Montag, 12. Mai 2014

3D Drucken im Wohnraum

Finden 3dDrucker im Wohnraum Verwendung, sind einige Probleme zu meistern. Ein 3d Drucker operiert anders als ein gewöhnlicher Drucker auch durchaus mehrere Stunden und ist dabei nicht gerade leise. Neben der akustischen Belastung für die Bewohner emittiert ein kommerziell erhältlicher Desktop 3d  Drucker während der Arbeit mehr oder weniger Schadstoffe, deren Auswirkungen kaum untersucht sind. Als besonders bedenklich gelten hier vor allem die beim Drucken entstehenden ultra feinen Partikel (UFP). Eine Studie die sich mit dieser Thematik auseinander setzt ist hier zu finden. Ob die in der Studie beobachteten Konzentrationen an UFP bedenklich sind, muss sich erst noch zeigen. Ohne den Teufel an die Wand zu malen, ist Prävention vor evtl. gesundheitlichen Schäden seiner selbst und seiner Mitmenschen geboten. Um die Emission von Schadstoffen in den Wohnraum zu verhindern, wurde ein Abluftsystem erdacht. Der komplette Drucker wird hierzu in einer Box untergebracht in der ein Lüfter dafür sorgt, dass die Abluft über einen Lüftungsschlauch aus der Wohnung befördert wird. Die Zuluft wird so dimensioniert das innerhalb der Box stets ein leichter Unterdruck herrscht, so dass keine Schadstoffe durch evtl. Löcher oder Spalten entweichen können. Ein Einsatz für den Fensterrahmen bietet eine Öffnung für die abzuführende Abluft, ohne das der Wohnraum dabei auskühlt.



Für die Box wird 10mm sowie 4mm Pappelsperrholz im Baumarkt zugeschnitten.  






Um Schwingungen während des Druckens weitestgehend zu unterdrücken, wurde als Unterlage für den Drucker eine massive Platte gewählt. Damit der Drucker einen guten Stand hat, sollte diese möglichst plan sein.




Ein Holzrahmen wurde in den Fensterrahmen eingepasst und wird mit 4mm Sperrholz beschlagen.



Als Wärmedämmung wird der Zwischenraum zwischen der ersten sowie einer zweiten Sperrholzplatte mit Polystyrolschaumplatten ausgefüllt.




Als Abluftgebläse wird ein 120mm Serverlüfter wiederverwendet. Mit 0.8A bei 12.0V hat dieser eine wesentlich höhere maximale Leistungsaufnahme als gleichgroße Lüfter wie man sie auch in ATX-Netzteilen findet.




Der Verbindungsflansch zwischen Lüfter und Abluftschlauch wurde mit OpenSCAD entworfen.




Der Flansch für den Fenstereinsatz fällt etwas länger aus, da er den Einsatz durchqueren muss.


Damit Vögel die Abluftöffnung nicht mit einer Nistmöglichkeit verwechseln bekommt auch diese ein Gitter.





Das Loch für die Kabel dient zugleich als Zuluftsöffnung.



Der Drucker benötigt ein Sichtfenster um ihn während der Arbeit beobachten zu können. Hierfür dient eine 4mm Polystyrolglasplatte die mit einer Tischkreissärge auf das richtige Maß gebracht wird.



Um die Polystyrolglasplatte während der Arbeit am Drucker zu entfernen, wird ein Griff entworfen und zweimal gedruckt.  






Es werden Abstandshalter installiert, gegen die das Sichtfenster durch den Unterdruck der Box gezogen wird.



Kleine Winkel halten die Box an ihrem Platz.



Das Filament befindet sich nicht mit in der Box, sondern wird von außen durch einen PTFE-Schlauch ins innere der Box geführt.






Der Schlauch sorgt dafür das das Filament stets korrekt geführt wird und der Extruder eine gleichmäßige Gegenkraft erfährt.







Damit der Tisch auf dem der Drucker steht nicht als Resonanzkörper dient, wird dieser vom Drucker mittels Schwingungsdämpfern für Körperschall isoliert.



Der Drucker ist jetzt im Gegensatz zu vorher kaum noch zu hören. Weiterhin störend zu hören sind nur noch die Lüftungsgeräusche.




Kalibrierung

Bevor ein 3D-Drucker vernünftige Ergebnisse liefert, muss dieser zuvor Kalibriert werden. Dies stellt sicher, dass gedruckte Objekte die korrekte Größe, einen guten Zusammenhalt und eine sauberer Oberfläche aufweisen.

1. Kalibrierung der X-, Y- sowie Z-Achse

In der Konfiguration der Druckerfirmware (Configuration.h - für die Marlin Firmware) sind für jede Achse die Anzahl der Mikroschritte die pro verfahrenem Millimeter benötigt werden abgelegt. Diese Konfigurationsparameter können als erste Näherung theoretisch bestimmt werden.

Für Achsen die einen Riemen verwenden
Der Riemen sowie das Riemenrad verfügt über Zähne die Schlupf verhindern sollen. Ist die Zahnteilung t des Riemens, die Zahnanzahl n auf dem Riemenrad sowie die Mikroschritte pro Motorumdrehung s bekannt, können die Anzahl der Mikroschritte pro Einheit (meist mm) bestimmt werden. 

n = 16 (Zähne am Riemenrad)
t = 2.5 (Zahnteilung)
s = 3200 (Mikroschritte / Umdrehung)
s / (n*t) = 80 

Für Achsen die eine Gewindespindeln verwenden
Ein ähnliches Vorgehen für Achsen mit einer Gewindespindel.

P = 0.8 (Gewindesteigung M5 ISO 1502)
s = 3200 (Mikroschritte / Umdrehung)
s / P = 4000

(Folgender Abschnitt gilt nur für die Marlin Firmware)
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT   {X,Y,Z,575}
Für X und Y werden die errechneten 80 und für Z die errechneten 4000  Mikroschritte pro Millimeter eingesetzt.

Korrekturfaktor
In der Praxis weichen die für jede Achse errechneten Werte von ihren eigentlich Werten etwas mehr oder weniger ab. Um diese Ungenauigkeiten zu beseitigen wird für jede Achse experimentell ein Korrekturfaktor bestimmt. Für diese Aufgabe bietet sich die Benutzung eines Messschiebers an. Für die Messung werden zwei Punkte benötigt, wobei diese auf einer parallelen Gerade zur jeweiligen Achse liegen müssen. Ein Punkt liegt auf dem unbeweglichen Teil der Achse der andere auf dem beweglichen.

Beispiel für die X-Achse


Ist der Abstand d1 zwischen diesen beiden Punkten bestimmt, wird die Achse verfahren und der Abstand d2 gemessen. Anhand des gewünschten und des tatsächlichen Verfahrweges kann nun der Korrekturfakor k Bestimmt werden.

k = d1 / d2

2. Kalibrierung des Extruders

Für den hier verwendeten Greg's Wade Extruder und anderen Extrudern mit einer Übersetzung mit Hilfe von zwei Zahnrädern, ergibt sich der Filamentvorschub w in Abhängigkeit von x Mikroschritten wie folgt:

s (Mikroschritte pro Umdrehung)
n1 (Zähne des kleinen Zahnrades)
n2 (Zähne des großen Zahnrades)
d (Durchmesser der Transportschraube - Der Durchmesser der Transportschraube des Extruders variiert von Schraube zu Schraube, je nach dem wie tief die Zähne geschnitten sind. )
x (Anzahl der Mikrochritte)
w (Filamentvorschub)
w = (x * (n1 / n2) * d * π) / s

Daraus folgt die Anzahl der Schritte für einen Millimeter:
x = s / ( (n1 / n2) * d * π)

Für den Extruder dieses Bausatzes:

3200÷((11÷45)×6,9×π) = 603,9...

(Folgender Abschnitt gilt nur für die Marlin Firmware)
#define DEFAULT_AXIS_STEPS_PER_UNIT   {X,Y,Z,E}
Für E werden die errechneten 604 Mikroschritte pro Millimeter eingesetzt.

Durch den Messfehler der bei der Bestimmung des Durchmessers der Transportschraube auftritt, ist auch der errechnete Wert wieder nur eine erste Näherung. Deshalb wird auch hier experimentell ein Korrekturfaktor bestimmt. Hierfür wird eine Stelle am Filament markiert  und dann eine definierte Länge l1 Filament  extrudiert. Mit Hilfe der Markierung kann nun die tatsächliche Länge l2 bestimmt werden.

k = l1 / l2



Hier wurde die Markierung mit einem CD-Marker vorgenommen, alternativ kann  auch ein Stück Isolierband am Filament befestigt werden.


3. Vermessung des Filamentes

Die extrudierte Filamentmenge errechnet sich aus dem Filamentvorschub multipliziert mit der Filamentquerschnittfläche. Bei der Generierung der Druckanweisungen - dem sogenannten GCode - wird von einer konstanten Filamentquerschnittfläche ausgegangen, die leider nicht immer gegeben ist. Die Filamentquerschnittfläche wird bei der GCode-Generierung als Kreis angenommen und über deren Durchmesser errechnet. Daher muss für jede Rolle Filament der mittlere Filamentdurchmesser bestimmt werden. Hierzu wird das Filament an möglichst vielen gleichmäßig über das Filament verteilten Stellen gemessen.  Als Güteparameter für eine Rolle Filament kann die mittlere absolute Abweichung vom Mittelwert gesehen werden.

4. Bestimmung des Extrusionsfaktors (Slic3r - Extrusion multiplier)

Durch die Kalibrierung des Extruders und der Vermessung des Filamentes sollte der Drucker nun eine korrekte Spurbreite (Slic3r - Extrusion width) aufweisen. Dies ist unverständlicherweise allerdings nicht der Fall. Mit OpenSCAD wird zur Kalibrierung der Spurbreite ein Würfel erstellt. Dieser wird mit folgenden Parametern gedruck:
  • 1 Perimeter
  • kein Infill
  • keine soliden horizontalen Grenzflächen
Dies stellt sicher das nur die vertikalen Außenflächen  des Würfels gedruckt werden. Aus dem Verhältnis zwischen erreichter Spurbreite und eingestellter Spurbreite errechnet sich der Extrusionsfaktor als Korrekturfaktor. Zur Messung der erreichten Spurbreite wird an mehreren Stellen gemessen und das arithmetische Mittel gebildet. Hierbei sollten Stellen an denen ein  Ebenenwechsel oder eine Richtungsänderung vonstatten ging ausgelassen werden.

5. Eindrücke




Freitag, 2. Mai 2014

MK2 Heatbed mit Glasplatte und Tesa Putzband

Für einen funktionierenden Drucker fehlt nur noch ein Druckbett. Hierfür liegt dem Bausatz ein MK2 Heizbett sowie eine temperaturbeständige 5mm Glasplatte bei. Diese wird mit vier Briefklemmern auf dem Heizbett fixiert. 



Die MK2 Heizplatte liegt auf Spiralfedern und kann an jeder Ecke über eine Schraube ausgerichtet werden. Eine Ebene wird bereits über drei Punkte definiert, kommt ein vierter Punkt hinzu ist die Ebene überdefiniert oder es kann sogar sein, dass der vierte Punkt nicht mit auf der Ebne liegt. Dies muss beim ausrichten des Druckbetts unbedingt verhindert werden, um Verspannungen und so eine nicht plane Druckunterlage zu vermeiden.



Der Thermistor zur Messung der Druckbetttemperatur wird mit Kaptonband direkt unter dem MK2 Heizbett angebracht. Die gemessene Temperatur kann daher von der auf der Glasoberfläche vorherrschenden Temperatur durchaus abweichen.



Um Kabelbrüche zu vermeiden, wird für die Stromversorgung des Heizbetts extra flexible Silikonlitze verwendet. Die Kabel für Stromversorgen sowie für den Thermistor werden zu einem Strang gebunden. Der hier abgebildete Kabelquerschnitt ist nicht geeignet gewählt, da es aufgrund der hohen Ströme zu Verlustleistung und damit zu einer nicht unerheblichen Erwärmung der Kabel kommt. Daher wurde der Kabelquerschnitt für das Heizbett verdoppelt.

Damit das zu druckende Objekt sich während des Drucks nicht löst, muss eine geeignete Druckunterlage zur Verfügung stehen. Mit PLA kann bei geeigneter Druckbetttemperatur direkt auf Glas gedruckt werden. Hierzu muss das Druckbett auf mindestens 60°C erhitzt werden, sowie absolut fettfrei sein. Um das Objekt dann vom Druckbett zu lösen, muss dieses wieder abgekühlt werden.
Das aufheizten sowie abkühlen des Druckbetts dauert einige Zeit und die Temperaturänderung sorgt dafür, dass das Glas arbeitet. Die nicht ganz ebne Glasplatte (0.1mm Unebenheit), mein Unwillen die Glasplatte ständig mit Aceton reinigen zu müssen sowie die langen Aufheitz- bzw. Abkühlzeiten sind für mich Grund genug für eine alternative Druckunterlage. 



PLA haftet auch ohne geheiztes Druckbett sehr gut auf einigen Kunstoffklebebändern. Eine kleine Übersicht da drüber ist hier zu finden. Das dort beschriebene Blue Tape ist über das Internet erhältlich, aber scheinbar im Fachhandel nur selten anzutreffen. Als Alternative wird ein spezielles Abdeckband der Firma tesa mit der Nummer 4840 erwähnt. Unter dieser Nummer scheint dieses Band in Deutschland nicht erhältlich zu sein. Das oben abgebildete Klebeband mit der Bezeichnung "Robustes Abdeckband" entspricht allerdings der Beschreibung und erst beim auspacken ist auch die Nummer 4840 auf der Innenseite der Rolle zu erkennen.



Der Drucker ist nun bereit für die Kalibration und den ersten Druck.