3D-Druck mit dem German RepRap X400

Abbildung 1: Der 3D-Drucker X400 von German RepRap

Abbildung 2: Der Schaltplan des mechatronischen Systems des 3D-Drucker X400 von German RepRap

Das Projekt 3D‐Drucker von German RepRap ist ein Teilprojekt des Praktikum 3-D-Bearbeitungsmaschine (Projekt des Schwerpunkts GPE im Studiengang MTR), welches im siebten Semester im Studienschwerpunkt Global Production Engineering im Studiengang Mechatronik durchgeführt wurde. Es behandelt die Problemlösung eines bereits vorhanden mechatronischen Systems (vgl. Abbildung 2), die fehlerhafte Motoransteuerung des 3D-Druckers von GermanRepRap. Der 3D-Drucker ist in Abbildung 1 dargestellt.

Studiengang: Mechatronik
Betreuer: Prof. Dr. Mirek Göbel

Projektmitglieder:
Autor: Benedikt Röper
Autor: Sven Söbbeke

Ausgangsituationn und Aufgabenstellung

Ausgangssituation:

Einführung in den 3D-Druck:

3D-Drucker sind Drucker, die auf Basis eines digitalen 3D-Modells (CAD-Datei) im Schichtaufbauverfahren ein dreidimensionales Objekt herstellen. Für die Erstellung solcher Objekte werden Filamente verwendet. Übliche Filamente sind Kunstoffe wie PLA und ABS, aber auch Metalle, organische Materialien oder Lebensmittel. In der Industrie werden 3D-Drucker schon seit den 90er Jahren eingesetzt. Dort finden sie ihre Anwendung in der Herstellung von Prototypen und Modellen (Rapid Manufacturing).

Abbildung 3: XYZ-Koordinaten eines 3D-Druckers

Die Funktionsweise eines 3D-Druckers ist mit einer drei achsigen CNC-Fräse zuvergleichen. Der Extruder des 3D-Druckers verfährt auf den 3 Achsen der XYZ-Achsen zur translatorischen Werkstrückerstellung und nicht zur Werkstückbearbeitung. Wie Achsen genau definiert sind ist in Abbildung 3 dargestellt. Die waagerechte Achse (die Achse die nach links zeigt) ist die X-Achse. die Achse die auf den Betrachter des Achsen Modells zuläuft ist die Y-Achse und die senkrechte Achse ist in diesem Fall die Z-Achse.

Der Hochschule Hamm-Lippstadt steht der 3D-Drucker German RepRap X400 zur Verfügung.

Technische Daten des Druckers :

• Bauraum: 350 x 400 x 330 mm
• Druckbares Material: ABS, PLA, PS, PVA, TPU93, Carbon20, Laywood, Laybrick, PP, Bendlay, Soft-PLA, SmartABS
• Düsendurchmesser: 0,25 / 0,3 / 0,35 / 0,5 / 0,6 / 0,8 alle Angaben in mm
• Druckgeschwindigkeit: 10 – 150 mm/s
• Verfahrgeschwindigkeit: 10 – 300 mm/s
• CAM- Software: Simplify 3D Software

Aufgabenstellung:

Zu beginn des Praktikums lies sich keine der drei Achsen bewegen, somit ist das Ziel des Praktikums/Projektes schnell definiert, nämlich den 3D-Drucker von German RepRap in einen funktionsfähigen Zustand zu versetzten.

Erwartungen an die Projektlösung:

• Bestandsaufnahme des besteheneden Systems.
• Fertigstellung der Montage
• Fehlersuche
• Beschaffung und Einbau neuer Teile.
• Verzahnung mit dem Team des Projektes Computer Aided Manufacturing (CAM)
• Wissenschaftliche Dokumentation der Lösung

Planung

Projektplanung

Abbildung 4: Projektplan

Abbildung 5: Aufgabenliste

Zu Beginn des Projektes wurde zunächst ein Projektplan erstellt, dieser wurde in sechs Phasen aufgeteilt, diese Aufteilung findet sich auch in Abbildung 4 wieder:

• Bestandsaufnahme des bestehendens Systems
• Analyse des Systems
• Überprüfen der Elektronik
• Einbau der neuen Teile und Test
• Erstellung der Projektpräsentation
• Erstellung der Projektdokumentation

Des Weiteren wurde eine Aufgabenliste von Prof. Dr. Mirek Göbel definiert die in Abbildung 5 dargestellt ist.

Durchführung

Überprüfung der Schrittmotoren

Abbildung 7: Schaltplan für das Anschließen des Geckodrives am Schrittmotor

Für das Ansteuern der der NEMA 17 Schrittmotoren über den Arduino Mega 2564 und dem Ramps Shield entstanden einige Probleme. So war ein verfahren der X- und Y- Achse nicht möglich, da die Madenschrauben, die das Ritzel und den Schrittmotor verbindet sich gelöst hatte. Somit konnte die Kraftübertragung auf den Zahnriemen nicht gewährleistet werden. Nachdem dies Behoben wurde, verfuhren die Y- Achse sehr stockend. Um dieses Problem zu heben wurden zuerst die beiden NEMA 17 Schrittmotoren der Y-Achse, mit einem Geckodrive dem G201X Microsteper Drive und einem Arduino Mega 2564 überprüft, dies ist in Abbildung 6 abgebildet. Dies geschah außerdem mit der Hilfe der Arduino Software, die die passenden Signale an den Arduino übertrug, das Programm wird am Ende dieses Abschnitts sowie die Verkabelung für den Arduino, den Geckodrive und den Schrittmotor in Abbildung 7 dargestellt. Die Verkablung an dem Geckodrive wurde mit Hilfe der Internetseite des Herstellers des Geckodrive erstellt. Bei der Überprüfung stellte sich heraus, dass die Schrittmotoren in Ordnung sind. Somit wurde das Problem des unsauberen Verfahrens nicht behoben.

Im Weiteren wurde, dann ein Video mit der oben beschriebenen Problemstellung an den Support von German RepRap zugeschickt. Der Support machte darauf aufmerksam, dass entweder die Achse der Schrittmotoren gebrochen sei oder die Pololus (Schrittmotortreiber) defekt sind.

Nachdem die Pololus durch neue ersetzt wurden, fand ein Testlauf aller Achsen statt, dieser zeigte, dass alle Achsen ohne Probleme verfahren konnten. Allerdings muss nach einiger Zeit der Schrittmotortreiber der Z- Achse nochmal getauscht werden, da diese Achse sich nicht mehr verfahren ließ.

Nun folgt das Code für die Überprüfung des Schrittmotors, dies ist ein Beispielprogramm der Adruino Software das Beispiel ist unter Datei --> Beispiele --> Stepper --> stepper_speed_control in der Software zu finden.

 
#include <Stepper.h>
 const int stepsPerRevolution = 200;  // change this to fit the number of steps per revolution
 // for your motor
 // initialize the stepper library on pins 8 through 11:
 Stepper myStepper(stepsPerRevolution, 8, 9, 10, 11);
 int stepCount = 0;  // number of steps the motor has taken
 void setup() {
 // nothing to do inside the setup
 }
 void loop() {
 // read the sensor value:
 int sensorReading = analogRead(A0);
 // map it to a range from 0 to 100:
 int motorSpeed = map(sensorReading, 0, 1023, 0, 100);
 // set the motor speed:
 if (motorSpeed > 0) {
   myStepper.setSpeed(motorSpeed);
   // step 1/100 of a revolution:
   myStepper.step(stepsPerRevolution / 100);
 }
 }

Überprüfung der Verkabelung der Schrittmotoren

Zeitgleich zur Überprüfung der Schrittmotoren wurde auch die Verkabelung der Schrittmotoren überprüft. Hierbei wurden alle Steckverbindungen der Motoren gelöst und nach dem Schaltplan wieder eingesteckt. Des Weiteren wurde der Motor der Y- Achse mit Hilfe des Geckodrive G201X Microsteper Drive an dem Ramps Shield angeschlossen. Dies wurde gemacht um das Ramps Shield zu überprüfen, auch dieser Test war erfolgreich und bestätigte, dass das Ramps Shield, welches auf dem Arduino Mega aufgesteckt ist, in Ordnung ist.

Überprüfung der Verkabelung der Steuerbox

Um wirklicher sicher zu gehen ob die Verkabelung nach dem Schaltplan durch geführt wurde, wurde noch einmal die komplette Verkabelung überprüft. Außerdem wurde auch die Firmware auf dem Arduino neu aufgespielt. Somit wird ausgeschlossen, das die vorherige Firmware / Verkablung fehlerhaft war. Nachdem die Firmware neu aufgespielt wurde und die Verkabelung der aufgespielten Firmware entsprach wurde ein erneuter Testlauf durchgeführt, auch dieser Testlauf war erfolgreich.

Erstellung eines CAD- Modells für die Simplify 3D Software

 1. Mit Hilfe eines Beliebigen CAD-Programms kann ein beliebiges CAD-Objekt erstellt werden.
 2. Das CAD-Objekt muss als SLT-Datei gespeichert werden.
 3. Die SLT-Datei mit Hilfe von Simplify 3D öffnen.
 4. Den 3D-Drucker via USB mit dem PC verbinden.
 5. Starten des Druckvorgangs.

Zusammenfassung und Ausblick

Ziel dieses Projekts war es, den 3D-Drucker von German RepRap wieder in einen Funktionsfähigen Zustand zuversetzen. Durch die systematische Analyse des Arbeitsprozesses konnten die notwendigen Anforderungen festgelegt und über eine schrittweise Annäherung (Teilweise) zielführend umgesetzt werden(die Z-Achse lässt sich nicht anstuern). Das Ergebnis ist ein 3D-Drucker, der nun zwei der drei Achsen verfahren kann. Dies ist leider nicht zufriedenstellend, da ein 3D-Drucker alle drei Achsen in einem funktionsfähigen Zustand benötigt um Teile zu drucken.

Bezüglich der zukünftigen Nutzung sind Optimierungen bei der Befestigung der Ritzel am Schrittmotor denkbar. Da die Madenschrauben in regelmäßigen Abständen wieder festangezogen werden müssen, hier wäre es effektiver wenn man die Madenschrauben zusätzlich noch verkleben würden. Auch für die Verkabelung sind entsprechende Modifikationen denkbar. Abschließend muss auch die Z-Achse wieder in einen funktionsfähigen Zustand versetzt werden.

Mögliche Verbesserungen am 3D-Drucker von German RepRap:

• Inbetriebnahme der Z-Achse
• Fixierung der Madenschraube am Ritzel (verkleben)
• Verwendung eines Mighty Board anstatt Arduino und Ramps Shield
• Verwendung vom Gecko-Drive als Ansteuerung für die Schrittmotoren
• Überarbeitung der Verkabelung

Fazit

Das Projekt " 3D-Druck mit German RepRap x400" hat uns einen spannenden Einblick in die Arbeit eines Ingenieurs verschafft. Da sich die Arbeit mit unterschiedlichen Projekten aus verschiedenen der Mechatronik beschäftigt, erhielten wir einen Überblick über diverse Themenfelder. Während der Zeit des Praktikums haben wir sehr viele weitere Erfahrung im Bereich der Problemlösungsstrategie gesammelt. Dafür war es hilfreich, dass ich durch das Studium und während unserer Praxissemester erste Erfahrungen im Bereich der Problemlösung gesammelt habe. Zudem war es hilfreich, dass in mehreren verschiedenen Vorlesungen (Technische Mechanik 1 und 2, Grundlagen der Elektrotechnik 1 und 2) die Thematik der Produktentwicklung behandelt wurde. Gerade für dieses komplexe Themengebiet sind entsprechende Erfahrungen mit dem Zusammenspiel der Mechanik und der Elektrotechnik sehr wichtig. So wird nicht so schnell der Überblick verloren und auch die Zusammenhänge und Abhängigkeiten sind erkennbar.

Schwierig war hingegen, dass kein Stand der Technik für dieses Projekt existiert. Schon zu Beginn des Praktikums erwies sich die Aufgabe, den 3D-Drucker in Betrieb zu nehmen, als deutlich schwerer als gedacht. Durch fehlende Dokumentation des Aufbaus fehlte uns jeglicher Anhaltspunkt. Aber auch die Lösung eines Problems bzw. die Wiederherstellung der Funktionen der Achsen brachte uns wieder vor neuen Problemen, da nun an anderer Stelle ein Fehler auftrat. Von daher wäre es besser gewesen wenn man ab den Aufbau bishin zur Inbetriebnahme des 3D-Druckers mit gewirkt hätte. Aber auch eine bessere Dokumentaion/ Anleitung von German RepRap wäre sinnvoll gewesen. Abschließend lässt sich festhalten, dass wir uns während der Projekts genau mit den Thematiken, die uns im Vorfeld interessiert haben, beschäftigen durften. Besonders positiv wird uns in Erinnerung bleiben, wie eigenverantwortlich wie wir mit dem Projekt umgehen durften.

Quellen

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