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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:

Alt 01 50x web Neu 20x Messwerte web

Wir haben diese Unebenheiten einmal genau vermessen:

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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.

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