef de Z-as op naar 200-300 $\mu$m. Breng met een spitse probe of een hypodermische naald een druppel standaard 3D-printerhars aan, zo dicht mogelijk bij het gebied direct onder de optische vezel. Wees voorzichtig om de probe niet te verplaatsen. Het is aan te raden de naald naast de vezeltip te brengen in plaats van eronderdoor te proberen; laat de oppervlaktespanning het verdelen doen.
- Bij gebruik van een hypodermische spuit: vul de spuit met hars zonder de naald eraan, anders gaat dit erg traag en kan er schuim ontstaan. Verwijder daarna overtollige lucht en plaats de naald. Een spuit van 1 ml gaat meerdere dagen mee als deze in het donker wordt bewaard en is voldoende voor tientallen prints.
- Sleept de druppel zodanig dat deze de zijkant van de optische vezel raakt en een continue blob vormt van de vezel naar de dia. Je moet de probe 200 $\mu$m in elke richting kunnen bewegen en nog steeds omringd zijn door voldoende hars.
- De print kan nu worden gestart.
Nabewerking
- Wanneer de print voltooid is, hef de Z-as 200-300 $\mu$m op en til de probe handmatig uit de hars. Op dit moment is de hars nog niet volledig uitgehard en is deze extreem zacht.
- Maak de magnetische klemmen los en verwijder voorzichtig de dia.
- Plaats de dia op een absorberend kussen onder een microscoop en was de print voorzichtig met isopropylalcohol (IPA) met behulp van een hypodermische spuit of een fijne pipette. Breng de alcohol druppelsgewijs aan, vlak boven het oppervlak, en concentreer je op het gebied waar het object zich bevindt.
- Kantel de dia voorzichtig om overtollige alcohol te verwijderen en was het geheel opnieuw. Het geprinte object zou nu zichtbaar moeten zijn in de microscoop.
- Breng enkele druppels alcohol aan en stel het object onmiddellijk bloot aan UV-licht van een lamp. Herhaal het wasproces en droog het object volledig met een ventilator.
- Gebruik een UV-lamp of UV-kamer om de geprinte structuur volledig uit te harden. Let op dat eSun Standard Resin sterk fluoresceert onder UV-licht.
Reiniging van de optische vezel
Vergeet niet de optische vezel te reinigen. Het uiteinde van de vezel moet na elk gebruik worden schoongemaakt met isopropylalcohol en een wattenstaafje of pluisvrije doek. Als dit niet gebeurt, bouwt er zich na verloop van tijd een film van uitgeharde hars op, waardoor prints de vorm van plassen aannemen.
Mocht dit gebeuren, schraap dan de film met een ongelakte vingernagel van het uiteinde van de vezel en reinig deze daarna zoals gebruikelijk. Een externe UV-lamp kan helpen om de gestolde hars zichtbaar te maken.
Opmerkingen
Opmerking 1: Werk van Diffraction Limited heeft aangetoond hoe een UV-laser, gericht door een optische vezel en bestuurd door een micromanipulator, kan worden gebruikt om 3D-objecten op micronschaal te printen. Hun techniek is verfijnder, maakt gebruik van een 4 $\mu$m vezel en voegt een beschikbare kleurstof toe aan de hars om te voorkomen dat de UV-straal de hars te diep uithardt. Deze methoden kunnen worden geïmplementeerd op de $\mu$RepRap, maar vanuit het perspectief van de $\mu$RepRap is het doel om snel bulkmateriaal te genereren. Fijne details kunnen later worden toegevoegd via probe-gebaseerde depositie.
PIKA UV-printkop
Overzicht
De huidige bronbestanden zijn beschikbaar via GitHub en de vooraf gebouwde STL-bestanden via Printables.
WAARSCHUWING: Kijk met het resterende oog niet in de UV-bron.
Achtergrond
Optische fabricagetechnieken zijn geen primair doel voor de $\mu$RepRap, aangezien deze niet goed werken op schalen kleiner dan de golflengte van het licht dat in een typische werkplaats beschikbaar is (~380 nm). Daarom schalen ze niet mee naar kleinere $\mu$RepRaps.
Het gebruik van UV-lichtpatronen om hars in situ uit te harden, biedt echter een snelle manier om structuren te produceren met elementen in de orde van tientallen of honderden micrometers. Deze zouden anders zeer tijdrovend zijn om te fabriceren met 'dip-pen'-technieken.
De UV-straal hardt hars uit tot een diepte van ongeveer 100 $\mu$m. Bij het printen van overhangende details is dit problematisch; een UV-absorberende kleurstof, zoals curcumine, kan worden toegevoegd om dit te beheersen. Dit effect kan echter ook als een functionele eigenschap worden gebruikt, waardoor een aanzienlijk volume aan structurele hars relatief snel kan worden uitgehard.
Constructie
In lijn met de $\mu$RepRap-traditie zijn alle onderdelen standaard commerciële componenten die in de meeste regio's gemakkelijk verkrijgbaar zouden moeten zijn.
Hardware
- UV-bron en optische vezel: Het UV-licht wordt geleid door een single-mode glasvezelkabel (A), in dit geval een 1G/10GB SMF Duplex Fiber Cable 9/125 $\mu$m Jumper Patch Cord. Deze is met een ijzerzaag aangepast tot een simplex-kabel.
- UV-LED-module: De UV-straling wordt gegenereerd door een "3W" UV-LED-module (B) (let op: fabrikantbeoordeling kan onbetrouwbaar zijn). Deze module gebruikt een aluminium printplaat (PCB) als koellichaam. Indien niet als los component beschikbaar, kan deze worden gevonden in veel ronde USB-UV-lampen met zwanenhals voor hobbygebruik. De module is ontworpen om op 5V te werken.
- Adaptor: De LED-module wordt door een adaptor (C) in uitlijning met de optische vezel gehouden, bevestigd met twee M3 x 20 mm schroeven, M3-ringen onder de koppen en twee M3-moeren.
- Aansluiting: Een schroefaansluitingsblok (D) wordt gebruikt om een 56 Ohm 5W weerstand in serie met de LED-module te plaatsen. Deze weerstand is noodzakelijk omdat de RAMPS 1.4 CNC-controller de D9-uitgangspin ("Coolant Mist", GCODE M7) op 12V aanstuurt, terwijl de module op 5V is gespecificeerd. Het aansluitingsblok wordt gebruikt in plaats van solderen omdat de 5W-weerstand extreem warm wordt.
Software
Het Python-filter fibre_process.py converteert de GCODE-output van Prusaslicer in "Marlin"-modus. Aangezien er geen extruder is, detecteert het filter elke GCODE-beweging waarbij de extruder A-as vooruit wordt gestuurd en gebruikt het M7/M9 om de "Coolant Mist"-driver correct aan en uit te schakelen. Daarnaast schaalt het de print met een factor 10 op. Prusaslicer moet worden uitgevoerd op een schaal van 1 mm tot 10 $\mu$m, omdat het programma het gebruik van een "9 mm" nozzle niet toestaat; het filter schaalt dit vervolgens om naar microns (die voor GRBL als millimeters worden beschouwd).
De volgende parameters zijn ingesteld in Prusaslicer-eenheden (vermenigvuldig met 10 voor microns):
- Extrusiesnelheid: 12
- Eerste laag: 0,6
- Volgende lagen: 0,4
- Perimeter overlap: 65%
- Splice overlap: -15%
- Fill before perimeter: True
Gebruiksinstructies
Voorbereiding
- Neem een schone glazen microscoopdia en bedek een gebied van ongeveer 40 mm vanaf één uiteinde van de dia met 12 mm Kapton™-tape (of een kloon hiervan, soms "Krapton Tape" genoemd). Zorg ervoor dat er geen vuil of luchtbellen onder de tape vast komen te zitten. Gladstrijken met een pluisvrije doek en isopropylalcohol (IPA). Indien beschikbaar, drogen met een luchtstroom.
- Optioneel: bevestig een verstevigingsring voor ringbandmap aan de achterzijde van de dia om het gebied voor microscopische prints te definiëren.
- Bevestig de Optic Probe Holder aan de Probe Assembly en bevestig deze vervolgens aan de Z-as. De Probe Wire kan worden genegeerd; deze wordt niet gebruikt in de optische configuratie.
- Bevestig de glazen dia aan de tafel (Stage) en zet deze vast met de magnetische klemmen. Voer de homing-sequentie uit op de controller om de X-, Y- en Z-assen te resetten.
Uitlijning en kalibratie
- Stel de Probe Arm zo in dat het vierkante gat voor de optische vezel gecentreerd is boven het midden van de tafel.
- Verwijder de beschermkap en steek één uiteinde van de optische vezel in de houder.
- Laat de probe zakken en stel de hoogte van de Probe Assembly zo in dat de optische vezel loodrecht contact maakt met de dia. Bevestig dit via het zijzicht van de microscoop, waarbij de microscoop recht langs het oppervlak van de dia kijkt.
- Bepaal het punt waar de optische vezel de dia raakt door de probe te laten zakken en te heffen. Hef de probe vervolgens 5 $\mu$m op en stel deze hoogte in als Z=0.
- Voer de beoogde print uit en controleer of de optische vezel vrij blijft van de dia. Het is veiliger om iets te veel ruimte te laten dan te weinig; in de meeste gevallen zal een extra 5 $\mu$m de print niet doen mislukken.
Toevoegen van hars
- Breek de print af zodra de uitlijning correct is.
- Hef de Z-as op naar 200-300 $\mu$m. Breng met een spitse probe of een hypodermische naald een druppel standaard 3D-printerhars aan, zo dicht mogelijk bij het gebied direct onder de optische vezel. Wees voorzichtig om de probe niet te verplaatsen. Het is aan te raden de naald naast de vezeltip te brengen in plaats van eronderdoor te proberen; laat de oppervlaktespanning het verdelen doen.
- Bij gebruik van een hypodermische spuit: vul de spuit met hars zonder de naald eraan, anders gaat dit erg traag en kan er schuim ontstaan. Verwijder daarna overtollige lucht en plaats de naald. Een spuit van 1 ml gaat meerdere dagen mee als deze in het donker wordt bewaard en is voldoende voor tientallen prints.
- Sleept de druppel zodanig dat deze de zijkant van de optische vezel raakt en een continue blob vormt van de vezel naar de dia. Je moet de probe 200 $\mu$m in elke richting kunnen bewegen en nog steeds omringd zijn door voldoende hars.
- De print kan nu worden gestart.
Nabewerking
- Wanneer de print voltooid is, hef de Z-as 200-300 $\mu$m op en til de probe handmatig uit de hars. Op dit moment is de hars nog niet volledig uitgehard en is deze extreem zacht.
- Maak de magnetische klemmen los en verwijder voorzichtig de dia.
- Plaats de dia op een absorberend kussen onder een microscoop en was de print voorzichtig met isopropylalcohol (IPA) met behulp van een hypodermische spuit of een fijne pipette. Breng de alcohol druppelsgewijs aan, vlak boven het oppervlak, en concentreer je op het gebied waar het object zich bevindt.
- Kantel de dia voorzichtig om overtollige alcohol te verwijderen en was het geheel opnieuw. Het geprinte object zou nu zichtbaar moeten zijn in de microscoop.
- Breng enkele druppels alcohol aan en stel het object onmiddellijk bloot aan UV-licht van een lamp. Herhaal het wasproces en droog het object volledig met een ventilator.
- Gebruik een UV-lamp of UV-kamer om de geprinte structuur volledig uit te harden. Let op dat eSun Standard Resin sterk fluoresceert onder UV-licht.
Reiniging van de optische vezel
Vergeet niet de optische vezel te reinigen. Het uiteinde van de vezel moet na elk gebruik worden schoongemaakt met isopropylalcohol en een wattenstaafje of pluisvrije doek. Als dit niet gebeurt, bouwt er zich na verloop van tijd een film van uitgeharde hars op, waardoor prints de vorm van plassen aannemen.
Mocht dit gebeuren, schraap dan de film met een ongelakte vingernagel van het uiteinde van de vezel en reinig deze daarna zoals gebruikelijk. Een externe UV-lamp kan helpen om de gestolde hars zichtbaar te maken.
Opmerkingen
Opmerking 1: Werk van Diffraction Limited heeft aangetoond hoe een UV-laser, gericht door een optische vezel en bestuurd door een micromanipulator, kan worden gebruikt om 3D-objecten op micronschaal te printen. Hun techniek is verfijnder, maakt gebruik van een 4 $\mu$m vezel en voegt een beschikbare kleurstof toe aan de hars om te voorkomen dat de UV-straal de hars te diep uithardt. Deze methoden kunnen worden geïmplementeerd op de $\mu$RepRap, maar vanuit het perspectief van de $\mu$RepRap is het doel om snel bulkmateriaal te genereren. Fijne details kunnen later worden toegevoegd via probe-gebaseerde depositie.
Groetjes,