UltiNurmi I - Ein low-cost/high-quality 3D-Drucker im Eigenbau

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povlogo rendered model of my 3D-printer Wieder eines meiner "kleinen" Projekte - ein 3D-Drucker.
Dieser Drucker ist im Prinzip ein Nachbau des bekannten UltiMakers mit einigen Modifikationen.
Eine Information was ein 3D-Drucker ist und wie so einer funktioniert greift BR-Alpha gut auf. Nachzuhören in der IQ-Mediathek.
Als Hauptänderung zum UltiMaker sind hervorzuheben:
Der druckbare Bereich wurde auf 276 x 216 x 210mm erweitert. XY-Schlitten sind zu lasten der Druckgeschwindigkeit etwas massiver ausgeführt. Dadurch sind Ausdrucke im Din A4-Format möglich.
assembled frame in birch plywood Die Holzbauteile wurden komplett überarbeitet. Alle Holzschnittpläne wurden direkt im Inkscape erstellt und mit Povray gerendert. Die Ansicht des Druckers konnte praktisch vor der Fertigstellung als 3D-Animation betrachtet werden.
Dadurch lassen sich einige bautechnische Problemchen schon vor dem Aufbau des Druckers durch Re-Design vermeiden.

Beim Entwurf wurde der fertige Drucker so designed: 3D-Animation

Ein Problem gab es bei den T2.5 Pulleys. Die Riemenscheiben sind nicht vorgebohrt. Beim Aufbohren auf 8mm (für die Wellen der xy-Achsen) sind die Zahnräder auseinandergefallen. Da SEHR wenig Fleisch übrigblieb wurde weiter auf 9mm aufgebohrt und ein Alurohr (di=8mm da=9mm) mit Metallkleber hineingeklebt. Nun kann die Madenschraube wie geplant verwendet werden.
Diese Modifikation kostete mir ca. 3 Stunden, ein Alurohr (1.-) und ein paar Tropfen Komponentenkleber.

Ein Problem des Ultimakers sowie auch bei meinem Drucker, besteht bei der Materialzuführung. Das PLA wird als Schnur durch einen Bowdenzug (PTFE di=2mm, do=3mm) zum Druckkopf, mit dem Hitzeelement, geführt. Der Bowdenzug ist ca. 40cm lang. Da der Antrieb am anderen Ende sitzt, kann die Materialzufuhr nicht sehr präzise durchgeführt werden.
Meine Idee nun einen Inkrementalgeber von einer alten Computermaus kurz vor dem Heizelement einbauen, und den realen Vorschub des Filaments messen. Falls durch Bewegung des Druckkopfs und geändertem Bowdenradius der Vorschub nicht genau stimmt, kann dies nun exakt nachgeregelt werden.
Die Regelung erfolgt durch eine externe Elektronik, die als Eingangsparameter die zu fahrenden Schritte, Richtung und Sensorinformationen aufnimmt. Nach erfolgter Regelung wird der Schrittmotor mit 'Richtung' und 'Step' angesteuert.
Als Elektronik wurde einfach die ACL-Platine von meinen vorherigen Projekten verwendet. Sie bot sich an, weil alle benötigten Ein-/Ausgänge vorhanden sind.

Erkenntnis:
Die optomechanischen Inkrementalgeber von der Computermaus sind nicht zu gebrauchen, da die Messauflösung zu gering ist (ca. 3 Steps pro mm), kann das Filament nicht genau genug vorgeschoben werden.

Als nächste Stufe wurde ein rein optischer Sensor einer Maus verwendet und dazu wieder ein passendes Gehäuse mitsamt Elektronik entworfen und aufgebaut. Als Optische Cam wird ein ADNS2051 verwendet. Der Chip hat eine Auflösung von 800 dpi mit einer Framerate von 1500 fps. Die X-Y-MovingResolution hat allerdings bei einer optimalen Distanz von ca. 3mm, mit den originalen Linsen, ca. 18 Steps pro mm. Das ist schon ein Vielfaches genauer als mit der Optomechanischen Methode.

Erkenntnis:
Die Regelung funktioniert leider durch die langen (ca. 40cm) Bowdenzüge nicht zufriedenstellend. Im Moment wurde wieder auf direkte Ansteuerung des Extrudermotors zurückgebaut.

Das Sperrholz hab ich mit einer Dekupiersäge zugeschnitten. Die 3mm Auslässe für die Eckverbinder sind ebenfalls mit der Säge ausgeschnitten worden. Ist halt ne menge Arbeit, aber es lohnt sich...

Die Wellen der XY-Achsen sind mit 608 Kugellager gelagert. In den Holzseitenteilen sind also 22mm runde Löcher eingebohrt und mit beigelegten Holzplatten fixiert. Die Löcher müssen exakt, evtl. mit einer Schablone gebohrt werden. Es ist nachträglich keine Feinjustierung mehr möglich.

Die Wellen sind geschliffene und gehärtete Stahlwellen. Der bewegliche Druckkopf sitzt mit Bronzesinterlagern auf den Wellen. Der Antrieb erfolgt nun über Zahnriemen. (Modul GT2)
GT2 hat einen Zahnabstand von 2mm. Vorher hatte ich T2.5 mit trapezförmigem Querschnitt (timing-belts). Diese sind allerdings nur für einseitig lineare Antriebe verwendbar. Bei der Schlittenführung eines 3D-Druckers sind aber Kräfte in beide Richtungen notwendig. Darum GT2 (Sinusform).

Die Z-Achse ist mittels zwei dickeren Wellen (12mm) und Linearkugellager gelagert. Der Antrieb/Vorschub erfolgt mit einem Spindelantrieb der direkt am Stepper gekoppelt ist.

Da mir das Basteln sehr Spass macht, und der Drucker noch dazu nützlich sein wird -- hoffe ich --, habe ich eine Liste mit Modellen zum Ausdrucken zusammengeschrieben:

  • Pimp meinen Laminator (Triac-Electronik-Box), verwendet zum Platinen erstellen.
  • Roboterbau (bi-ped Bauteile, Servobefestigungen/-gelenke, Akkugehäuse, ...)
  • Modeleisenbahn (Häuser, Menschen, Autos, Oberleitungsstützen, Waggon)
  • Scalemodels, Bauteile für Hubschrauber, Flugmodelle & Co.
  • Lego-Teile drucken, die es nicht zu kaufen gibt (Differentialgetriebe, Lenkgetriebe, Scharniere ...)
  • Windmessgerät/Anemometer-Bauteile (Anschluss für 50mm Standrohr, Aerodynamische Eierschalen)
  • FPV-Equipment (Anbauteile für Kammeras, Servorahmen, Bodenstation, ACL-box f. GeeBee)
  • Rasenmäherroboter (Mowbot-Bauteile) (Rahmenteile (video), Schneidrotoraufhängung, Sensorhalterungen)
  • 3D-Drucker UltiNurmi (feste Rahmenverbinder für Aluminium)
  • Bauteile für Pulverdrucker, Resin-Optoprinter, Laser-cutter für Sperrholz ...
  • CNC-Fräse (zum automatisierten Bohren von Platinen/PCB)
  • Saug-/Blas-Bestückungsmaschine, für Platinenprototypen, Spritzenhalterungen für flüssiges Lötzinn/UV-Plastik
  • schwenkbare Gehäuse von Kammeras
  • Rahmen für automatisiertes Home-Bus-Project (Schraubanschluss der BasisModule in die Unterputzdose)
  • Verankerung von Vorhangstangen im Bad
  • Drucken von div. kleinen Geschenken, personalisierten Gegenständen (Bikewear/Deko)
  • Keksausstecher designed von meiner Tochter Anna-Sophie
  • Bierkronenzähler im Retrodesign mit Zahnrädern und analoger Anzeige.
  • Schockodruck mittels Mouineau-Schnecke
    Da bin ich grad in der Testphase. Einige Objekte sind ja schon rausgekommen. Allerdings sind aus rechteckigen Wuerfel eher Katzenzungen draus geworden. Da muss sicher noch einige Entwicklung rein. Aber der Extruder schaut schon vielversprechend aus.

Um selbst 3D-Modelle zu erstellen kann das einfache tool Sketchup verwendet werden. So funktioniert der Export aus sketchup

check buttonFalls Du ein ausgedrucktes Modell für mich zu drucken hast,
kann das Modell auf der Testseite auf Gültigkeit geprüft werden.

3D Print

Ich persönlich verwende zum erstellen der 3D-Modelle das Tool openscad, da ich eher der Programmierer bin. Parameterbezogene Modelle sind relativ einfach erstellt und können dann schnell und präzise abgeändert werden. (z.B. Zahnräder, Propeller ...)


Logbuch

Zum Logbuch des UltiNurmis

Im Logbuch sind alle Tätigkeiten der einzelnen Bauphasen eingetragen. in diesem ist auch der tatsächliche Arbeitsaufwand ersichtlich.
Bau-/Planungsbeginn war im Januar 2013.

Kosten

Zu den Hardwarekosten englisch

Alle Ausgaben über Rohmaterial bis zu den Schrauben finden sich auf dieser "Einkaufsliste"

Bildergalerie

Der Aufbau und diverse Details wurden stets mit Bildern dokumentiert.

Die 3D-Modelle wurden mit openScad erstellt und schon teilweise ausgedruckt...


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