3D-Druck mit dem German RepRap X400

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, die fehlerhafte Motoransteuerung des 3D-Druckers von GermanRepRap.

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 1: 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 1 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 2: Projektplan

Zu Beginn des Projektes wurde zunächst ein Projektplan erstellt, dieser wurde in sechs Phasen aufgeteilt, diese Aufteilung findet sich auch in Abbildung 2 wieder:

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

Abbildung 3: Aufgabenliste

Des Weiteren wurde eine Aufgabenliste von Prof. Dr. Mirek Göbel definiert die in Abbildung 3 dargestellt ist.

Durchführung

Überprüfung der Schrittmotoren

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, wie in Abbildung XX dargestellt ist. Um dieses Problem zu heben wurden zuerst die beiden NEMA 17 Schrittmotoren, die die Y- Achse antreiben, mit einem Geckodrive dem G201X Microsteper Drive und einem Arduino Mega 2564 überprüft, dies ist in Abbildung XX abgebildet. Dies geschah ausserdem mit der Hilfe der Arduino Software, die passenden Signale an den Arduino übertrug, das Programm wird am ende dieses Abschnitts dargestellt und die Verkabelung für den Arduino, den Geckodrive und den Schrittmotor ist in Abbildung XX dargestellt. 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.

Überprüfung der Verkabelung der Schrittmotoren

Zeit gleich 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.

Fazit und Ausblick

Fazit:

Schon zu Beginn des Praktikums erwies sich die Aufgabe, den 3D-Drucker in Betrieb zu nehmen, als deutlich schwerere als gedacht. Durch fehlende Dokumentation des Aufbaus fehlte uns jeglicher Anhaltspunkt. Für das finden und beheben der Fehler wären folgende Aspekte Hilfreich:

• Von Anfang an bei dem Projekt mitwirken
• Dokumentation und Beschreibung der beim Aufbau entstandenen Schwierigkeiten und Probleme
• Bessere Verkabelung um an die Steuerungsbox zu gelangen

Praktikum „Konstruktion von einemWerkzeug zum Trennen von geklebten Strukturen“ hat uns einen spannenden Einblick in die Arbeit eines Ingenieurs verschafft. Da sich die Arbeit mit unterschiedlichen Projekten aus verschiedenen der Problemlösung an mechatronischen Systemen beschäftigt, erhielten wir einen Überblick über diverse Themenfelder.

Während der Zeit des Praktikums haben wir sehr viele weitere Erfahrung im Problemlösen gesammelt. Dafür war es hilfreich, dass wir durch das Studium und während unseres Praxissemester erste Erfahrungen im Konstruieren gesammelt habe. Zudem war es hilfreich, dass in mehreren verschiedenen Vorlesungen (TechnischeMechanik 1 und 2, Konstruktionstechnik und Technisches Zeichnen) die Thematik der Produktentwicklung behandelt wurde. Gerade für dieses komplexe Themengebiet sind entsprechende Erfahrungen mit der Konstruktion und Elektronik 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. Die Vorlesung Produktionstechnik trug zum besseren Verständnis von der Funktionsweise eines 3D-Druckers teil. Besonders positiv wird uns in Erinnerung bleiben, wie eigenverantwortlich wir mit dem Projekt umgehen durfte. So waren für uns nur die Rahmenbedingungen einzuhalten und konnte darauf basierend unsere eigenen Ideen entwickeln und umsetzen sowie bei Problemen neu überdenken.

Erfüllte Punkte des Projektes

Zu Beginn wurden alle Sichtbaren Fehler behoben. Dazu gehörte das Festziehen aller losen Schrauben sowie das Nachziehen der Zahnriemen. Darauf folgte die Überprüfung der Verkabelung mit Hilfe des Schaltplans, wobei keine Fehler festgestellt werden konnten. Im nächsten Schritt wurde zu einem Internetrecherche betrieben sowie die Kontaktaufnahme mit dem German RepRap Support Center. Dies lieferte den Ansatz die Einstellung der Schrittmotortreiber zu überprüfen (Pololus). Auf Abbildung X ist die Einstellung der Potentiometer der einzelnen Schrittmotortreiber zu sehen. Das Einstellen des Potentiometers erwies sich als sehr schwierige Aufgabe, da kein optimales Werkzeug für das Einstellen vorhanden war und man leicht über das Minimum oder Maximum hinausdrehen konnte

Quellen

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