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Pimp my 3D-Printer
Kursthemen
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Additive Fertigung
edu sharing objectDie üblichen 3D-Drucker, die wir kennen, zählen zu den Technologien der additiven Fertigung (Abbildung 1), bei denen ein fertiges Produkt aus der schichtweisen Auftragung von formlosem Material durch verschiedene Techniken entsteht. Die Materialien, die eingesetzt werden, sind nach Jahren der Entwicklung vielfältig. Nicht nur Kunststoffe, sondern auch pulverförmige Metalllegierungen, biologisches Material wie lebendige Zellen oder auch Keramiken werden in der Industrie heutzutage genutzt, um Fertigprodukte mit komplexeren Geometrien herzustellen, die anders nicht reproduzierbar sind. Manche sagen, dass 3D-Drucken eine neue industrielle Revolution mit sich brächte. Einige Felder, in denen diese Technologien angewendet werden, sind zum Beispiel: Medizin, Luft- und Raumfahrt, Automobil, und Energieindustrie.
Der eigentliche Prozess des 3D-Druckens startet mit dem Design von Objekten in CAD-Programmen (Computer-Aided-Design). Damit der Drucker die Geometrie in Schichten drucken kann, wird ihre Geometrie im CAD Programm durch Dreiecke approximiert, in einem Prozess, der „Tessellation“ genannt wird. Falls Du mehr Information um das Design von druckbaren 3D-Objekten finden möchtest, kannst Du dir diese Seiten anschauen:
- https://www.sculpteo.com/blog/category/3d-design-tips-software/
- https://all3dp.com/1/best-free-3d-printing-software-3d-printer-program/
Wir beschränken uns in unserer OER auf die 3D-Drucker, die mit Kunststoffen arbeiten, weil diese leichter zugänglich und günstiger sind. Eine der bekanntesten Technologien in diesem Bereich ist „Fused Filament Fabrication“ (FFF), auch “Fused deposition modelling” (FDM) genannt. Falls Du Interesse an anderen Technologien hast, können wir dir diese Seite empfehlen:
Beim „FFF“ wird ein drahtförmiger Kunststoff benutzt, der in auf eine Spule gewickelt ist. Dieses Filament wird durch einen Extruder kontinuierlich gefördert und gleichzeitig teilweise zum Schmelzen gebracht. Abschließend wird das Material durch eine Düse extrudiert und auf eine Platte oder einen Drucktisch aufgetragen. Die gedruckten Schichten kühlen ab und fangen an auszuhärten. Währenddessen wird neues Material aufgetragen. Manche Drucker sind zusätzlich mit Ventilatoren am Druckkopf ausgestattet, welche die Aushärtung beschleunigen und so die Druckzeit verringern. Auf diese Weise entsteht das dreidimensionale Objekt durch die wiederholte Auftragung von geschmolzenem Material. Abbildung 3 benennt die verschiedenen Teile im Druckkopf. Zu beachten ist, dass jede Druckermarke Unterschiede im Design der Teile hat.
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Der Mikrokontroller
edu sharing objectDie Düse und der ganze Druckkopf sind durch ein mechanisches System von Schrittmotoren und Riemenrädern beweglich. Aber woher weiß der 3D-Drucker, wie schnell und in welche Richtungen er den Druckkopf bewegen oder sogar auf welche Temperatur er das Filament bringen soll? Diese Aufgaben erfüllt ein Mikrokontroller, auf dem eine bestimmte Firmware läuft. Ein Beispiel für eine 3D-Drucker-Firmware ist „Marlin“, welche die Motoren, Heizpatrone, Lüfter, Thermistor (Temperatursensor) und weitere Sensoren und Aktoren kontrolliert. Marlin ist eine Open-Source-Firmware, die für das Gemeinschaftsprojekt „RepRap“ (replicating rapid prototyper) entwickelt wurde und über die Arduino Entwicklungsplattform konfiguriert werden kann. RepRap hat das Ziel, Maschinen zu entwickeln, die sich selbst replizieren und damit ohne eine ausgiebige Infrastruktur, komplexe Produkte herstellen können. Für mehr Informationen über RepRap besuche ihre Webseite:
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Schnittstelle in Marlin
edu sharing objectAufgrund des Open-Source-Quellcodes haben wir eine Schnittstelle in Marlin gefunden, über die wir mit dem Drucker kommunizieren können. Auf diese Weise haben wir den Drucker so konfiguriert, dass er ein Musikinstrument spielen kann. Die Software, mit der wir das geschafft haben, wird für dich in dieser OER frei zur Verfügung gestellt. Wenn Du mehr über Marlin und Arduino lernen möchtest, um deine eigenen Codes zu schreiben, kannst Du folgende Seiten besuchen:
- https://marlinfw.org/
- https://marlinfw.org/docs/configuration/configuration.html
- https://www.arduino.cc/en/Tutorial/HomePage
Damit der Drucker ein Musikinstrument spielen kann, muss man verstehen, wie sich der Druckkopf im Druckraum bewegt. Je nachdem, in welche Richtung die verschiedenen Teile sich bewegen und inwiefern die Bewegung eingeschränkt ist, werden 3D-Drucker anders klassifiziert. Bei dem von uns benutzten Drucker kann sich der Drucktisch in Z-Richtung (vertikal) bewegen und der Druckkopf nur in X-und Y-Achse (horizontale Ebene). Drucker dieses Typs heißen kartesische Drucker. Einen anderen Typ vertreten die polaren Drucker, bei denen der Drucktisch rund ist und er sich um einen bestimmten Winkelbereich dreht. Der Bewegungsmechanismus der Drucker des “Delta”-Typs ist viel komplizierter, was die Flexibilität dieser Drucker begünstigt. Wenn Du dir nicht sicher bist, ob dein Drucker kartesisch ist oder nicht, kannst Du unter dieser Seite alle Druckertypen und Beispiele finden:
https://3dsourced.com/3d-printers/types-of-fdm-3d-printer-cartesian-delta/
Die Software, die wir dir in diesem OER vorstellen werden, wurde bisher bei kartesischen Druckern getestet. Es kann sein, dass Du bei einem anderen Druckertyp die Software ändern musst.
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