3D Yazıcılar: Z Yalpalaması (Z Wobble) Nedir, Problem Nasıl Çözülür?

FDM tipi 3D yazıcı kullanılanların başına en çok gelen problemlerden biri Z yalpalamasıdır. Bu problem, kartezyen yazıcılarda Z eksenine bağlı mille ilişkilidir. Ortalıkta bu problemin çözümüne dair hatalı birçok açıklama olması sebebiyle soruna çözüm arayanlar bir türlü bu basit problemin üstünden gelememektedir. Bu yazıda Z yalpalaması sorununun ne olduğuna, nasıl çözüleceğine ve neden diğer çözümlerin işe yaramadığına değineceğiz.

Z Yalpalaması Nedir?

Kartezyen tipi yazıcılarda ya yatak yukarı aşağı hareket eder ya da yazıcı ucu taşıyan başlık yukarı aşağı hareket eder. Yani Z ekseni boyunca tek bir motor (bazen çift motor) bu hareketi sağlar. Söz konusu eksen, yapılan hareket yer çekimine karşı yapıldığından genellikle kayış kullanılmaz. Kayış kullanılması durumunda sistemin taşıdığı ağırlık, step motorun ivmesi altında esnemeye başlar, bu da hassasiyeti bozar ve dalgalanma oluşturur. Lakin bu dalgalanma, mil kullanması durumunda da gerçekleşmektedir. Kartezyen olmayan yazıcılarda kayış kullanılmasına rağmen bu sorun yaşanmayabilir, onların tasarımı daha farklı olduğu için bu yazıda onlara değinmeyeceğiz.

Birçok yazıcı T8 trapez mil (2 mm ya da 8 mm diş aralığı) kullanmaktadır. Bu mil, bir kaplin aracılığıyla step motora bağlanır. Mil, motorun hareketi boyunca sabit kalması gerektiğinden mil bir noktadan daha yazıcıya bağlıdır. Buradaki temel prensip, iki noktanın bir doğru belirtmesidir. Bazı tasarımlarda ise mil, üç noktadan yazıcıya bağlıdır. Burada bağlantı sayısını artırmaktaki amaç, eğer noktalardan birisi doğrunun hizasının dışındaysa diğeriyle bunu hizada tutmaya çalışmaktır. Fakat hizalamanın birinde sorunlu olması, mil üzerinde bir gerilim oluşturacaktır. Bu sebeple çok sayıda bağlantı yerine, az sayıda ama iyi hizalanmış bağlantılar daha sağlıklıdır.

Eğer hizalama problemi olursa Z yalpalaması sorunu ortaya çıkar. Bu durum kabaca, çıktısını aldığınız üründe Z ekseni boyunca periyodik dalgalanmalar olarak kendini gösterir. Tıpkı yüzeyinde bir dalga varmış gibi, Z ekseni boyunca girinti ve çıkıntılar oluşur. Periyodik olmasının sebebi ise milin her bir turunda, problemi tekrarlamasıdır. Dolayısıyla periyodik bir dalgalanma varsa sorununuz kesinlikle Z yalpalamasıdır. Eğer sorun periyodik değil ve belli bir bölgedeyse, milin o bölgesini kontrol etmenizde fayda var.

Problemin Olası Nedenleri Nelerdir?

Z yalpalamasının tek kaynağı iyi hizalama problemi değildir. Bazen milin kendisi de eğri olabilir. Bu sebeple mil döndükçe kendi ekseni etrafında bir yalpalama yapar. Bunun çözümü için milin değiştirilmesi şarttır. Geçici bir çözüm olarak eğer mil bir ucundan eğri ise mili ters çevirebilirsiniz. Fakat diğer uca doğru hareket ettikçe sorun belirginleşmeye başlayacaktır. Eğer çıktılarınızda sonradan beliren ya da sonradan kaybolan bir dalgalanma görüyorsanız sebebi eğri bir mil olabilir.

• Filamentin yarıçapı değişken olabilir: Eğer aldığınız filament iyi bir marka değilse veya üründe bir sorun varsa filamentin yarıçapı değişken olabilir. Haliyle belirli anlarda daha az veya daha çok filament iterek bir tür dalgalanmaya sebep olabilir. Ama tabii filamentteki bu bozukluğun genellikle periyodik olması beklenmediği için karmaşık bir desen görmeniz gerekir.
• Sorun, sıcaklıktaki dalgalanmalar olabilir: Sıcaklık değişirse akan filamentin donma süresi değişir. Üst üste binen katmanların kaynama şekli farklıdır. Bu sebeple bir dalgalanma görmeniz mümkündür. Neyse ki sıcaklık değişimlerini izlemek kolaydır. Bilgisayar ile bağlantı yaparsanız bir grafik şeklinde bunu görebilir ve sorunu daha kolay tespit edebilirsiniz.
• Motorlar çok yüksek ivme değerlerine sahip olduğunda hareket tolere edilmeyebilir, eksen boyunca salınım yapabilir: Özellikle Z ekseninin çok ağır olması durumunda, hızla hareket eden yazıcı, Z ekseni boyunca bir esneme yapabilir. Bu durumu özellikle büyük boyutlu yazıcılarda daha çok görürsünüz çünkü eksenler arası mesafe açıldıkça merkezde ağırlık daha çok etkiye sahip olur.
• Z ekseni iyi hizalansa da dalgalanma olabilir: Yapmanız gereken şeylerden bir diğeri, mili güzelce yağlamak ve serbest bir şekilde hareket etmesini sağlamaktır. Eğer T8 başlık mili aşağıya sarkıttığınızda kendi başına düşmüyorsa fazlaca sürtünme var demektir. Fakat illa da yağ gibi kayması gerekmez, yine de bunu göz önünde bulundurmakta fayda var.
• Eğer z eksenini taşıyan rulmanlı bir sisteminiz varsa rulmanları da kontrol etmeniz gerekebilir: Eğer yeterli bir hareket özgürlüğü yoksa ve fazla sürtünme oluyorsa bu da z yalpalamasına sebep olabilir.

Sorunun Çözümü

Z yalpalamasının çözümü oldukça basittir. Bunu düzeltmek için hiçbir ek parçaya ihtiyacınız bulunmuyor. Birçok kişi için işin en çok kafa karıştıran kısmı budur. Sorunu çözmek için Oldham kaplini gibi parçalar kullanılsa da bu tür parçalar birçok kişinin sorunlarını çözmemektedir. Herkeste işe yaramamasının sebebi ise oldukça basittir. En başında olduğu gibi yine montajdan kaynaklı mekanik hatalar. Oldham kaplininin sorunu nasıl çözdüğünü aşağıda detaylı olarak açıklayacağız fakat şunu söyleyebiliriz ki sorunun en uygun çözümü, iyi hizalama yapmaktan başka bir şey değildir. Elbette düzgün bir Z miliniz olduğunu varsayıyoruz.

Sorunu çözmek için bağlantı parçasının vidalarını gevşetin ve mili serbest bırakın. Mil, yer çekimi sebebiyle aşağıya doğru sarkarak bir doğru oluşturacaktır (zeminin ve iskeletin düz olduğundan emin olun). Ardından bağlantı aparatının vidalarını dikkatlice sıkın. Burada ana çıkmazlardan biri, sigma profile parçayı tutturan T-somunların içeride dönerken parçayı kenara doğru itmesidir. Bu genellikle fark edilmez ve iyi hizalanmasına rağmen, vidaları sıkarken hizalama kayabilir. Buna dikkat ederseniz sorununuz çözülecektir. Eğer motorunuz aşağıda ve mil yukarı bakıyor ise muhakkak yukarıda onu tutan bir parça bulundurmaya ve bunun iyi ölçülerle yapılmış bir parça olmasına özen gösterin. Genellikle bu tip tasarımlarda üç bağlantı noktası kullanılır.

Çift Z Ekseni (İng: "Dual Z")

Probleme getirilen çözüm önerilerinden birisi çift Z ekseni kullanmaktır. Açıkça ve basitçe söylemek gerekirse çift Z'nin amacı, eksenin düzgün bir şekilde yukarı aşağı hareket etmesini sağlamaktır. Eğer Z ekseni tek bir tarafta olursa ve taşınan eksen ağır olursa milin olduğu taraf ile diğer uç arasında ufak bir eğim oluşabilir. Tabii bu durum Z eksenine bağlantı şeklinizle de ilgilidir. Fakat çift taraflı olması halinde hem daha çok torka sahip olursunuz (çift Z motorunu iki ayrı sürücüyle kontrol ettiğinizi varsayıyoruz) hem de iki taraf da iyi hizalanmış olur.

Çift Z kısmen de olsa Z yalpalamasını çözer ya da saklar. Şöyle ki mevcut bir Z yalpalamanız varsa karşı tarafa taktığınız mil, bu yalpalama sırasında bir gerilime maruz kalır. Elbette onu hizalı tutmaya çalışarak dalgalanmaya kısmen engel olur. Eğer iki taraf da iyi hizalanmamışsa bu sefer üst üste iki dalga deseni biner. Bunların periyot başlangıçları farklı olacağı için birbirlerine farklı anlarda farklı gerilimler uygularlar. Bu da karmaşık bir dalgalanma deseni görmenize ve sorunu dahi kavrayamamanıza sebep olur. Bazı durumlarda da dalgalanmalar birbirini götürür ve düz olabilir. Fakat hassas ölçümlü çıktılar almaya kalktığınızda bir türlü o ölçüler tutuşmaz, çünkü içten içe orijinal değerden bir sapma vardır. Bu yüzden çift Z kullanılsa dahi, Z yalpalamasından kurtulmak için iyi hizalama yapılması şarttır.

Oldham Kaplini (İng: "Oldham's Coupler")

Oldham kaplini, Z yalpalaması sorununu çözen geliştirmelerden biridir. Genellikle üç parçadan oluşur. Üst parça X eksenini taşıyan kısma bağlıdır fakat mil buna bağlı değildir. Bu parçanın altında ortada bir parça bulunur, mil ise bunun altındaki üçüncü parçaya bağlıdır. Her iki parça iki eksende serbest bir şekilde harekete olanak tanıyarak milde bir eğiklik varsa kaplinin kendisinin doğru hizayı bulmasını sağlar. Alttaki parçalar, üstteki bağlantı parçasının altında kayarak onu iter ve hizada tutar. Böylelikle yalpalama sorununu her zaman olmasa bile çözebilirsiniz.

Burada karşılaşılan en büyük sorun, kaplinin yapısı sebebiyle sürtünmenin çok fazla olması ve parçaların rahatça hareket edememesi sebebiyle yalpalama sorununun devam etmesidir. Bastırılan parçalar iyice zımparalanmalı ve tercihen lityum içerikli gres yağıyla yağlanmalıdır ki bir yalpalama durumunda parçalar rahatça birbiri üzerinde kayabilsin ve mil hizasından şaşmasın. Aksi takdirde yalpalama devam eder hatta daha kötü bile olabilir.

Oldham kaplini sorunumu çözmedi, diyenlerin çoğu bu gibi problemler sebebiyle sıkıntılar yaşamaktadır. Bizim size önerimiz deneysel davranmanız. Sistemi kurduktan sonra bozun ve tekrar kalibrasyon küpü bastırın. Aradaki farkı görerek bizzat kendiniz sonuçları test edin. Doğru yöntemin ne olduğunu, kontrollü deneyleri doğru yaparsanız siz de çözebilirsiniz. Her mekanik sistemin kendi özel kusurları bulunur. Bu sebeple size en uygun çözümü, mevcut öneriler üzerinden denemeler yaparak sizler de bulabilirsiniz. En nihayetinde bu bir tıp deneyi değil ve kimsenin canına mal olma riski yok!

Aynı zamanda Oldham kaplini, eğer bir Z yalpalamanız yoksa dahi faydalı bir geliştirmedir. Eğer sıcak uç yatağa değerse ve motor aşağıya doğru gitmeye çalışırsa parçalara yük bindirip kırılabilir. Fakat Oldham kaplinin takılı olması durumunda alttaki parça serbest kalır ve motor boşa dönmeye başlar. Böylece bir yatağa çarpma durumunda parçalarınızın zarar görmesini de engeller.

Sonuç

Z yalpalaması , FDM tipi kartezyen 3D yazıcılarda Z eksenindeki trapez milin dönme hareketi sırasında ortaya çıkan hizalama hatalarından kaynaklanan periyodik yüzey dalgalanmalarıdır. Bu problem çoğu zaman yanlış belirlenir. Dolayısıyla gereksiz parçalarla sorun çözülmeye çalışılsa da temel sebep genellikle mekanik hizalama ve tolerans yönetimidir.

Sorunun çözümünün merkezinde, milin ve somunun serbestçe doğru doğrultuda hareket edebilmesini sağlamak yer alır. Çift Z ekseni veya Oldham kaplini gibi yöntemler bazı durumlarda sorunun çözülmesini destekler. Bununla birlikte tek başına yeterli değildir. Bu nedenle en güvenilir yaklaşım; kontrollü test baskılarıyla kaynağı belirlemek ve temel mekanik hizalamayı doğru yapmaktır.