3D Druck – Eigene Bauteile für fischertechnik & Co

 

Die Kombinationsmöglichkeiten von LEGO Mindstorms oder fischertechnik-Bauteilen sind schon enorm. Manchmal wünscht man sich doch die Möglichkeit, diese um Eigenkreationen zu ergänzen. Mit 3D-Druckern rückt dies in Bereich des Möglichen.
Ich möchte an dieser Stelle nicht den Nachdruck von Standardteilen betrachten. Dieser wird durch eine industrielle Spritzgußmaschine noch einige Zeit präziser und auch kostengünstiger sein. Der 3D-Druck ermöglicht aber zum ersten Mal die Schaffung eigener Bauteile. Von der Idee bis zum Produkt sind es nur noch Stunden.
Ein 3D-Drucker ist ein Produktionsmittel.Wenn auch mehr ein manufakturelles. Kosten und Zeit verringern sich nicht mit der Stückzahl.

Eine Idee, die mit Hilfe eines CAD-Programmes eine mathematische Beschreibung bekommt, wird mit Hilfe des Druckers real. Manchmal braucht es mehrere Zyklen des Konstruierens und Druckens. Sollte man über einen eigenen Drucker verfügen sind diese aber kurz und die Drucke gut replizierbar.

Vorab noch etwas Rechtliches: Je nach Hersteller, wie zum Beispiel fischertechnik, unterliegen Produkte und Konstruktionen noch dem Patentschutz. Eine kommerzielle Nutzung schließt das aus. Wer daheim für sich was ausdruckt, sollte damit nicht in Konflikt kommen.

Nun aber zum eigentlichen Schaffensprozess.

Von der Idee zur Zeichnung:
Wir nehmen uns am besten einen digitalen Messschieber und entnehmen unserer LEGO oder fischertechnik die Maße, welche wir für das Andocken unserer Bauteile brauchen.
Für die Konstruktion unseres Bauteils steht eine Vielzahl (auch kostenloser) Programme zu Verfügung. Ich nutze vorwiegend Tinkercad.

Tinkercad
Tinkercad

Im Gegensatz zu zahlreichen 3D Gimmicks kommt es leider bei Bauteilen auf Genauigkeit an. Nicht dass es unserem CAD-Programm daran mangelt. Der 3D-Drucker wird in der Praxis immer etwas anders drucken als in der Zeichnung angegeben. Der Grund dafür ist, dass er nicht beliebig klein drucken kann und auch nicht soll. Sonst würden seine Drucke ewig dauern. Die Auflösung in Z-Richtung ist in der Regel 0,1mm und besser. In x,y-Richtung wirkt der Durchmesser der Extruderdüse mit 0,3 bis 0,5 mm Durchmesser. Eine kleinere Struktur bekommt er nicht hin.
Normalerweise werden Innenradien zu eng gedruckt. Wenn wir nicht manuell nachbearbeiten möchten, müssen wir dies bereits in der Konstruktion berücksichtigen.
Wollen wir also eine Bohrung für eine typische 4mm fischertechnik-Achse schaffen, müssen wir in der Zeichnung zwischen 4,2 und 5 mm wählen. Hier ist ausprobieren angesagt. Die Maße hängen auch von den Einstellungen in den Druckerprofilen ab. Des weiteren muss man mit Abweichungen rechnen, wenn man den Drucker wechselt.
Am Ende liefert unser CAD Programm eine stl-Datei für den Druck. Wenn ich einen Druckdienstleiter nehme, bin ich mit meiner Arbeit an dieser Stelle fertig.

Von der CAD Datei zur Druckdatei
Unsere stl-Datei kann der Drucker noch nicht verarbeiten. Er braucht einen sogenannten Slicer. Das ist ein Programm welches genau den Weg berechnet den meine Druckdüse am Drucker nehmen muss. Das ist der G-Code. Dieses wird direkt vom 3D-Drucker verarbeitet.
Auch für den Slicer gibt es einige kostenlose Programme. Mein Drucker arbeitet recht gut mit Cura zusammen. Nun kann man den Drucker direkt mit dem G-Code füttern. Komfortabler ist aber die Verwendung eines zusätzlichen Steuerprogramms wie Printrun.
Momentan benutze ich Repetier-Host. Repetier visualisiert sehr gut den Druckraum und die Druckobjekte. Die berechneten Druckdaten kann man sich vorab anzeigen lassen und erkennt damit mögliche Probleme vor dem Druck.

Repetier-Host - Druckvorgang und Druckersteuerung

Der Druck:
Gerade unsere Bauteile erfordern eine genaue Kalibrierung des Druckers. Das Thema Kalibrierung würde hier den Rahmen sprengen. Es gibt sehr gute Tutorials dazu. Gerade beim Drucken sehr großer Objekte muss man peinlich darauf achten das der Drucktisch gerade ist. Andernfalls fehlt an einigen Stellen die Haftung zum Untergrund und das Bauteil beginnt sich zu verziehen oder abzulösen.
Sehr hohe oder komplizierte Bauteile sollte man mit niedriger Geschwindigkeit drucken.

Das Ergebnis:
Der Ausdruck kann sich sehen lassen. Zähne und Achsbefestigung passen perfekt. Der Druck hat sich nicht gelöst und ist damit vollkommen eben. Ich hatte einen Versuch vorher, bei dem die Zahnlücken zu eng konstruiert waren und sich das Zahnrad an einer Stelle verzog.

Zahnrad 120 fischertechnik kompatibel

Meine Druckdaten:

  • Drucker Prusa I3 Hephestos, 0,4er Düse, beheiztes Druckbett
  • PLA 1,75mm bei 220 Grad
  • Druckdauer: 4 h
  • Fadenlänge 17 m, entspricht ca. 1€ Material
  • Auflösung 0,2 mm Z-Achse
  • Drucktisch: Blue Tape bei 45 Grad
  • Druckgeschwindigkeit: bei 40% der Normalen
  • Abmessungen Druckobjekts: 175×175 mm, 120 und 30 Zähne

 

 

3D-Drucker – Netzteil für Prusa I3

Mein Prusa I3 Hephestos wurde mit einem 100 Watt Notebooknetzteil geliefert. Ohne Heizbett reicht dessen Leistung aus und der Drucker läuft sehr sparsam.
Bis 20 Grad Raumtemperatur haftete mein PLA auch ohne Heizung auf dem Tape. Jetzt ist es etwas kälter und eine Nachrüstung mit einem Heizbett war fällig.
Das Heizbett, ein MK2a benötigt bei 12V maximal 20A. Man darf also aufrüsten.

Dafür gibt es mehrere Möglichkeiten:

  1. Ein 12V Netzteil mit ca. 360 Watt kaufen. Kosten so 30 €.
    Vorteil: Recht klein.
    Nachteil: Oft keine Netzschalter und offen liegenden Schraubanschlüsse.
  2. Ein altes ATX-Computernetzteil.
    Vorteil: Weit verbreitet. Teilweise auch defekt noch als 12V Netzteil verwendbar. Kaltgerätebuchse und Netzschalter vorhanden.
    Nachteil: Recht groß. Riesiger Kabelbaum.

Ich hatte mich für ein ATX Netzteil entschieden. Das die -12V Spannung defekt war spielte für diese Anwendung kein Rolle. Ansonsten läuft ein gutes ATX Netzteil sehr leise und sparsam.

Es gibt zwei Möglichkeiten ein ATX Netzteil anzupassen:

  1. Die sichere und schnelle Lösung:
    Das Netzteil wird nicht geöffnet. Die grüne PS_ON Leitung legen wir auf Masse. Die braune 3.3V Sense line Leitung verbinden wir mit einer orangenen 3.3V Leitung. Da geht mit Kabelbrücken in der ATX Buchse.
    Wenn man keinen ATX Stecker hat, schneidet man die gelben Kabel an der Buchse ab, isoliert sie etwas ab und und crimpt eine gemeinsame Adernendhülse drauf. Dann nimmt man die gleiche Anzahl schwarzer Masseleitungen und verfährt analog. Ein einzelnes Adernpaar wäre mit 20A überlastet. Eine zweite 12 Volt Spannung liefern die die gelb/schwarzen Leitungen.
    Vorteil: einfach und sicher.
    Nachteil: ein riesiger Kabelbaum
  2. Die Expertenlösung. Hierzu muss das Netzteil geöffnet werden. Also nix für Laien. Das Netzteil führt eine tödliche Spannung. Auch hier legt man grün auf Masse und verbindet orange mit braun. Alle Kabel die man nicht braucht kneift man unmittelbar über der Platine ab. Wenn man noch eine 5V Spannung für den Arduino braucht, kann man eine rote Leitung oder die violette (5V Standby Spannung) Leitung stehen lassen.
    Vorteil: weniger Kabel
    Nachteil: Nur für Experten. Aufwendiger.

 

 Kabelfarben ATX-Netzteil
 Farbe  Spannung Verwendung
 Schwarz  Masse  —> Ramps Masse
 Gelb  +12 Volt   —> Ramps +12V Anschluss 1
 Gelb/Schwarz  +12 Volt  —> Ramps +12V Anschluss 2
 Rot  +5 Volt optional
 Lila +5V Standby optional
 Grau  Power Good abschneiden
 Orange  +3,3 Volt mit braun verbinden
 Braun  +3.3V Sense wire
 Grün  PS_ON auf Masse legen
Blau -12 Volt abschneiden

Biete beachten, das die +5V und die +12V Ströme im zweistelligen Amperebereich liefern können – Brandgefahr.

Ein gute Anleitung zum Umbau findet sich hier:

>>> http://reprap.org/wiki/Choosing_a_Power_Suppl <<<

 

Wir bauen einen 3D-Drucker – Prusa I2 Hephestos

Wir haben uns aus folgenden Gründen für einen Prusa I3 Hephestos entschieden:

  • ansprechendes Design für ein Gerät ohne Gehäuse
  • ausführliche WEB-Dokumentation in Spanisch, Englisch, Deutsch
  • Hard- und Software Open Source
  • viele Teile sind selber druckbar
  • mit 500€ günstiger Preis

Bestellung:
Wir haben Lieferanten in Wien und Madrid gefunden. Der günstige Preis und der kostenlose Versand gab für Madrid den Zuschlag. Die Zahlung erfolgte per PayPal. Der Versand ist inkl.Tracking. Die Lieferung nach Braunschweig dauerte 3 Tage.
Diverses Filament für 20€ je kg und ein PCB Heatbed (15€) haben wir gleich mitbestellt.

>>> Hier geht es zum Anbieter <<<
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Aufbau:
Der Drucker wurde in einer stabilen Verpackung geliefert. In diversen Schachteln waren die Bauteile nach Baufortschritt geordnet.
Der Aufbau hat ca. 15h gedauert. Zwei Drittel entfallen auf die Mechanik, ein Drittel auf die Elektrik, Verkabelung und Justierung.
Der gesamte Drucker wurde nach der beiliegenden spanischen Anleitung aufgebaut. Deren Illustrationen waren so anschaulich, dass wir nur ein paar Längenmaße dem Text entnehmen mussten. Alternativ gibt es auch im RepRap Forum eine gute deutsche Anleitung. Diese sollte man unbedingt für die Kalibrierung der Motoren heranziehen.
Die Kunststoffteile bitte nicht auf Biegung beanspruchen. Wir mussten uns einen Endstopp neu ausdrucken lassen. Notfalls die Öffnungen mit einer Feile nachbessern.
Die Motorenkabel hatten eine andere Farbkodierung. Als Orientierung kann man die aber schwarze Masseleitung nehmen. Die stimmte.
Die Verkabelung nimmt einige Zeit in Anspruch. Die Kabel müssen so fixiert werden, das sie nicht in die beweglichen Teile kommen.
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Inbetriebnahme:
Der Arduino läuft schon bei einer USB-Verbindung. Ebenso das LCD Display.
Die Motorplatine erst mit den 12 Volt vom Netzteil.
Zum Funktionstest nutzt man man die Software Pronterface mit 115er Datenrate. Die Extruderheizung und die Schrittmotoren lassen sich damit ansteuern. Die Stromaufnahme der Motoren sollte geprüft werden. Siehe deutschen Wiki zum Hephestos. Ebenso ist dort die Kalibrierung der Achsen erklärt.

Ergebnis:
Unser Hephestos lief auf Anhieb. Die Genauigkeit ist ohne weiteres Tuning 0,1mm und besser.
Wir kommen derzeit ohne beheizte Grundplatte aus. Einfaches Malerkrepp reicht.
Daher reicht auch das beiliegende 100 Watt Netzteil. Der Energiebedarf ist also nicht sehr hoch.
Der Drucker arbeitet so zuverlässig, das wir ihn auch nachts laufen lassen.
Die Geräuschentwicklung ist recht gering. Im gleichen Raum schlafen kann man natürlich nicht.

Tipps:

    • Zur Vibrationsdämmung zwei alte Mausepads unter den Drucker packen.
    • Den Z Endschalter festkleben.
    • Die Cura Profile aus dem WEB verwenden. Diese funktionieren perfekt. Dort die maximale Z- Höhe auf 180mm anpassen. Den G-End-Code bearbeiten, damit das Filament im Extruder bleibt. Der Extruder neigt von der Bauart sonst zu Verstopfung.

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Der Prusa sieht gerade in der roten Farbvariante etwas nach fischertechnik aus. Er ist aber ausreichend stabil, recht leise und vibrationsarm.
Der Rasperry Pi hängt in einem selbstgedruckten Gehäuse auf der Rückseite.


Erweiterungen:

  • Beheizte Grundplatte. Derzeit nicht notwendig.
  • Druckverwaltung und Überwachung im LAN/WLAN/Internet über Browser. Wir verwenden dafür ein Raspberry Pi B+ mit WLAN Stick. Auf dem Pi läuft Octoprint. Sobald die Kamera aus China eingetroffen ist, können wir den Druck auch aus der Ferne sehen.

Technische Daten des Prusa I3 Hephestos:

Preis ab 500€ (Bausatz)
Gewicht 10 kg
Auflösung max. 60 Mikrometer
Druckbereich 215 x 210 x 180 mm
Druckgeschwindigkeit 40-60 (max. 100) mm/s
Elektronik
  • Arduino Mega 2560
  • Ramps 1.4
  • LCD-Display
  • Netzteil 100 Watt
Firmware Marlin
Slicer Software Cura empfohlen
Extruder 0,4-mm-Düse
Filament 1,75-mm
Abmessungen 460 x 370 x 510 mm

Um die Verkabelung zu ordnen, habe ich diesen Kabelhalter entworfen.

Prusa I3 Hephestos cable holder

 

 WEB-Links zum Prusa I3 Hephestos
Deutsches Wiki  http://reprap.org/wiki/Prusa_i3_Hephestos/de
Anbieterseite  http://www.bq.com/de/produkte/prusa-hephestos.html
Cura Konfiguration https://static-bqreaders.s3.amazonaws.com/file/Prusa/Perfil_Extrusion_Cura.zip
Firmware auf Github https://github.com/bq/Marlin/tree/v1.3.1_hephestos
Die Bauteile auf Thingivers http://www.thingiverse.com/thing:371842
Verdrahtungsplan  http://reprap.org/wiki/RAMPS_1.4
Heizbett  http://reprap.org/wiki/PCB_Heatbed
PC ATX Netzteil für Heizbett  http://reprap.org/wiki/PCPowerSupply/de
Umbau ATX Netzteil http://reprap.org/wiki/Choosing_a_Power_Supply_for_your_RepRap…

RepRap Hacks: 3D-Drucker verstehen und optimieren.

Ganz gleich ob man schon einen 3D-Drucker besitzt oder erst eine Anschaffung plant, dieses Buch sollte man als Anfänger gelesen haben. Es ist eine sehr detaillierte Einführung in die Technik des 3D-Drucks, dabei immer verständlich. Ein 3D-Drucker ist noch kein Konsumartikel, welcher auf Anhieb läuft. Ohne dieses technische Hintergrundwissen können die ersten eigenen Bemühungen sehr frustrierend und zeitraubend sein. Auch für Kaufentscheidungen wie beheizbares Druckbett etc. ist es sinnvoll sich vorab zu informieren.