Einführung

Im April 2013 erfuhr ich von dem Projekt Reprap, bei dem 3D-Drucker zum Selbstbau aus preisgünstigem Material und mit Open-Source-Software entwickelt werden. 3D-Drucker ent­halten nicht nur das komplette Sortiment eines modernen Systemes aus Mechanik, Elektronik, (Ein-Platinen-)Computer und Software, sondern wecken - zur Zeit wenigstens - in hohem Maß das Interesse der Schüler. Es ist also naheliegend, einen 3D-Drucker mit Schülern zu bauen. Dabei geht es ausdrücklich nicht darum, ein Spielzeug oder eine Produktions­maschine zu bekommen, sondern mit dem Bausatz das Zusammenspiel der Komponenten intensiv kennenzulernen. Da die meisten beschreibungen in Englisch vorliegen, profitiert auch dieses Fach.
Die Unterstützung des Technischen Gymnasium Lörrach und interessierte Schülerinnen und Schüler waren unter diesen Umständen schnell gewonnen.

Als Lieferanten fanden wir Reprap Austria und dies hat sich inzwi­schen dank der ausgezeichneten Unterstützung des Betreibers Benjamin Krux als glücklich erwiesen. Entschieden haben wir uns für einen Bausatz auf der Basis des MendelMax 1.5. für ca. 800 €.

Der Drucker sollte an den Projekttagen des TGs Ende Juli fertig gestellt werden. Zur Sicherheit hatten die Projektgruppen Mechanik, Elektrik und Software schon ab Mai mit der Arbeit begonnen und enga­giert einige Samstagsschichten eingelegt. Leider stellten sich beim Inbetrieb­nahme­versuch elektrische Probleme ein - die Platinen mussten damals noch selbst bestückt werden und bei Strömen bis 10A kann es schon mal rauchen -, sodass wir den Terminplan nicht halten konnten. Nach den Sommer­ferien wurde weiter gearbeitet und im Januar 2014 gelang endlich der erste Druck.
Die erste prak­tische Anwendung sind Kupplungen für den TG-Zug, die wir jetzt aus ABS drucken statt sie zeitraubend im Werkstattunterricht aus Metall fertigen zu lassen.

Damit ist das Projekt aber noch nicht ab­geschlossen, denn am Drucker sind viele Feinheiten einzustellen und zu lernen. Außerdem gilt es zu überlegen, wie das Projekt fort­geführt und erweitert werden kann. Eine Idee ist es, pro Schüler einen Drucker zu bauen. Mit den gewonnenen Erfahrungen sollte dazu 3 Projekttage genügen.

Aufbau eines 3D-Druckers

Die einfachen 3D-Drucker zum Selber­bauen arbeiten nach dem FDM-Verfahren. Dabei wird drahtförmiger Kunst­stoff durch eine heiße Düse gedrückt und dort geschmolzen. Mit dem flüssigen Kunst­stofffaden wird das Modell schicht­weise aufgebaut.
Damit dieser Text einfach bleiben kann, werde ich mich auf dieses Verfahren beschränken.

Ein 3D-Drucker besteht aus den folgendenElementen:

  • Rahmen
  • x-Achse
  • y-Achse
  • z-Achse
  • Endstopps
  • Werkzeugtisch
  • Extruder mit Hotend
    Der Extruder mit Hotend erhitzt und fördert den Kunst­stoff, aus dem das Modell aufgebaut wird.
    Bei unserem Modell wird ein Extruder von Greg Wade verwendet.

Aufbau des MendelMax 1.5

Rahmen

Teile gibt es bei:

  • MendelMax 1.5 Rahmen von kludgineer - Version 17.10.2011
  • MendelMax 1.5 Rahmen von kludgineer - Version 30.03.2012

Probleme, möglichst mit Lösungen

Hier schildere ich die Probleme, mit denen ich zu tun hatte und für die ich hoffentlich eine Lösung gefunden habe.

Extruder transportiert das Filament nicht bzw. produziert keinen Kunst­stofffaden

Bei Druckbeginn
Der Erhitzerkopf (Heater) ist nicht heiß genug, sodass der Kunst­stoff nicht fließfähig ist.

Mögliche Lösungen:
  • Erhitzen des Erhitzerkopfes (Heat) einschal­ten
  • Temperatur des Erhitzerkopfes kontrollieren
Gelegentlich oder ständig
WadeGear9 fixed with Lego
Der Lego-Stein steckt auf der Motorwelle und
treibt über eine Klebeverbindung das kleine Zahnrad.
Das Antriebszahnrad (Wade Gear 9) des Extruders rutscht durch und das Nachziehen der Be­festigungs­schraube bringt keinen Erfolg.

Bei unserem Wade Extruder ist das Antriebszahnrad aus ABS mit einem Gewindestift (Maden­schraube) auf dem runden Teil der Motorwelle geklemmt. Diese sehr einfache Konstruktion beruht also nur auf Reibschluss und setzt das Kunst­stoff­teil unter Zugspannung. Prompt ist das Zahnrad bei uns eingerissen, sodass die Maden­schraube nicht mehr angezogen werden konnte und die Konstruktion nicht mehr funktionierte so nicht.

Mögliche Lösungen:
Provisorische Lösung mit dem defekten Zahnrad aus ABS (siehe Bild rechts)
  • Die Risse etwas aufbiegen und ein wenig Aceton einfließen lassen. Aceton löst ABS und beim Verdunsten sollte das ABS verschweißen.
  • Die Steine von Lego-Technik lassen sich mit ihren Bohrungen zwar nur schwer auf die Motorwellen schieben, sitzen dann aber sehr fest. Selbst wenn man sie nur 1..2 mm aufschieben kann, reicht das übertragbare Dreh­moment für das Antriebszahnrad völlig aus.
  • Lego-Technik-Bausteine bestehen ebenfalls aus ABS, man kann das Legoteil also mit der Stirnfläche des Zahnrades verkleben, hier mit Uhu Allplast.

Versatz der Layer

Beim Drucken kann es passieren, dass sich eine Ebene gegenüber der darunter liegenden mehr oder weniger verschiebt. Das kann verschiedene Ausprägungen und Ursachen haben.

kleiner Versatz
Die Schritt­motoren (Stepper) schal­ten bei Überhitzung ab, manch­mal nur für den Bruchteil einer Se­kunde. In dieser Zeit verliert der Motor Schritte und damit die Orientierung.
Mögliche Lösungen:
  • Spannung am Polulu Stepper Driver herunter regeln
  • Schritt­motor kühlen
  • Polulu Stepper Driver kühlen
großer Versatz
Der Riemen springt über das Riemenrad.
Mögliche Lösungen:
  • Riemenspannung erhöhen
  • Schrittgeschwindigkeit senken, insbesondere den Eilgang.
alle
Das Riemenrad rutscht auf der Motorwelle.
Mögliche Lösungen:
  • Be­festigungs­schraube anziehen
  • Ein wenig Se­kundenkleber zwi­schen Riemenrad und Motorwelle.

Ab jetzt Entwürfe

Komponenten eines 3D-Druckers eines 3D-Druckers am Beispiel des MendelMax

Übersichten über das Zusammenwirken der Komponenten

Vor­gehens­weise

The incomplete reprap beginner's guide von Konstantin Tziampazis nennt die wesentliche Schritte um einen RepRap aufzubauen:

  • Aufbau der Hardware (Rahmen, Achsen, Hot End [beheizte Düse]..
  • Aufbau der Elektronik (RAMPS, Stepper Driver [Schritt­motor-An­steuerung]
  • Verkabeln der Schritt­motoren, Lüfter, Endstops [Endanschlag], Thermistoren [Temperaturfühler] und Hotend mit der Elektronik
  • Firmware in die Elektronik laden
  • Host [Steuer­programm für den 3D-Drucker] auf den PC laden und PC an den Drucker anschließen
  • Slicer-Programm auf den PC laden, mit dem man eine STL-Datei des CAD-Programms in G-Code für den 3D-Drucker verwandelt. Slicer kann im Amerikanischen Wurstschneide­maschine oder Tranchiermesser bedeuten und spielt darauf an, dass das Computermodell in Scheiben zerlegt werden muss, damit der 3D-Drucker das reale Modell wieder scheibchenweise aufbauen kann.
  • G-Code dem Host übergeben
  • Drucken ausführen mit dem Host

Aufbau der Hardware

Aufbau der Elektronik und Verkabelung

  • Link: RepRapPro Mendel wiring (englisch) bzw. RepRapPro Mendel wiring/de (deutsch) bei reprap.org.
    • Diese Anleitung behandelt die Kabelführung an einem RepRapPro Mendel und kann auf den MendelMax übertragen werden.
    • Außerdem beschreibt diese Anleitung, wie die Motorströme für die Stepper­motoren eingestellt werden. Das passt zwar nicht genau zu RAMPS 1.4, scheint mir aber so wichtig zu sein, dass man es übertragen muss.

RAMPS

Das Wort RAMPS ist Akronym aus Reprap Arduino Mega Polulu Shield und be­zeich­net das Verbindungsstück zwi­schen dem Mikrocontroler Mega 2560 von Arduino und den Stepper Driver [Schritt­motor-Treiberbausteinen] von Polulu.

Vermutlich wandelt RAMPS die digitale Ausgabe des Arduino in analoge Signale um und leitet diese an die Stepper Driver, die auf auf das RAMPS aufgesteckt werden.

RAMPS gibt es in mehreren Versionen. RAMPS 1.4 ist für 5 Stepper Driver [Schritt­motor-Treiberbausteine] geeignet, d.h. für 3-Achsen und 2 Extruder [Materialvorschub] für 2 Druckköpfe. Da der MendelMax nur einen Druckkopf hat, bleibt ein Stepper Driver frei. Tatsächlich verwendet der MendelMax 5 Schritt­motoren, aber die beiden Schritt­motoren für die Z-Achse werden zusammen­geschaltet und benötigen nur einen Stepper Driver.
Mit 2 Druckköpfen kann man mehrfarbige oder verschiedene Kunstoffe drucken. Verschiedene Kunst­stoffe sind besonders nützlich, wenn Stützstrukturen für Hinterschneidungen benötigt werden. Kann man nur einen Kunst­stoff drucken, müssen die Stützstrukturen nach dem Druck manuell ausgebrochen werden. Kann man 2 Kunst­stoffe verarbeiten, können die Stützstrukturen aus Material gedruckt werden, das in Wasser oder anderen Flüssigkeiten löslich ist.

RAMPS kann man aus einzelnen Bauteilen selbst zusammen löten oder fertig kaufen.

Quellen:

  • Link: Bau­anleitung RAMPS_1.4 bei reprap.org/wiki
    • Während man sonst beim Bau des MendelMax nicht viel kaputt machen kann, kann die RAMPS-Platine mit falschen Polungen oder Einstellungen ab­geschossen werden (magic smoke ;-). Deshalb würde ich die o.g. Bau­anleitung sorgfältig beachten.
    • Unter den Polulu Stepper Driver müssen jeweils alle 3 Jumper gesetzt sein. Jumper sind kleine Kurzschlussbrücken, mit denen man auf Platinen Einstellungen vornehmen kann. 3 Jumper zeigen die kleinste Schrittweite für die Schritt­motoren an (1/16 micro stepping [Mikroschritte = Zwischenschritte bei Schritt­motoren).
    • Es sind 6 Anschlüsse für Endstops [Begrenzungen] vorgesehen, nämlich jeweils minimum and maxminum Endstop [vordere und hintere Begrenzung] für jede der Achsen x, y und z. Angeschlossen müssen mindestens die 3 minimum Endstops x-, y- und z- sein. Man findet die Beschriftung entweder auf der Platine oder auf einem Bild im o.g. Text. Wie gewöhnlich kommt das rote Kabel auf +.
      Wir haben Opto Endstops [optische Begrenzungen] verwendet. Man kann sie provisorisch prüfen, wenn man sie in RAMPS einsteckt, RAMPS auf den Arduino steckt und per USB mit Strom versorgt und dann die Lichtschranken an den Endstops unterbricht: Die zugehörigen LED sollten erlöschen.
    • die Stepper [Schritt­motoren] werden auf die Stecker 2B 2A 1A 1B gesteckt und zwar bei E0 (1. Extruder) und X, Y und Z (Achsen). Die Aus­rich­tung der 4-adrigen Stecker erkennt man im Bild in der Bau­anleitung: das rote Kabel kommt auf den Stecker 1 (2B).
      Trimmpotentiometer
      Trimmpotentiometer am Polulu Stepper Driver
      in Ausgangsstellung vor dem Feintuning
    • Die Polulu Stepper Driver kommen auf die Anschlüsse E0 (1. Extruder) und X, Y und Z (Achsen).
      Ihre Aus­rich­tung erkennt man im Bild in der Bau­anleitung oder anhand der Beschriftung auf der Unterseite der Polulu-Platine, die mit der Beschriftung auf der RAMPS-Platine korrespondieren muss.
      Auf den Polulu Stepper Drivern befinden sich Potentiometer, mit denen die Strombegrenzung für die Stepper eingestellt werden muss, bevor man den Strom einschaltet! Laut Bau­anleitung RAMPS_1.4 Kap. 4.1 muss man die Potis nach links bis zum Anschlag drehen, und dann wieder 25% zurück. 25% zurück soll wohl 90° bedeuten. Der Anschlag ist mechanisch schwach, kann leicht überdreht werden und ist dann kaum mehr zu finden, deshalb das Foto rechts. Man erkennt den feststehenden Anschlag (1) unten und denn drehbaren Anschlag (2) links in Richtung des Kühlkörpers, während eine Nase im drehbaren Teil (3) zum Platinenrand zeigt.
      Bei der Kalbration müssen die Potis noch feineigestellt werden. Der Strom für die Schritt­motoren darf nicht zu niedrig sein, weil sonst das Dreh­moment nicht ausreicht, er darf aber auch nicht zu hoch sein, weil sonst die Motoren zu heiß werden oder Mikroschritte überspringen können.
      RepRapPro Mendel wiring (englisch) bzw. RepRapPro Mendel wiring/de (deutsch) bei reprap.org ent­halten eine kurze Beschreibung, welche Spannung und Strom die Schritt­motoren benötigen und wie diese mit Pulsweitenmodulation erzeugt wird. Des weiteren steht dort, wie man bei den Stepper Driver die benötigte Spannung einstellt
  • Die Thermistoren (= temperaturabhängige Widerstände) gehören in den Steckplatz T0 (Extruder 1) und T2 (Heatbed). Die Polung spielt wie bei Widerständen üblich keine Rolle.
  • Die Anschlüsse für die Heating Coils [Heizspulen] werden in den Kontakten D10 (Extruder) und D8 (Heatbed) everschraubt.

Polulu Stepper Motor Driver Carrier A4988 (Polulu Stepper Driver)

Der A4988 Stepper Motor Driver Carrier von Polulu Robotics & Electronics (Las Vegas/NV) ist eine kleine Platine, auf die der A4988 DMOS Microstepping Driver with Translator and Overcurrent Protection von Allegro Microsystems, Inc gelötet ist. Der Microstepping Driver ermöglicht die An­steuerung von bis zu 16 Zwischenschritten bei Schritt­motoren und enthält einen Strombegrenzer.

Opo Endstops [Optische Begrenzungen]

Stepper [Schritt­motoren]

Schritt­motoren sind Motoren, die sich pro Impuls um einen genau bestimmten Winkel drehen. Sie sind deshalb geeignet, Positionen genau anzufahren und werden in Robotern, Druckern, CD-Laufwerken und 3D-Druckern eingesetzt. Alternativ und für höhere Dreh­momente verwendet man Servo­motoren, muss dann aber die Position des bewegten Teiles messen, z.B. in CNC-Maschinen.

Man unter­scheidet unipolare und bipolare Motoren. Bipolare Motoren haben ein höheres Dreh­moment, benötigen aber eine kompliziertere An­steuerung. Sie werden in den modernen RepRap-Modellen eingesetzt und haben dort eine typische Schrittweite von 1,8°. Mit 'micro stepping' können auch Zwischenwerte angefahren und damit die Genauigkeit erhöht werden, allerdings mit geringerem Dreh­moment. Es funktioniert also nur, wenn die Motoren genügend Dreh­moment­reserven haben, bzw. die Mechanik leichtgängig ist. Bei RepRap ist 1/16 micro stepping üblich, also 16 Zwischenschritte.

Firmware in die Elektronik laden

Arduino Mega 2560

Beim Arduino Mega 2560 handelt es sich um einen preisgünstigen Mikrocontroler, der als OpenSource entwickelt wurde. Es handelt sich also um einen Computer ohne Tastatur und Bildschirm, dem die Software von einem "normalen" Computer per USB aufgespielt wird.
Alternativ kann auf ein Raspberry PI eingesetzt werden, aber darauf gehe ich hier nicht ein.

Der Arduino Mega 2560 wird fertig bestückt geliefert und muss nicht aufgebaut werden. Man muss aber selbst den Treiber aufspielen und an­schließend die Sofware für den Betrieb des 3D-Druckers installieren.

Quellen:

Für den Betrieb von RAMPS gibt es 2 geeignete programme für den Arduino: Sprinter und Marlin

  • Download: Sprinter Firmware. Es handelt sich um ZIP-gepackte Ordner. Die Firmware für Optische Endstops befindet sich im Ordner OE. Eine Installaltions­anleitung findet man in der README-Datei.
  • Download: Marlin Firmware. Die Firmware für Optische Endstops befindet sich im Ordner OE.

Software

3D-Modelle werden in der Regel mit einem CAD-Programm erstellt und im STL-Format exportiert. Für den 3D-Druck muss die STL-Datei per CAM in G-Code umgeandelt werden. Das G in G-Code steht wie bei CNC-Maschinen für Go (= gehe zu). Das STL-Modell wird also in eine Reihe von Koordinaten aufgelöst, die der 3D-Drucker nacheinander abfährt und so das Modell physisch aufbaut.

CAD

An der Gewerbe­schule Lörrach ist der Inventor von AutoDesk eingeführt

CAM

Printrun

Printrun ist eine Sammlung kleiner Programme, die G-Code erzeugen und senden können. Printrun wurde von Kliment programmiert. Bei RepRap.org/Wiki/Printrun ist beschrieben, wie man Printrun aus einzelnen Programmen installiert. Dort findet man aber auch den Hinweis auf eine direkt lauffähige Version für Windows bei Kliment/printrun/.

Installation:

  • Beschreibung für verschiedene Betriebs­systeme siehe RepRap/Wiki/Printrun
  • Unter Windows direkt lauffähige Programmversion bei Kliment/printrun/
    Die Datei muss nur entpackt und ihr Inhalt in ein be­lie­biges Programmverzeichnis kopiert werden.

ReplicatorG

netfabb

Quellen

Infos der Open-Source-Gemeinde

Bezugsquellen und Lieferanten

Erfahrungsberichte

Videotutorials

Filear baut einen Prusa Mendel bei Youtube