Für die Kraftübertragung zwischen dem Schrittmotor und den Achsen gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Wichtige Punkte die dabei eine Rolle spielen sind: kein Umkehrspiel, gute Kraftübertragung, keine Dehnung, hohe Lebensdauer.
Im folgenden soll eine kleine Sammlung darüber entstehen. Es werden verschiedene Methoden erklärt und ihr Vor- und Nachteile geschildert.
Zahnriemenantrieb
Ein Zahnriemen besteht im inneren aus Glasfaser und ist umhüllt von einem Gummi. Zu Beginn der 3D Drucker wurden häufig das T5 bzw. T2.5 Zahnriemen eingesetzt. Heute sind fast nur noch GT2.5 bzw. GT2 im Einsatz. Der Unterschied liegt im Profil. Beim Ersten ist das Profil Trapezförmig dadurch gibt es ein Umkehrspiel und ist nicht ideal für den Einsatz einer Linearbewegung. Besser ist das Zweite bei diesem ist das Profil Rund. Es kommt zu einer besseren Kraftverteilung und das Umkehrspiel ist minimal.
Kraftangriff bei Trapez- und Rundprofil
Es gibt noch weitere Profile wie zum Beispiel das MXL Profil welches auch ein Trapezförmiges Profil besitzt. Nachteil des MXL Profil ist die Form und die Teilung, welche auf dem angloamerikanischen Maßsystem basiert. D.h. bei einem Zahnabstand von 0.08 Zoll sind das 2.032 mm. Bei 3D Druckern wird in der Firmware hinterlegt wie viele Schritte für einen Millimeter benötigt werden und dabei führt eine Kommazahl unweigerlich zu Rundungsfehlern.
Idealerweise wäre also ein gerader Zahnabstand und ein rundes Profil. Hier noch einmal mögliche Profile im Überblick:
MXL
STPD/STS-S2M Profil
HDT-3M
T2.5
GT2
Besser ist es also ein rundes Profil zu nehmen. Das gängigste dabei ist das GT2 mit einem Zahnabstand von 2 mm. Erhältlich ist er in der Breite von 5 mm, 6 mm und 9 mm. Wobei der mit 6 mm in den meisten Shops vertreten ist. Bei breiteren Riemen befinden sich mehr Glasfasern im Kern sodass die Dehnung bei einer Zugbeanspruchung kleiner ausfällt.
Für die Kraftübertragung wird natürlich noch eine Riemenscheibe benötigt (auch Zahnrad oder im englischen Pulley genannt). Diese gibt es in unterschiedlicher Größe und Innendurchmesser für die Formgröße GT2. Die gängigsten sind dabei:
- 16 Zähne, 5 mm Bohrung
- 18 Zähne, 5 mm Bohrung
- 20 Zähne, 5 / 8 mm Bohrung
- 32 Zähne, 5 / 8 mm Bohrung
- 36 Zähne, 5 / 8 mm Bohrung
- 40 Zähne, 5 / 8 mm Bohrung
Bei der Riemenscheibe gilt je größer sie ist desto weniger Moment kann übertragen werden, da der Hebel größer wird. Dennoch kann eine höher Geschwindigkeit gefahren werden. Je kleiner sie wird desto mehr muss der Riemen gebogen werden. Außerdem gilt für den Umfang $U = p z$ (p=Pitch=Zahnabstand, z=Zahnanzahl). Dadurch das die Anzahl der Schritte hinterlegt werden muss die für einen Millimeter benötigt werden, wäre eine gerader Wert bei dem Umfang ideal. In Anbetracht der sinkenden Preise des Riemens ist eine Riemenscheibe von 20 Zähnen optimal. Bei dieser Anzahl an Zähnen ergibt sich ein Umfang von $U=p z = 40$ mm.
Welche Vor- und Nachteile es nun bei dieser Technik der Kraftübertragung gibt werden folgend zusammengefasst.
Vorteile
- kaum Umkehrspiel
- geräuscharm
- kaum Längung während der Lebensdauer
- geringe Masse
- Übertragung von hohen Kräften
- keine Schmierung nötig
- wegen Elastizität spielfrei einstellbar
- bei GT2 kann der Riemen einfach über ein Lager umgelenkt werden
Nachteile
- der Riemen neigt zu Schwingungen
- hohe Kosten wenn nicht direkt in China bestellt wird
- ein Riemenspanner wird benötigt
- hohe Reibung durch das Gummi
- hoher Verschleiß, da nur selbstschmierend
Zahnstangenantrieb
Eine weitere Möglichkeit ist die Nutzung einer Zahnstange, die an der Achse befestigt wird. Das Zahnrad wird am Motor befestigt und über der Zahnstange fixiert. Beim drehen des Zahnrads wird nun die Stange vor und zurück bewegt. Meist werden diese Zahnstangen aus Kostengründen ausgedruckt. Durch eine Schrägerzahnung kann eine höhere Laufruhe erreicht werden. Es kann als Zahnstange auch ein Zahnriemen genutzt werden um damit auf bekannte und günstige Systeme setzen zu können.
Vorteile
- keine Schwingungen
- hohe Kraft übertragbar
Nachteile
- großer Aufbau
- Umkehrspiel (je nach Profil)
- durch ausdrucken der Zahnstange kaum Präzision
Seilzugantrieb
Bei dieser Variante wird ein Seilzug verwendet anstelle eines Zahnriemens, genauer gesagt ein Fischerleine aus Nylon. Dadurch ist ein sehr kleiner Aufbau möglich. Umlenkung und Pulley können sehr Variabel im Durchmesser sein weil nicht wie beim Zahnriemen der Umlenkradius eine Rolle spielt. Es können auch ohne Probleme Verwindungen im Antriebssystem sein. Das einzige Problem ist nur das der Faden geordnet aufgewickelt bzw. abgewickelt werden muss, d.h. es muss mit einer Führung gearbeitet werden. Das einfachste ist hierbei den Pulley wie eine Gewindestange zu prägen. Es treten bei der Kraftübertragung nur zwei Probleme auf.
Zum Ersten entsteht durch die Wanderung des Fadens auf dem Pulley ein Fehler der umso größer wird je näher der Schlitten bzw. Umlenkrolle sich dem Pulley nähert. Eine Lösung wäre das die Umlenkrolle mit der Höhe mit wandert, realisiert durch ein Gleitlager. Es kann aber über ein Lager so umgelenkt werden das der Faden gar nicht mehr wandern muss.
Zum Zweiten ist bei einem Faden durch den Schlupf die Position auf Dauer nicht gewährleistet. Dies kann über die Euler-Eytelwein-Formel und deren Anwendung verbessert werden. Durch mehrmaliges umschlingen des Seils um den Pulley wird die Haftreibung so vergrößert das es nicht mehr zu einem durchrutschen kommt. Dennoch wird ein Schlupf nicht ganz vermieden werden.
Vorteile
- kleiner Aufbau
- kostengünstig
- kleiner Biegeradius
- keine Wellen im Druck durch ein Zahnprofil wie T5
Nachteile
- Pulley mit Seilführung
- Durchrutschen des Seils
- Kriechen des Seils, muss nachgezogen werden
Gewindestangenantrieb
Bei diesem Antrieb wird, wie der Name schon sagt, eine Gewindestange verwendet. Eine übliche metrische Gewindestange bietet sich hierbei nur bedingt an besser sind dabei Trapezgewinde. Diese haben ein geringeres Umkehrspiel aberDer klare Nachteil dabei ist das hohe Geschwindigkeit nur mit extremen Steilgewinden erreicht werden. Dadurch entsteht wiederum hohe Reibung die überwinden werden muss. Durch das Gewinde wird aber ein kraftfreies halten des Schlittens erreicht.
Vorteile
- Sehr präzise
- keine Schwingungen
- hohe Kraftübertragung
- Halten des Schlittens ohne Motor
Nachteile
- kleine Geschwindigkeit
- Trapezgewinde und Muttern sind teuer
Quellen
