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Eine Frage der Präzision

Written by BonsaiBrain. Posted in Projekte

Eine häufig gestellte Frage: Wie genau ist ein 3D Drucker?

Die häufigste Antwort basiert auf der Positionierungsgenauigkeit der Schrittmotoren. Diese wird dadurch berechnet, wie viele Schritte ein Motor für eine Umdrehung benötigt und wie groß die verwendete Zahnscheibe ist. Daraus lässt sich ermitteln, wieviele Schritte pro Millimeter benötigt werden, was wiederum für die Wiederholungsgenauigkeit herangezogen wird.

Nimmt man also einen 1,8° Schrittmotor, welcher 200 Schritte für eine Umdrehung benötigt und berücksichtigt das 16-fach Microstepping des Schrittmotortreibers, kommt man auf 3200 Schritte für eine Umdrehung. Umgerechnet auf den Durchmesser der Zahnscheibe errechnet sich eine Schrittlänge von 1/80 mm, d.h. 80 Schritte für einen Millimeter. Somit liegt die errechnete Genauigkeit bei 12.5µm.

Soviel zur Mathematik, doch wie sieht die Realität aus?

Die Realität besteht aus mehr als nur der Positionierungsgenauigkeit der Schrittmotoren. Hier kommt u. A. das Spiel der Kugellager bzw. Führungsschienen, die Genauigkeit des Filamentdurchmessers, das Umkehrspiel des Zahnriemens und die Schwankung der Düsentemperatur zur Rechnung hinzu, von Schwingungen der Maschine im Allgemeinen ganz abgesehen.

Um belastbare Werte zu erhalten, haben wir ein optisches Labor aufgesucht und verschiedene Objekte mit dem Mikroskop vermessen.

Darunter befand sich ein 5 Jahre altes Objekt, welches mit einem klassischen Reprap-Mendel 3D Drucker gedruckt wurde und als Vergleich dazu zwei Objekte, welche mit einem modernen Printupy 3D Drucker gefertigt wurden.

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Abbildung: Links: Würfel in 0.15mm Schichtdicke aus einem Printupy;  Rechts: Kathedrale in 0.3mm Schichtdicke aus einem Mendel

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Abbildung: Zylinder im Spiral Vase Modus 0.05mm Schichtdicke aus einem Printupy

Der Vergleich zur Kathedrale zeigt deutliche Unterschiede in der Fertigungsqualität:

Zum Einen in der Wiederholungsgenauigkeit allgemein, zum Anderen speziell Ungenauigkeiten in der Mechanik. Zur Mechanik des Mendel: Der klassische Aufbau eines 3D Druckers sieht als Antrieb für die Z-Achse häufig eine Gewindestange bzw. Gewindespindel vor. Ist diese nicht exakt zentriert, so führen Bewegungen in Z-Richtung immer zu Fehlern in X- und Y-Richtung. Diese Fehler spiegeln sich als Wellenmuster auf der Oberfläche wieder. Bei starker Unwucht sieht man die Ganghöhe der Gewindestange auf dem Objekt abgebildet.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, diese Fehler zu minimieren. Zum Einen könnte man als Führung statt einer runden Stange eine massivere Führungsschiene verwenden, welche durch die Ungenauigkeiten des Antriebes unbeeinflusst bleibt. Zum Anderen könnte man eine exakt zentrierte Kugelumlaufspindel verwenden.

Die dritte Möglichkeit ist die Verwendung eines Zahnriemens an Stelle der Gewindestange. Dies hat den Vorteil, dass in Z-Richtung gezogen wird und somit mögliche Ungenauigkeiten lediglich vom Spiel der Führungschiene ausgehen können.

Der Unterschied ist mehr als deutlich sichtbar:
Das Wellenmuster auf der Kathedrale stammt von oben beschriebener Unwucht im Z-Antrieb. Im Vergleich dazu hat der Würfel eine glatte Oberfläche.

Doch wie glatt ist diese Oberfläche wirklich?

Unter dem Mikroskop erkennt man die Unebenheiten:

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Wir haben diese Unebenheiten einmal genau vermessen:

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Die Durchschnittliche Abweichung beim Mendel liegt bei 105µm, wobei hier nur Messwerte verwendet wurden, welche nicht der Unwucht der Gewindestange zugeordnet werden können. 

Die durch den sog. Z-Wobble des Mendel entstandenen Wellen haben eine Tiefe von Durchschnittlich 405µm, also fast einem halben Millimeter. Gut erkennbar ist das wiederkehrende Muster in der Ganghöhe der Gewindestange. Etwas schwieriger mit dem Auge zu erkennen sind die durchschnittlichen 58µm Gesamtabweichung auf dem Würfel.

Dies deckt sich mit den Messwerten, welche wir am Zylinder ermittelt haben:

Zylinder 20x Messwerte web

Hier haben wir eine durchschnittliche Abweichung von 53µm gemessen.

Fazit:

Der Printupy ist im Vergleich zum Mendel etwa doppelt so genau. Mit etwa einem Zwanzigstel Millimeter liegt diese Abweichung aber um den Faktor 4 über den "errechneten" 12.5µm. Diese Messung zeigt, dass die allgemeine Angabe der Steps/mm der Schrittmotoren nicht für die Genauigkeit herangezogen werden darf.

Gleichzeitig konnten wir zeigen, dass die Abweichung primär nicht von der eingestellten Schichtdicke abhängt, da wir bei 0.15mm und 0.05mm pro Schicht vergleichbare Werte erhielten.

Diese Werte können auch für Design-Richtlinien für 3D gedruckte Objekte herangezogen werden: Das von uns experimentell ermittelte Spaltmaß von 0.15mm deckt sich sehr gut mit den Messungen.

Rotationseinheit für Lasercutter

Written by BonsaiBrain. Posted in Projekte

Eine unserer Dienstleistungen ist die Lasergravur von Glasflaschen. Dies lässt sich mit einem CO2-Laser sehr gut realisieren. Nun sind Flaschen bekanntermaßen rund und nicht eben. Das ist nicht weiter problematisch, so lange man nur einen schmalen Bereich der Flasche gravieren möchte:

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Der Bereich, welcher nicht mehr perfekt im Focus liegt wird leicht unscharf.

Möchte man nun einmal um die ganze Flasche herumgravieren, so braucht man eine Rotationseinheit.

Also haben wir kurz gegoogled, was es da für Varianten gibt und zwei in Frage kommende Systeme gefunden:

Eines arbeitet mit einem Chuck (ähnlich einem Bohrmaschinenaufsatz), in welchen das Werkstück eingespannt wird. Das Andere System arbeitet mit Rollen, auf welche das Werkstück aufgelegt wird.

Beide Systeme haben Vor- und Nachteile. Das erste System muss für jedes Objekt separat kalibriert werden - die Schrittlängen sind abhängig vom Durchmesser des Werkstückes. Das ist etwas unvorteilhaft, da man sich da gerne mal verrechnet und möglicherweise ein Werkstück fehlerhaft graviert. Der Vorteil liegt darin, dass es nicht auf das Gewicht oder die Größe des Werkstückes ankommt.

Das zweite System hat Schwierigkeiten mit dem Verrutschen von sehr leichten Werkstücken, da diese nur aufliegen und nicht fixiert sind. Dafür stimmen die Schrittlängen immer, wenn sie einmal korrekt kalibriert wurden.

Wir haben uns für das zweite System entschieden und seitlich neben die Antriebsrollen eine Art Fixierung für das Werkstück angebracht, um leichte Objekte daran zu hindern, von den Rollen zu rutschen.

Die Preise der CNC-Hersteller für solche Rotationseinheiten variieren zwischen 500 € und mehreren Tausend Euro. Für einen Schrittmotor mit ein paar Umlenkrollen und einem höhenverstellbaren Gegenstück ohne Antrieb schien der Preis etwas hoch angesiedelt, so dass wir uns kurzerhand dazu entschieden haben, soetwas selbst zu bauen.

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Die Ansteuerung ist recht einfach:

Der Y-Achs-Motor wird von der Steuerungselektronik abgesteckt und statt dessen der Motor der Rotationseinheit angeschlossen. Nach Kalibrierung der Schrittlängen und Drehrichtung des Motors konnte sofort losgelegt werden. Als Testobjekt diente eine Weinflasche:

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Nach diesem "proof of principle" wurde ein der Jahreszeit entsprechendes Motiv gewählt und in ein Glas graviert:

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Dank der seitlichen Rollen konnte auch dieses kleine, leichte Werkstück ohne Probleme bearbeitet werden.

Somit hat 2PrintBeta mit einer Rotationseinheit für den Lasercutter ein weiteres wichtiges Werkzeug zu Verfügung - und das für einen Bruchteil der Kosten.

Eine schöne Adventszeit wünscht

das 2PrintBeta - Team