Bau eines 3D-FFF-Druckers mit Hilfe des Delta-Roboters Omron/Adept Quattro: Das 3D-Druck-System inkl. Druckbett-Temperierung

Autoren: David Schütte, Tristan Thörner

Abb. 1: Druckvorrichtung

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Einleitung und Ausgangssituation

Im Rahmen des Praktikum Produktionstechnik im 7. Semester des Bachelorstudiengangs Mechatronik soll das 3D-Druck-System, welches an einem Picker-Roboter montiert ist, in Betrieb genommen werden. Dieses besteht aus zwei Extrudern und einem großen Heizbett. Der Picker-Roboter, an dessen Armen die Druckvorrichtung angebracht ist, befindet sich in einer großen Zelle aus Aluprofilen. Unter dem Roboter befindet sich auch das Druckbett, welches durch vier einzelne Heizmatten von unten beheizt wird. Ziel in diesem Projekt ist es, die Druckvorrichtung über eine Matlab-GUI (Individuell programmierte Benutzeroberfläche in Matlab) anzusteuern und eine Druckbett-Temperierung zu entwickeln, sodass das große Druckbett auf der gesamten Fläche die gleiche Temperatur hat. Aktuell wird nur die Temperatur von einer der vier Heizmatten abgefragt und geregelt.

Aufgabe

Im Ausgangszustand wird das Druckbett mit vier einzelnen Heizmatten beheizt. Die Spannungsversorgung für den Heizvorgang wird einfach an einer Klemme von dem Heizanschluss der RAMPS-Platine auf die vier seperaten Heizmatten abgezweigt. In der Theorie müssten somit alle vier Heizmatten gleichmäßig heizen, in der Praxis ist es jedoch so, dass durch die große Fläche des Druckbettes Temperaturunterschiede auftreten. Um dem entgegenzuwirken, sollen die vier Heizmatten einzeln angesteuert und auch die Temperatur (Erfassung durch Thermistor) für jede Heizmatte abgefragt werden.

Probleme und Schwierigkeiten

1. Das Thema 3D-Druck war noch sehr neu für uns, man musste sich also erst über alles informieren und verstehen, wie ein 3D-Druck funktioniert. Dies hat etwas Zeit in Anspruch genommen, allerdings konnten wir nach der Recherche unser System sehr gut verstehen.

2. Die RAMPS-Platine ist auf einen Arduino Mega aufgesteckt und hat nur begrenzte Anschlüsse für weitere Bauteile. Somit ist nur ein Anschluss für das Beheizen des Druckbetts und auch nur ein Anschluss zum Auslesen des Thermistors vorhanden. Um die Heizplattensteuerung zu realisieren, muss man die Anschlüsse also erweitern. Dafür müssen außerdem zusätzliche Schaltungen (mit einfachen elektrischen Bauteilen) angefertigt und angeschlossen werden.

3. Um die Kompatibilität der RAMPS-Platine mit dem Drucksystem zu gewährleisten, muss auf die Platine die sogenannte "Marlin Firmware" aufgespielt werden. In dieser lassen sich kleine Konfigurationen vornehmen (z.B. Anzahl der Extruder, Drucken ohne Heizmatte etc.), allerdings gibt es keine Konfiguration zur Erweiterung der Heizmattensteuerung. Somit müsste die Firmware erst angepasst werden, was aufgrund ihrer Komplexität recht aufwendig ist.

4. Beim Testen der einzelnen Komponenten ist uns aufgefallen, dass es viele lockere Klemmstellen gibt und Leitungen teilweise nicht richtig angeschlossen waren. Somit mussten wir alle Leitungen einmal nachmessen und lockere Klemmstellen beheben, was sehr zeitaufwendig war.

Ergebnis

Die Kabellegungen wurden grundsätzlich überarbeitet, dabei wurden die Kabelkanäle optimiert, sodass es beim Verfahren des Roboters keine Komplikationen mit den Kabeln geben kann.

Ausblick

1. Anschließen der Heizmattensteuerung

2. Einarbeitung der Heizmattensteuerung in die Programmierung

3. Erster Probedruck

Lessons learned

1) Organisiertes Projektmanagement: Mit Hilfe des V-Modells hat man einen sehr guten Grundbaustein für ein strukturiertes Vorgehen. Die Reihenfolge und Zeitabstände der einzelnen Schritte sind festgelegt, sodass man sich daran sehr gut orientieren kann.

2) Ingenieursdenken: Aufgrund der fehlenden Anschlüsse auf der RAMPS-Platine musste man sich eine Lösung erarbeiten. Mit den bisher vermittelten Inhalten des Studiums war dies möglich. Dabei war zusätzlich Kreativität gefragt.

3) Additive Fertigung am Beispiel des 3D-Drucks: Mit dem 3D-Druck hat man viel über die additive Fertigung gelernt. Komplexe Modelle können kostengünstig hergestellt werden.

4) Arbeiten mit mehreren Programmen: Beim Projekt wurde mit ACE, Matlab und der Marlin Firmware (Arduino IDE) gearbeitet. Dabei war die Kommunikation zwischen den drei Programmen erforderlich und jedes Programm hat eine eigene Aufgabe.