Manuel Jasch

Alles rund um Internet & Technik

Mein 3D Drucker

Jul 222015

Nachdem ich die Adhäsion weitestgehend in den Griff bekommen habe folgt hier mal ein Video meines Druckers. Was noch fehlt ist ein Z-Endschalter welcher das Druckbett abtasten kann dafür habe ich noch keinen günstigen Sensor gefunden.

Jetzt geht es erst mal in den Urlaub für 2 Monate nach Thailand.

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Mein 3D Drucker - Druckversuche

Jun 072015

Kinematik Problem

Das Problem mit der Kinematik, welches dadurch zustande kommt das der Y-Schlitten von der Bewegung in Z-Richtung abhängt, konnte ich leider nicht perfekt lösen.
Ein Forumsbeitrag bei Repetier half mir etwas weiter. In der Repetier-Firmware gibt es die Header Datei motion.h in der bei der Schrittgenerierung, die Korrektur implementiert werden sollte.
In der Theorie sollte in der Funktion startZStep() die Schritte für die y-Achse gemacht werden. Versucht wurde es über ein Modulo-Operator alle 'X' Z-Schritte einen Y-Schritt zu machen.
Leider funktionierte es nicht wie gewollt. Wer noch eine Idee diesbezüglich hat bitte melden.

Schlussendlich wurde die Korrektur bei der GCode Interpretation implementiert.
Der einzige Nachteil liegt darin das bei Bewegungen welche durch M- oder G-Befehle getriggert werden die Korrektur nicht greift.
Wie zum Beispiel bei dem Befehl Homing aller Achsen G28. Dabei fährt der Drucker über den Endstop der Y-Achse falls die Z-Achse noch eines Resthöhe hat.

Weitere Testdrucke

Nun konnte ich endlich mit ein paar Testdrucken anfangen. Nach einigen erfolglosen Versuchen den Slic3r in den Griff zu bekommen versuchte ich es mit dem Cura-Slicer.
Der Cura-Slicer ist etwas schneller im Slicen und auch schneller beim Drucken bei gleichem Infill. Das kommt daher das er als Infill Überkreuzte Geraden extrudiert anstatt eine Wabenstruktur wie beim Slic3r. Dabei muss der Drucker nicht für jede Seitenwand einer Wabe beschleunigen und abbremsen. 

Im Folgenden Bild sieht man der Verlauf der Druckversuche:

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Unten links waren die ersten Versuche, unten rechts wurde begonnen mit dem Infill zu experimentieren, oben rechts wurde auf Cura-Slicer umgestellt. Wie man sehen kann gibt es noch Probleme mit dem Durchfluss. Aktuell habe ich noch Probleme mit dem Füllgrad der obersten Schicht. Es kommt zu keiner Überlappung der einzelnen gedruckten Linien. Auch ist die Adhäsion der ersten Schicht noch ein Problem.

 

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau und erste Druckversuche

Mai 022015

Probleme..

Nun ist es endlich soweit und meine ersten Druckversuche konnten gestartet werden. Bis dahin war es aber noch ein langer weg. Probleme die ich bis jetzt hatte waren:

  • Y-Achse verliert immer mal wieder Schritte
  • Motor für die Z-Achse war komplett blockiert
  • Pulleys haben sich nach und nach durchgedreht.

Lösungen..

Leider hatte ich mein Design so gut/schlecht durchdacht sodass alles durch Abdeckungen versteckt war. Dadurch hatte ich aber alle Möglichkeiten der Wartung zunichte gemacht. Mein erster Schritt nach diesem Schreck war die komplette Demontage des Druckers. Danach wurden einige Dinge verändert:

  • es wurden alle Abdeckungen entfernt,
  • die Kabel für den Extruder nach außen verlegt,
  • Display sowie der Endschalter an der Z-Achse oben wurde vorerst entfernt,
  • durch zu hohe Reibung der Gewindestange oben an dem Deckel wurden Luftlöcher angebracht,
  • Lineareinheiten wurden im feinen Maschinenöl getränkt,
  • der Z-Achsen Antrieb wurde durch ein stärkeren Motor ersetzt,
  • die Kupplung an der Gewindestange wurde durch eine flexible Kupplung ersetzt,
  • Motorstrom wurde etwas erhöht.

Nach dieser Tour konnten sich alle Achsen einwandfrei bewegen. Natürlich wurden die Grenzen der Achsbeschleunigung noch nicht ausgetestet aber im Vordergrund steht erst einmal die Möglichkeit zu Drucken.

Druckvorbereitung und Drucken

Vor dem Drucken wurde erst einmal geschaut das dass Homing korrekt funktioniert. Beim 3D Drucken ist das Homing sehr wichtig, da es die Achspositionen in einen definierten Zustand bringt. Dadurch kann der Drucker erst seine korrekte Position ermitteln. Nach einigen Fehlversuchen den Taster an der Z-Achse anzubringen wurde er auf den Drucktisch angebracht. Auf diesem befindet sich mehr Platz, die Kabel stören nicht und die Höhe ist leichter zu justieren. Dadurch ist ein automatisches Bedleveling erst mal nicht möglich aber wie bereits gesagt ist mir mittlerweile das Drucken wichtiger geworden als den Drucker zusammen zu klappen. 

Mithilfe von beidseitigem Klebeband wurde die Adhäsion der ersten Ebene erreicht. Das Bild zeigt den ersten Versuch mit Filament. 

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Und das Ergebnis ist Folgendes:

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Eine sehr schräge Sache! Durch die besondere Kinematik des Druckers wird eine Korrektur der Y-Achse benötigt, wenn die Z-Achse sich bewegt. Mein Problem ist nur an welchen Stellen im Code ändere ich was, dass ich dieses Verhalten erreiche? Es scheint auch so als ob er eine Korrektur fahren wollte aber es sich dann doch anders überlegt hat (siehe Ecke hinten links). Bei den oberen Reihen scheint es auch noch Probleme mit dem Materialfluss zu geben. Der Rest sieht aber schon einigermaßen gut aus. Die Proportionen konnten aber noch nicht überprüft werden erst sollte das mit der Kinematik funktionieren.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 9

Mär 212015

Das letzte mal hatte ich noch Probleme mit dem Extruder. Das Problem war das nichts extrudiert wurde. Es schien als ob der Schrittmotor nicht das benötigte Drehmoment liefern konnte. Deshalb habe ich diesen aus dem Gehäuse ausgebaut und die Bowdenleitung verkürzt - wieder nichts. Der Motor scheint doch genug Kraft zu haben aber kommt ab einem bestimmten Punkt nicht weiter. Deshalb habe ich dann mal den Extruder auseinandergebaut und das Problem sofort gesehen.

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Kein Wunder kommt da nichts durch den Extruder bei dem Stau^^. Warum schaffen es die Hersteller nicht einen Extruder zu bauen, bei dem das Innenleben konisch zuläuft. Nach der Säuberung und mit einer kürzeren Zuleitung gab es kein Problem mehr mit der Extrusion.

Der Drucker bekam noch ein paar Filzfüße, sodass kleine Unebenheiten besser ausgeglichen werden können.

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 Zusammengebaut sieht das ganze dann so aus:

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Der Y-Achsen Riemen wurde noch auf Spannung gebracht und Endstops wurden positioniert. Für den Anschlag der Endstops musste erst einmal ein Stück Draht genügen. Das nächste was ansteht ist das automatische Bed-Leveling zu aktivieren.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 8

Feb 282015

Im Folgenden Bild sieht man nun wie der Drucker später mal aussehen sollte. undefined

Nur leider ist es nicht ganz so einfach. Da ich leider die Kraft nicht berechnen konnte, die benötigt wird das Filament durch den Tube zu befördern und zu extrudieren habe ich den Motor dafür etwas größer gewählt. Leider zeigte es sich das dies nicht genug ist. Jetzt heißt es erst mal den Extruder ausbauen und eine alternative suchen.

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Mein 3D Drucker - Elektronik - Teil 4

Feb 172015

Es ist einige Zeit vergangen seit meinem letzten Post. Dies liegt nicht daran das ich nichts gemacht habe, sondern eher daran das ich nicht vorankam. Zudem habe ich vorübergehend einen Fulltime-Job bis das Semester wieder beginnt.

Was habe ich nun seitdem getan.. Ich war sehr lange damit beschäftigt einen Kurzschluss zu beseitigen. Dadurch das ich einen Endschalter zu fest angeschraubt hatte, hat sich der Kontakt durch die Isolierung gebohrt und 3.3 V Potential auf das Gehäuse gelegt. Als dann die USB Buchse mit dem Gehäuse verbunden wurde konnte über USB nicht mehr zugegriffen werden. Die USB Buchse ist mit Masse verbunden und verursachte dadurch eine Überspannung. Der USB Port am Rechner bemerkt dies zum Glück rechtzeitig und schaltet aus.

Das nächste was ich machen wollte war den Extruder, sowie die Heizung ansteuern. Dies gelang mir leider auch nicht auf Anhieb. Hab zuerst die Pins für die Thermistoren verdreht, d.h. ich habe den Thermistor 1 bei Themistor 5 eingesteckt. Die Firmware erkennt keine Erwärmung des Thermistor und schaltet aus Sicherheitsgründen den Extruder und die Heizung ab. Um das herauszufinden wollte ich die anderen Thermistoren aktivieren um die anderen Pins auszuprobieren. Ich habe auch noch zwei weitere Thermistoren vorbereitet, weil ich das Gehäuse und den Extrudermotor überwachen wollte. Leider gibt es keine einfache Möglichkeit diese Thermistoren zu aktivieren und über die GUI auszulesen (bzw. habe ich noch nicht herrausgefunden), deshalb habe ich die anderen zwei Extruder aktiviert und darüber die Sensoren ausgelesen. Danach wollte der erste Extruder aber gar nicht mehr laufen. Die Heizung konnte ich auch nicht aktivieren. Heute habe ich dann endlich diese kleine Warnung in der GUI gelesen in der steht das keine Temperaturänderung wahrgenommen werden konnte und der Extruder und die Heizung sicherheitshalber abgeschaltet werden. Diese Warnung ging leider unter, in den ganzen Meldungen die der Log in Repetier anzeigt. Deshalb entfernte ich die überflüssigen Extruder und es funktionierte.

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Im Bild ist der Tisch mit der X-Achse noch umgedreht, dies erleichterte den Test und die Installation. Als nächstes werden die Kabeln etwas besser verlegt und der Bowden Extruder getestet.

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Mein 3D Drucker - Elektronik - Teil 3

Feb 082015

Der Tisch ist endlich da und konnte verbaut werden. Danach habe ich gleich begonnen das Netzteil und den Arduino Due mit RADDS Shield in das Gehäuse zu verbauen. Ich bin mal gespannt ob die restlichen Kabel auch noch in die Box passen. Der Platz ist jetzt schon sehr begrenzt.

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Die Platinen wurden mit Abstandshülsen an die Box befestigt. Um jeglichen Kurzschluss auszuschließen wurde darunter ein Klebeband geklebt.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 7

Feb 082015

Endlich ist der Tisch aus Aluminium gekommen. Ich habe gleich damit begonnen die X-Achse fertig zu machen.

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Im Bild sieht man wie der Riemen am Druckbett befestigt wird und durch den Motor in der Mitte angetrieben ist. Nun kann auch zum ersten mal die Elektronik im Gehäuse fixiert werden, da die Schrauben für die Linearschienen unter der Elektronik sitzen und das Druckbett noch fehlte konnte ich daran nicht weiter tüfteln.

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Mein 3D Drucker - Elektronik - Teil 2

Feb 032015

Heute habe ich die Zuleitungen zu den Motoren und Endschaltern gekürzt. Die Endschalter mussten noch etwas verkleinert werden. Ursprünglich waren Magnetschalter geplant welche ich wieder aus der Planung werfen musste, da sie 3.3V kompatibel sein mussten.

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Ich wollte eben schon mit dem gesamten Zusammenbau beginnen, nur viel mir auf das einige Löcher vom Biegen des Blechs etwas verrutscht waren. Nach 2h feilen passen die Löcher wieder. Danach ist mir aufgefallen das die Gewindestangen nicht mehr passen. Morgen werde ich nochmal eine Gewindestange zusägen und die andere etwas abfeilen.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 6

Feb 012015

Heute habe ich die restlichen Kunststoff Teile verschraubt. Für jeden Motor eines. Im Bild sieht man den Unterbau mit dem Extruder und dem Z-Achsen Motor. Über den Pneumatischen Verbinder lässt sich der Filament Schlauch befestigen.undefined

Das nächste Bild zeigt den Motor für die Y-Achse mit Kugellager für die Gewindestange der Z-Achse (Bild l.). Im rechten Bild ist der Motor für die Z-Achse zu sehen. Für den Anschluss des Motors musste noch eine kleine Aussparung gefräst werden, weil sie viel zu hoch liegt als geplant war.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 5

Jan 302015

Diesmal habe ich die Z-Achse aufgebaut. Dadurch das der Platz etwas knapp bemessen ist musste ich dies außerhalb des Gehäuses machen.

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eingebaut werden konnte das ganze aber noch nicht es fehlen noch die Lager für die Gewindestange. Aber den Schlitten für die Y-Achse konnte ich schon mal befestigen. Im nächsten Bild sieht man den Aufbau von hinten.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 4

Jan 292015

Die nächste Charge an gedruckten Teilen ist gekommen. Gesäubert und geputzt sieht es nun wie folgt aus:

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Ich habe mich natürlich gleich ran gemacht und den Extruder zusammengebaut nachdem ich beim ersten Versuch bemerken musste das ein anderes Filament Drive Gear gekommen ist, nämlich das MK8 anstelle des MK7. Nun ist es für das Filament Drive Gear MK8 ausgelegt. Dieses kann dank seiner geringen Größe ein größeres Drehmoment übertragen.

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Im Bild ist der Nema17 Motor (L=46mm) zu sehen. Um den Pneumatischen Verbinder zu befestigen wurde eine flache M6 Mutter in den Kunststoff eingearbeitet. Für die Befestigung am Gehäuse wählte ich die gleiche Methode nur mit M3 Muttern. Der Block wird mit drei Schrauben am Motor befestigt. Dieser Extruder besitzt keine Feststellschrauben d.h. es kann nicht nachträglich der Anpressdruck auf das Filament eingestellt werden. Voraussetzung für diese Variante ist ein gleichmäßig dickes Filament in der Stärke 1.75 mm und eine nicht allzu starke Erwärmung des Motors. Falls er zu warm wird kann sich das Kunststoff verformen und der Anpressdruck verringert sich. Der Abstand der zwei Achsen beträgt 10.5 mm. Das Lager besitzt dabei einen Außendurchmesser von 11 mm und das Filament Drive Gear MK8 in seinem kleinsten Durchmesser 7 mm. Das ergibt $10.5 - 11/2 - 7/2 = 1.5$ mm. Womit der Motor die Kraft aufbringen muss das Filament von 1.75 mm auf 1.5 mm zu pressen. Klingt viel ist es aber nicht. Weil es auf der Seite des Kugellagers sich theoretisch nur in einem Punkt berührt wird die Kraft auf diesen Punkt zentriert und eine Verformung tritt ein. Auf der Seite des Filament Drive Gears muss dann noch genug übrig sein das die Zähne komplett in den Kunststoff eindringen können. Leider konnte ich die Tiefe dieser Zähne nicht messen und musste deshalb abschätzen.

Zusammengebaut sieht der Extruder wie folgt aus:

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Dieses Design ermöglicht einen kompakten Extruder zu bauen. Die gesamte Höhe entspricht 12 mm, zuzüglich der Höhe des Schrittmotors.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 3

Jan 282015

Irgendwie muss nun das Signal an den 3D-Drucker gelangen. Das Arduino Due Board bietet hierzu zwei USB Buchsen an. Am Gehäuse wurde nun eine USB Buchse von Typ B befestigt. Ein Micro USB Kabel wurde gekürzt und von der Ummantlung gesäubert. Die Pinbelegung ist wie in folgender Tabelle beschrieben (Glücklicherweise sind die Farben genormt):

Pin Farbe Name Beschreibung
1 rot VBUS +5 V
2 weiß D- Data -
3 grün D+ Data +
4 schwarz GND Masse

Die USB Buchse mit dem Steckertyp B sieht dann folgendermaßen aus:

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Verlötet und aufgebaut sieht das ganze dann wie folgt aus.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 2

Jan 242015

Hier einmal der obere Teil des Druckers. Zu sehen sind die Umlenkrollen um den Platz für den Lüfter zu schaffen und um den Riemen zu spannen. Es fehlen noch die Kugellager für die Gewindestangen. Leider sind diese noch Unterwegs und brauchen wahrscheinlich noch ein paar Wochen.

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Mein 3D Drucker - Mechanischer Aufbau - Teil 1

Jan 232015

Am Anfang steht immer ein 3D Drucker, denn ohne einen Drucker gibt es keine gedruckten Teile. Glücklicherweise darf ich meine Teile an der Hochschule ausdrucken. Der erste Schwung an gedruckten Teilen ist fertig. Im folgenden Bild noch mit "Skirt" und "Brim".undefined

Nach einer Reinigung mit einem Messer sieht es schon besser aus. Dennoch müssen zwei Löcher nachgebessert werden. Ein Lineal verdeutlicht die Größenverhältnisse. Bei den Bauteilen wurde auf eine Wandstärke von 4 mm geachtet. Im Slicer wurde eine Wanddicke von 1.2 mm und einem Infill von 25 % eingestellt.

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Mein 3D Drucker - Firmware - Teil 1

Jan 202015
  1. Arduino Software 1.5.8 Installieren (http://arduino.cc/en/pmwiki.php?n=Main/Software)
  2. RepRap Firmware 0.92 konfigurieren und herunterladen (http://www.repetier.com/firmware/v092/
  3. The Due implementation of the default arduino disables the watchdog feature at
    startup. Due to ARM limitation, it is not possible to enable a watchdog once it
    is disabled. For that reason, the watchdog feature does not work with default
    Arduino installation. To solve the problem copy the modified version as follows:

    boards.txt needs to <ArduinoInstallPath>/hardware/arduino/sam

    It contains the 2 original entries plus a new one called Arduino Due for Repetier.
    If you have modifed the boards.txt before, add only the last entry in boards.txt.

    Copy the folder arduino_due_repetier to
    <ArduinoInstallPath>/hardware/arduino/sam/variants

    After a restart you have a new board in your list. Use it only if you
    compile with watchdog feature enabled (which is the preferred way for increased safety)

  4. Arduino Due mit dem Computer verbinden. Programming Port -> Computer
  5. Motoren einstellen mit Vref Pot und Decay Pot (siehe http://forums.reprap.org/read.php?249,451787,453190)

    Wenn enable auf LOW steht fließt kein Strom und die Motoren lassen sich drehen.

    INVERT_X_DIR ändert die Laufrichtung und ist hiert erstmal nicht das Problem.

    Folgendes ist bei Repetier / RAPS128 richtig:

    // For Inverting Stepper Enable Pins (Active Low) use 0, Non Inverting (Active High) use 1
    #define EXT0_ENABLE_ON 1

    // For Inverting Stepper Enable Pins (Active Low) use 0, Non Inverting (Active High) use 1
    #define X_ENABLE_ON 1
    #define Y_ENABLE_ON 1
    #define Z_ENABLE_ON 1

  6. Verbindung zu Repetier Host funktioniert nur über den Programmier Port.
  7. 12Bit A/D Wandler Arduino Due 

 

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Mein 3D Drucker - Elektronik - Teil 1

Jan 202015

Elektrische Komponenten

Für einen 3D Drucker wird einiges an Elektronik benötigt. Hier eine kleine Liste:

  • Schrittmotoren
  • Schrittmotortreiber
  • Netzteil
  • Heizbett
  • Endschalter
  • Leistungselektronik
  • Extruderheizung
  • Temperatursensoren
  • Lüfter
  • Mikrocontroller
  • Leistungselektronik

Schrittmotor

Bei den Schrittmotoren wird auf den Formfaktor Nema17 gesetzt. Die Abmessungen sind in folgender Abbildung zu sehen:

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Diesen Motor gibt es in unterschiedlichen Größen und Leistungen. Ich habe mich dabei für zwei unterschiedliche Größen entschieden. Je nach Drehmoment welches ich benötige. Für den Antrieb der Y-Achse und der Z-Achse entschied ich mich für einen kleinen Motor der Länge 34 mm. Für den Antrieb der X-Achse und den Extruder einen größeren mit einer Länge von 48 mm. Für die größere Masse des Drucktisches erschien mir das als Sinnvoll.

Schrittmotortreiber

Das wichtigste bei den Treibern ist darauf zu achten, dass sie mit dem genutzen Board kompatibel sind. Auch gibt es Unterschiede in der Ansteuerung. Die meisten Treiber werden aber durch Impulse angesteuert. Jeder Impuls sagt dem Treiber, dass er den Motor einen Schritt weiter bewegen soll. Je mehr Mikroschritte dieser Treiber bietet, je höher ist die Theoretische Auflösung. Meine Wahl fiel auf die neuen RAPS128, welche wie der Name schon sagt 128 Mikroschritte bietet. Der Vorteil von diesen Treibern ist das sie in der gleichen Form erhältlich sind wie die gängigen Treiber.

Mikrocontroller

Der Mikrocontroller sollte genug Rechenleistung bieten, die Achsen zu interpolieren und die Schritte zu generieren. Genug Arbeitsspeicher ist von Vorteil, wenn es darum geht, die nächsten Bewegungen vorzubereiten. Im Normalfall genügt ein Arduino Mega mit dem Mikrocontroller ATmega1280. Da in meinem Fall aber Schrittmotortreiber, die eine Schrittteilung von bis zu 128 Mikroschritte bietet, verwendet werden, müssen diese zusätzlichen Schritte auch erzeugt werden. Der A4988 von Polulu bietet im Vergleich nur 16 Mikroschritte an.

Entschieden habe ich mich dann für einen 32-Bit ARM Prozessor, der auf dem Entwicklerboard Arduino Due sitzt.

Die Spezifikationen des Arduino Due sind:

Microcontroller   AT91SAM3X8E
Operating Voltage   3.3V
Input Voltage (recommended)   7-12V
Input Voltage (limits)   6-16V
Digital I/O Pins   54 (of which 12 provide PWM output)
Analog Input Pins   12
Analog Outputs Pins   2 (DAC)
Total DC Output Current on all I/O lines   130 mA
DC Current for 3.3V Pin   800 mA
DC Current for 5V Pin   800 mA
Flash Memory   512 KB all available for the user applications
SRAM   96 KB (two banks: 64KB and 32KB)
Clock Speed   84 MHz
Length   101.52 mm
Width   53.3 mm
Weight   36 g

 

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Mein 3D Drucker - Einkauf

Jan 162015

Nachdem die Planung so gut wie fertig war mussten die Teile zusammen gesucht werden. Dabei entschied ich mich das meiste aus Kostengründen in China zu bestellen. Bei RobotDigg bekam ich alles was ich für den Antrieb benötigte, Linearschienen, ein Hotend und vieles mehr. Bei Max3DShop bestellte ich die Elektronik. Darunter das RADDS v1.2, die neuen RAPS128 sowie ein RADDS LCD Display. Nun brauchte ich nur noch das Blech sowie ein paar gedruckte Teile für den Aufbau, die Magnete für die Fixierung, ein Netzteil und ein paar Schrauben. Im Folgenden ist eine Aufzählung der benötigten Bauteile.

Einkaufsliste

x Händler Artikel Beschreibung Preis in €
4 Supermagnete.de Magnet 30x10x5mm Einrasten, Klappmechanismus 1,34
10   Magnet 20x4x3mm Blechhalter, Klappmechanismus 0,45
         
1 Max3DShop.org RADDS v1.2 beinhaltet die Leistungselektronik 179,90
    + 4xRAPS128 Schrittmotortreiber  
    + RADDS LCD Display  
    + Arduino Due Rechenknecht  
    + RADDS Kabelset für den Anschluss  
         
2  RobotDigg.com Nema17 34mm  Für die X- und Y-Achse 5,84
2   Nema17 48mm 

Für die Z-Achse und Extruder

8,16
1   Kupplung 5x8mm Für die Z-Achse, Motor->Gewindestange 1,55 
2   Zahnscheibe GT2 16T d=5mm Für die X- und Y-Achse 1,55
2  

Zahnscheibe GT2 20T d=8mm

Für die Z-Achse  1,72 
2   Riemen GT2 6x1000mm Für den Antrieb  1,55 
1   Kabelbinder kann man immer gebrauchen  1,55 
1   PTFE Tube 2x4mm 10m Für den Bowden Extruder 10,31 
1   PLA 1.75mm 1kg zum Drucken 15,46
1   ABS 1.75mm 1kg zum Drucken 12.89 
1   Hotend 0.4mm nozzle Druckkopf für Bowden Extruder  33,50 
3   Lüfter 40x40x10mm Zum Kühlen der Elektronik und dem Druck 1,29 
1   MK8 Filament Drive Gear Für den Extruder um das Filament zu fördern  2,75
4   PC4-M6 Pneumatic Connector Für den Anschluss an den Extruder bzw Druckkopf  0,26
1   PTFE Teflon Tape kann man immer gebrauchen  0,34 
5   MGN-9H Carriage + Rail Für alle Achsen als Linearführung  8,80
6   Microswitch Endstops Endschalter der Achsen  1,55 
1   Closed-loop GT2 Belt für die Z-Achse  1,25 
1   100K Glass Thermistor Für Temperaturmessungen  3,44 
         
1 Blech Werkstadt Blech lasern und biegen Blech für den Aufbau 135,00 
         
1 Elkoba.com Epp-150-12  Für die Stromversorgung  34,00
         
1 Schraubenbude.de Linsenschrauben M3x6 - 200 Stück naja Schrauben halt.. 2,42 
1   Linsenschrauben M3x8 - 200 Stück   2,48
1   Linsenschrauben M3x10 - 200 Stück   2,78 
1   Linsenschrauben M3x16 - 200 Stück   3,21 
1   Linsenschrauben M5x20 - 100 Stück   4,76
1   Sechskantmutter M5 - 100 Stück   1,36
1   Gewindestange A2 M8x1000   4,41 
1   Sechskantmutter Polyamid M8 - 100 Stück   7,66 
1   Unterlagscheiben M5 - 1000 Stück   4,76
1   Sechskantmutter M3 - 1000 Stück   7,14 
1   Sechskantmutter M3 - 1000 Stück   7,14 
12 kugellager-express.de Kugellager 5x11x5 mm   7,56
         
1 Hochschule 3D gedruckte Teile  

 

Was noch fehlt..

Weiterhin sind noch einige Punkte offen:

  • Heizbett 200x300mm (erst einmal wird PLA gedruckt)
  • 2 Federn passend für die M8 Stange
  • Energiekette (müssen erst einmal Kabelbinder ausreichen)
  • Luftschlauch (erst einmal schauen ob überhaupt gelüftet werden muss und welcher Biegeradius erforderlich ist)
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Mein 3D Drucker - Planung

Jan 162015

In den Folgenden Beiträgen werde ich den Bau meines 3D Druckers dokumentieren. Die Beiträge werden die einzelnen Schritte beinhalten, die aus

  • Planung
  • Einkauf
  • Mechanischer Aufbau
  • Elektrischer Aufbau
  • Firmware
  • Testlauf
  • Fazit

bestehen. Nun aber erst einmal zur Planung..

Anforderungen

  • kleiner Aufbau aber großer Bauraum
  • hohe Auflösung
  • hohe Laufruhe
  • geringes Gewicht allgemein
  • geringes Gewicht auf den Achsen
  • portabel

Um die Größe so effizient wie möglich zu halten sowie den Aspekt der Portabilität zu betrachtet gibt es für mich nur eine Möglichkeit, Der 3D Drucker muss klappbar sein. Dieser Klappmechanismus ist aber eine Herausforderung, denn auf der einen Seite sollte er im aufgebauten Zustand so steif sein, das nichts wackelt. Auf der anderen Seite aber nur mit einem oder wenigen Handgriffen geklappt werden können.

Zusätzlich macht die kompakte Bauweise Probleme. Der Einsatz von genormten Bauteilen sprengen das Design, es müssen neue Wege gegangen werden.

Die Lösung der hohen Auflösung und der Laufruhe liegen in einem Treiber der mehr als nur 16 Mikroschritte versteht. Dabei handelt es sich um den Raps128, dieser bietet bis zu 128 Mikroschritte an. Diese Mikroschritte machen das sich das Drehmoment bei einer Umdrehung gleichmäßiger Verteilt, sodass der Motor leiser wird und nicht so stark vibriert. Natürlich muss daran ein stabiler Aufbau gekoppelt sein sonst bringt die beste Elektronik nichts. Deshalb ist es auch wichtig auf das Gewicht der einzelnen Achsen zu achten. Sobald ich eine Masse habe besitze ich eine Trägheit. Diese Trägheit gilt zu überwinden. Je geringer diese Trägheit desto schneller kann ich meinen Motor anfahren. Auch wird das Schwingen der Riemen dadurch etwas vermindert.

Aufbau

Der Aufbau besteht aus Edelstahlprofilen, welche eine maximale Tiefe von 60 mm aufweisen. Die Elektronik kommt in eine Box unter die X-Achse, welche den Drucktisch trägt. Alle Achsen sind über Linearschienen gelagert. Die Z-Achse wird aus Platzgründen über eine Gewindestange angetrieben. In der Folgenden Abbildung sieht man den 3D Drucker in CAD. 

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Der Aufbau soll später an der Y- und Z-Achse geklappt werden. Dafür ist einseitig ein Anschlag angebracht um den Drucker auszurichten. Über einen Neodym Magneten soll der Aufbau stabilisiert werden und trotzdem in wenigen Schritten einklappbar sein. In der folgenden Abbildung sieht man den Drucker in seiner Parkposition und eingeklappt. Der Extruder passt dabei noch unter das Druckbett. Eine kleine Filamentrolle passt in den Bereich dahinter. In diesem Zustand wird eine maximale Tiefe von 60 mm erreicht.

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Antriebstechniken eines 3D Druckern

Dez 092014

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

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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

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STPD/STS-S2M Profil

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HDT-3M

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T2.5

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GT2

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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

  • https://www.contitech.de/pages/produkte/antriebsriemen/antrieb-industrie/download/TD_Synchrobelt_HTD_de.pdf
  • http://de.wikipedia.org/wiki/Zahnriemen
  • http://www.ddpowerdrive-belt.com/?pnum=93&pt=T5+Pitch+Synchronous+Belts
  • http://reprap.org/wiki/Choosing_Belts_and_Pulleys
  • http://www.tedata.com/2211.0.html
  • http://3dprinterhell.blogspot.de/2013/06/a-better-filament-drive.html
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