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Display Tisch

Written by BonsaiBrain. Posted in Projekte

Im Rahmen der MakerFaire Bodensee haben wir ein besonderes Schmankerl präsentiert: Einen 10x10 LED Tisch mit Touchdisplay

display1 web

Da die Fliegerpapier-Abschussrampe im letzten Jahr ein großer Erfolg war, musste etwas Neues aber nicht minder interessantes her:
Die Idee war, eine interaktive Messepräsentation zu zeigen, in welcher unsere Fertigkeiten im Bereich Elektronik, Software und Gehäusebau zum Einsatz kommen.
Lichtinstallationen sind gerade im Trend und da wir für unsere Reklameschilder multicolour LED-Streifen im Lager hatten war recht schnell klar:
Es muss etwas mit Licht sein, am Besten etwas, was der Standbesucher berühren kann.
Nun sind Smartphone Spielereien schon fast ein alter Hut, so dass es nicht in Frage kam, die LEDs damit anzusteuern.
Wir wollten, dass man die LEDs durch Berührung aktivieren kann. Also ein echtes "Hands on" Projekt.

Das Resultat ist verblüffend:
Ein 10x10 LED Display mit einzeln ansteuerbaren LEDs.
Jedes Feld kann durch Berührung mit der Hand separat aktiviert werden.
Die Felder sind jeweils 5cm x 5cm groß - also nicht zu filigran und damit auch für große Hände geeignet - der gesamte Tisch ist 50cm x 50cm.
Das Gehäuse besteht aus schwarzem Arcyl, die Deckplatte aus einer Diffusorfolie mit Milchglasabdeckung.

Nachdem alle Bauteile gelötet und alle Acrylplatten zugeschnitten, verschraubt und verklebt waren, musste noch eine Software programmiert werden.
Hierfür kam nur "game of life" in Frage, welches von von John Horton Conway in den 70er Jahren entwickelt wurde.
Dabei wird durch Berührung einiger Felder ein Startmuster erzeugt. Dieses Muster folgt nun ein paar einfachen Regeln, in welchen festgelegt wird, welches Feld weiterleuchtet,
welches ausgeht und welches Feld eingeschaltet wird. Dies wird an Hand der Anzahl der leuchtenden und nicht leuchtenden Nachbarfelder berechnet.
Je nachdem, wie das Startmuster aussieht, fängt der Display-Tisch an zu "leben" indem die geometrischen Gebilde darüber wandern.
Durch Wechseln der Farbe der Felder mit längerer "Lebenszeit" entstehen auch farbige Muster.

gameoflife1 web

Die meißten Kinder kennen "game of life" nicht, bzw. können damit nicht besonders viel anfangen.
Also musste noch eine Alternative hierfür programmiert werden.
Die Wahl fiel auf "TicTacToe", doch nicht mit "X" und "O" sondern zwei unterschiedlichen Farben.
Durch abwechselndes Berühren der neun Felder konnten sogar zwei Standbesucher gegeneinander spielen.

tictactoe1 web

Den beiden Grundanwendungen "game of life" und "TicTacToe" folgten noch dynamische farbige Muster, welche immer dann eingeschaltet wurden, wenn niemand aktiv gespielt hat.
Wie so oft wurde unser Messeprojekt kurz vor knapp fertig, so dass wir uns mit diesen einfachen Spielereien zufrieden gaben.

muster1 web

muster2 web

Zuletzt musste noch ein Name für unseren Display Tisch gefunden werden.
Bei den Tests der Anwendungen war die Freude sehr groß, dass alles so schön funktioniert und einem der Entwickler entfuhr ein Ausruf,
welcher dem Gerät letztendlich seinen innovativen Namen gab:

name

Hier noch ein kurzes Video:

Grüße vom Bodensee
Euer 2PrintBeta - Team

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:

Alt 01 50x web Neu 20x Messwerte web

Wir haben diese Unebenheiten einmal genau vermessen:

 aLT 20x Messwerte 02 web

Neu 20x Messwerte 02 web

Alt 04 50x web

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.