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Report
DIY
Personal Fabrication
Mechanik
Juergen Eckert – Informatik 7
Letztes mal bei DIY
• CAM → CNC
– G-Code (uralte Lochstrafen Sprache)
N3 T0*57
N4 G92 E0*67
N5 G28*22
N6 G1 F1500.0*82
N7 G1 X2.0 Y2.0 F3000.0*85
N8 G1 X3.0 Y3.0*33
(Hier RepRap G-Code mit Checksum)
Foto: Wikipedia
Bild nach: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006
CNC-Steuerung (1/2)
G-Code
Steuerbefehle einlesen
Geometriedaten verarbeiten
(Koordinatentransformation)
Zeitunkritisch
Zeitkritisch
Bahnplanung
(Geschwindigkeitsführung)
FIFO-Puffer
Interpolation
(Zwischenpunkte berechnen)
Antrieb / Extruder
Synchrone Aktionen
1ms
Timer Interrupts
100us
CNC-Steuerung (2/2)
• Controller Board
– Mikrocontroller
• 8bit: Wenig RAM, Seriell (USB, langsam), SD-Karte
• 32bit: Netzwerk Interface, USB (native, schnell)
– Günstig
– Marlin, Grbl
• Embedded System
– „All-In-One“
– Teuer
– LinuxCNC =
Linux + RTAI
Bild:http://www.electronicsam.com
Steuerbefehle Einlesen
• Embedded System: Dateisystemzugriff
• Controller Board „3Drag“ (8bit):
– USB-Seriell
• 250kBaud (∼24kB/s)
• Zwischenspeicher: nur wenige Befehle
– SD-Karte
• Kompletter G-Code (PC unabhängig)
• Upload
– USB-Seriell (sehr langsam, stunden...)
– Kartenleser (umständlich)
Schnellere Interfaces bei teureren (32bit) Boards
Foto: 3Drag
Geometriedaten Verarbeitung
• G-Code: Pfad der Werkzeugspitze
(≠ Achsen der Maschine)
• Koordinatentransformation und Skalierung
XYZ
Wikipedia
Delta
Thingiverse
Bahnplanung (1/4)
• Prämisse: Minimale Druckzeit bei (idR) maximaler
Genauigkeit
• Werkzeugbewegung:
– Von Punkt zu Punkt
(maximale Geschwindigkeit in G-Code enthalten)
– In jedem Punk Richtungsänderung
• Analogie: Auto fährt mit maximal erlaubter
Geschwindigkeit auf eine enge Kurve zu
→ abbremsen
• Sollverlauf muss physikalisch realisierbar sein
Bahnplanung (2/4)
• Wann wird welche Geschwindigkeit erreicht?
• Geschwindigkeit ↭ Kinetische Energie
• Weg, Beschleunigung ↭ Motorleistung
(begrenzt)
1 2
Wkin = mv
m: Bewegt Masse (const)
2
F: Maximale Stellkraft (const, vereinfacht)
W = Fs
v: Geschwindigkeit
s: Strecke
-- Stark vereinfacht --
Bahnplanung (3/4)
• Beschleunigungsrampe:
Geschwindigkeit linear anpassen
Bild: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006
• Problem: Ruck (mechanische Schwingung)
Bahnplanung (4/4)
s: Strecke
v: Geschwindigkeit = s‘
a: Beschleunigung = s‘‘
r: Ruck = s‘‘‘
Bild: Weck:
Werkzeugmaschinen Band 4,
Springer-Verlag 2006
Bahnplanung: Look Ahead
• „Vorausschauendes Fahren“
• Nicht an jedem Punkt komplett stoppen
• Verrunden der Ecken (erlaubte Toleranz)
• Schneller
• G64
G61:
(Punkt zu Punkt)
Interpolation / Antrieb
• Schrittmotor / Servo
– Ansteuerung (Pulse)
– Vor- und Nachteile
• Später im Elektronik-Kapitel
Subtraktive Fertigungsverfahren
• CNC seit 1960
• Fräse (im FabLab)
– 585x350x180mm
• Drehen (im FabLab)
– Durchmesser 100mm
• Material: bis Stahl
• Schwierigkeit: hoch
Foto: FabLab
Zerspanung
• Material wird durch härteres abgetragen
(komplex; Material plastisch verformt)
• Material bildet Späne aus
• Mit unbestimmter Schneide
– Schleifen
– Honen
• Mit geometrisch bestimmter Schneide
–
–
–
–
Drehen
Drechseln
Fräsen
Bohren
Foto: KTM GmbH
P. Hehenberger,
Computerunterstützte Fertigung.
Springer, 2011
Drehbank
• Hauptwerkzeug:
Drehmeißel mit
Wendeschneidplatte
• Vorschub und Zustellung
(aus Datenblättern)
– Zu niedrige Werte
verhindern effektives
Zerspanen
– Zu hohe Werte kann die
Maschine nicht bearbeiten
Wendeschneideplatte
Fräse
Schaftfräser mit Schruppverzahnung
• Fräser ist kreisrund →
„Abrolllinie“ entlang
Außenkontur
• Stumpfe Ecken (>180°
Material) nicht möglich
→Durchmesser beachten
Foto: Wikipedia
Ausfräsen eines Sterns
• d
Einfräsen eines sternförmigen Lochs
• 3
Additive Fertigungsverfahren
• 1984: Charles W. Hull: Stereolithographie
• 1987: Carl Deckard, Joseph Beaman:
Selektives Laser Sintern
• Material: bis Stahl
– Im FabLab: PLA und ABS
Laminated Object Manufacturing
(LOM) (1/2)
• „Schneideverfahren“ mit „Schichtenverkleben“
• Schichtdicke: eine bis mehrere Blatt Papier
• Adaptives
Verfahren
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Folienvorrat
Beheizte Walze
Laserstrahl
Umlenksystem
Laser
Schicht
Arbeitsplattform
Abfall
Foto: Wikipedia
Laminated Object Manufacturing
(LOM) (2/2)
Material: Folien aus Keramik, Kunststoff, Aluminium
Vorteile
• Keine chemische Reaktion
• Wenig innere Spannungen
Nachteile
• Mechanische Belastbarkeit variiert in
Abhängigkeit von Baurichtung
• Dünne Wandstärken schwierig (<2mm)
• Restmaterial (idR) nicht wiederverwendbar
SLS / SLM (1/4)
• Generatives Verfahren
• Selektives Lasersintern (SLS)
– Sintern: Pulvrige vermischte Stoffe werden durch
Erwärmung miteinander verbunden.
– Pulverkörner nur partiell aufgeschmolzen
• Selektives Laserschmelzen (SLM)
– Pulver ohne Zusatz eines Binders wird vollständig
aufgeschmolzen
SLS / SLM (2/4)
Foto:
Wikipedia
SLS / SLM (3/4)
Foto:
Wikipedia
SLS / SLM (4/4)
Material: „was der Laser schmelzen kann“
Vorteile
• Restmaterial wiederverwendbar
• Keine Stützstrukturen notwendig
• Höchste mechanische Belastbarkeit
• Baumaterial günstig
Nachteile
• Raue Oberfläche (granulares Pulver)
• Teilweise hoher Nachbearbeitungsaufwand
• Materialabhängig können giftige Gase entstehen
• Hoher Anschaffungspreis
Stereolithographie (SLA) (1/2)
• Generatives Verfahren
Foto: Wikipedia
Stereolithographie (SLA) (2/2)
Material: lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer)
Vorteile
• Sehr genau (10μm)
• Sehr schnell
Nachteile
• Nur photosensitive Materialien verwendbar
• Stützstrukturen notwendig
• Nachbelichtung notwendig
• Giftige Gase entstehen
• Bauteile brüchig und porös
Fused Deposition Modeling (FDM)
(1/4)
• Additives Verfahren
• Schmelzschichtung
Oder auch
• Fused Filament Fabrication (FFF)
• Plastic Jet Printing (PJP)
Foto: Wikipedia
Fused Deposition Modeling (FDM)
(2/4)
• Technologie erlaubt mehreren Materialien
• Idee: Stützstruktur aus weicherem Material oder
auswaschbar
Meist nur ein
Material
Fused Deposition Modeling (FDM)
(3/4)
Vorteile
• Geringer Anschaffungspreis
• „Bürotauglich“
• Stützmaterial auswaschbar (selten)
Nachteile
• Für sehr kleine, komplexe Geometrien ungeeignet
• Stützstrukturen notwendig
• Schlechtere Oberfläche
• Bedingte Belastbarkeit
• Materialkosten verhältnismäßig hoch
Fused Deposition Modeling (FDM)
Filament (4/4)
• Wärmezufuhr verformbare Kunststoffe (Thermoplaste)
• PLA
– Polylactide, die auch Polymilchsäuren
– Biologisch abbaubar
– Verarbeitungstemperatur 190°C
• ABS
– Acrylnitril-Butadien-Styrol
– Verarbeitungstemperatur 220°C
– Langlebiger und stabiler als PLA, Druck schwieriger
• NinjaFlex
– Thermoplastische Elastomere (TPE)
Weitere Additive Verfahren
• 3D-Printing (3DP)
• Poly-Jet Modeling (MJM)
• ...
Beispiel: Luft- und Raumfahrt
• Airbus A380 Teil
• Titan + DMLS
(SLS mit 200Watt Laser)
• Technologie entwickelt
von EOS in München
• Billiger
• Leichter
• Mehr Design Freiheit
Foto: EADS
Beispiel: „Magic Arms“
Emma mit 2 Jahren
Foto: Youtube
Weitere Beispiele
• Prototypen Entwicklung
• Medizintechnik
– Organe
– Zahnkronen
– Prothesen
• Lebensmittel (Digitale Küche)
• ...
Demo Time (Dos and Don‘ts)
Wie drucken?
Demo Time (Dos and Don‘ts)
CAM
Demo Time (Dos and Don‘ts)
Schlecht
Keine gute Idee
Gut
Am stabilsten
Demo Time (Dos and Don‘ts)
Wenn überhängend drucken dann so
CAM Simulator
CAM Simulator
Stützstruktur
Nächstes mal bei DIY
• Elektronik

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