19.05.2017



   

 3D Drucker im Modellbau


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 3D Drucker im Modellbau
 

3D Drucker für die Modellbahn

Noch vor wenigen Jahren waren 3D-Drucker nur im professionellen Bereich angesiedelt. Grund hierfür waren die enorm hohen Kosten.
Mittlerweile sind nun viele Modelle auch für den Privatgebrauch erschwinglich. Die Preise bewegen sich dabei zwischen rund 350 und 3500 € (Stand November 2014).

Was können die Geräte?

3D Drucker sind - wie der Name bereits sagt - in der Lage, dreidimensionale Objekte herzustellen. Bei den erschwinglichen Druckern wird dabei ein Kunststoffdraht erhitzt und durch eine Düse Lage um Lage ein Objekt aufgebaut. Dazu wird die Platte, auf welchem das Objekt entsteht, in der X- und Y-Achse bewegt. Bei jeder neuen Lage bewegt sich die Düse etwas nach oben (Z-Achse).

Modelle

Mittlerweile sind viele ganz unterschiedliche Modelle für den Privatgebrauch erhältlich. Die meisten werden als Fertigmodelle angeboten, wie beispielsweite der MakerBot.


Foto: MakerBot

Einer der derzeit günstigsten 3D Drucker ist der Velleman K8200. Dieser wird als Bausatz geliefert.
Und so sieht das fertige Modell aus. Im Gegensatz zum MakerBot ist dieser Drucker als offene Rahmenbauweise aufgebaut.


Foto: Velleman

Aufbau des Druckers

Die meisten 3D-Drucker sind vom Prinzip her ähnlich aufgebaut. Beim Velleman Drucker wird das Druckbett in X- und Y-Richtung bewegt. Die Z-Achse wird mittels einer M8 Gewindestange bewegt. Die Druckdüse mit dem Extruder ist fest auf dem Querbalken der Z-Achse angebracht.

Hier sind die wesentlichen Teile des Druckers bezeichnet:

Zum Druckbeginn befindet sich die Düse knapp über dem Druckbett. Das Druckbett wird je nach verwendetem Material (PLA, ABS, Nylon) beheizt, bei PLA beispielsweise auf 50...60°C. Damit haftet das Objekt besser und kühlt nicht zu schnell aus, was zum verziehen des Objektes führen könnte.

Über die X- und Y-Achse wird das Druckbett bewegt. Gleichzeitig drückt der Extruder das runde Filament durch die bei PLA auf 190°C beheizte Düse (Hotend). Bei ABS beträgt die Temperatur circa 230°C.

Ist die erste Lage gedruckt, welche je nach Anwendung im Bereich von 0.1 bis 0.35mm Dicke liegt, bewegt sich die Z-Achse um eine Lagendicke nach oben. Nun wird die zweite Lage gedruckt, und so fort.

Der Lüfter kühlt dabei das gedruckte Filament (den Kunststoff) ab, was vor allem bei "Überhängen" von entscheidender Bedeutung ist.

Der K8200 Bausatz

Der Bausatz kommt in sehr vielen Einzelteilen daher, welche in einzelnen Säckchen - für jeden Bauschritt - abgepackt sind.

Ganz viele einzelne Beutel mit vielen Kleinteilen: so präsentiert sich der 3D Drucker  beim auspacken.

Zusammenbau

Die 765 seitige Bauanleitung muss von der Hersteller-Webseite herunter geladen werden. Die Anleitung ist sehr detailliert, obwohl bei der Übersetzung ins Deutsche ein paar kleine Fehler vorhanden sind. So heissen Muttern in der Anleitung Schrauben.
Der Zusammenbau gelingt ohne grössere Probleme, sofern das richtige Werkzeug vorhanden ist. Gute Erfahrung beim Löten ist angesagt, um die vielen Kabelverbindungen herzustellen. Hier hätte ich eine andere Vorgehensweise empfohlen.

Nach dem Zusammenbau des K8200 - wofür man rund 20 Stunden einkalkulieren sollte - geht es weiter mit der mechanischen und elektrischen Justierung der Maschine. Dies ist nicht ganz einfach, muss aber sehr sorgfältig durchgeführt werden. Für die mechanische Einstellung ist eine Fühlerlehre empfehlenswert. Die elektrische Kalibrierung erfordert ein präzises Voltmeter.

Teile aufbereiten und Drucken

Etwas unklar ist die Anleitung hinsichtlich der benötigten Software. Das Konzept ist für Laien nicht auf den ersten Blick offensichtlich. Deshalb gehe ich hier etwas näher darauf ein.

Damit ein Bauteil gedruckt werden kann, sind mehrere Computerprogramme notwendig.
Ganz grob kann man es so darstellen:

Bauteil zeichnen/erstellen
Hierzu wird ein 3D CAD Programm benötigt.
Ein mögliches Programm ist FreeCAD. Ein anderes ist AutoDesk 123D Design, welches ebenfalls kostenlos ist.

Nach dem erstellen des Objektes muss dieses als Mesh Format (.stl) exportiert werden.

Diese beiden Programme können kostenlos heruntergeladen werden.

Bauteil für den Drucker aufbereiten
Das erstellte 3D Objekt muss nun in einzelne "Scheiben" geschnitten werden. Jede Scheibe entspricht dabei eine zu druckende Schicht.
Hierfür wird das Programm Slic3r oder ein anderes Slicer Programm benötigt.
Hier wird die .stl Datei importiert.
Das Programm erzeugt aus der stl Datei die einzelnen Befehle für den spezifischen 3D Drucker, wie Steuerung der Temperatur, Geschwindigkeit und alle Bewegungen der X/Y/Z Achsen sowie des Extruders.
Dazu muss dieses Programm die Eigenschaften des Drucker kennen. Die Hersteller liefern hierzu für viele Drucker eine Konfigurations-Datei (.ini) welche importiert werden kann.
Die Drucker-Befehle werden in eine Datei als Format geschrieben, welche als GCode  von CNC Maschinen her bekannt ist.
Neben Slic3r hat sich vor allem auch Cura bewährt. Dieses bietet in der aktuellen Version (Stand Nov. 14) die besten Ergebnisse.
Drucker-Steuerung
Nun muss der Drucker auch noch angesteuert werden, d.h. die Motoren müssen sich bewegen, das Hot-End und Druckbett aufgeheizt werden usw.
Dazu dient das Programm RepetierHost.
Dieses Programm steuert alle Motoren entsprechend den Befehlen im GCode.
Dieses Programm steuert also den Drucker direkt an (meist über USB). Dabei kann der Drucker über diese Software auch manuell gesteuert werden. So können die Motoren bewegt werden, der Extruder (das ist die Düse bei welchem der flüssige Kunststoff austritt) aufgeheizt oder der Lüfter eingeschaltet werden.
Wenn Cura verwendet wird, kann das Teil direkt ausgedruckt werden. Cura kann sowohl die Datei "slicen" wie auch den Drucker ansteuern.

Und wie sieht das Ergebnis aus?

So sieht ein in FreeCAD gezeichnetes Teil aus.
Eine Servo-Halterung für Mini-Servos.
Und das macht der 3D Drucker daraus.
Hier mit montiertem Servo.

Probleme

Der 3D Drucker K8200 von Velleman hat einige Probleme. Es sollte einiges nachbearbeitet werden, was dank der offenen Bauform aber keine grösseren Schwierigkeiten bereitet.
Folgende Änderungen verbessern die Druckereigenschaften massgeblich:

bulletBett: dieses ist als Leiterplatte auf einem geschnittenen Alu Blech aufgeschraubt. Problem dabei: es ist nicht exakt plan. Eine Glasscheibe oder (von einigen empfohlen) ein IKEA Wandspiegel aufgeklebt ist absolut plan.
bulletX- und Y-Achse: diese haben zu viel Spiel und lassen sich kaum einstellen. Eine Vorrichtung zum Spannen des Zahnriemens fehlt und sollte nachträglich eingebaut werden.
bulletMontage der Motoren: Hier werden Winkel aus abgekantetem Alu Blech geliefert. Diese sind leider nicht genau 90°. Aus diesem Grund läuft der Zahnriemen auch nicht mittig im Zahnrad. Abhilfe: eigene Winkel selber ausdrucken (können im Internet herunter geladen werden).
bulletExtruder liefert kein Kunststoff: In meinem Fall hat der Extruder kein Kunststoff ausgegeben, obwohl - von Hand bewegt - der Kunststoff aus der Düse ausgetreten ist. Das Problem lag an der Einstellung des Motortreibers: die von Velleman genannten 425 mV Referenzspannung reichten nicht, der Motor hatte zu wenig Kraft und konnte das Material nicht transportieren. Eine Erhöhung auf 550 mV brachte den gewünschten Erfolg.

Bisher durchgeführte Verbesserungen

Im Bild des Servo-Halters oben erkennt man deutlich die "Rillen" bei den einzelnen Schichten. Um diese zu verringern habe ich folgende Änderungen an meinem Drucker vorgenommen:

Neue Motorhalterung für die X-Achse

Diese war ursprünglich ein einfacher, aus abgekantetem Alublech hergestellter Aluwinkel. Leider betrug der Winkel nicht exakt 90°, weshalb der Zahnriemen nicht mittig im Antriebsrad lag. Hier habe ich einen neuen Montagewinkel auf dem 3D-Drucker ausgedruckt.
Zudem habe ich den Zahnriemen und das Antriebsrad auf GT2 gewechselt.

Neue Halterung für den X Motor, neuer Zahnriemen (GT2) und Pulley. Daneben wurde der Zahnriemen mit einem Spanner versehen.

Noch besser: Zwei Riemen

Da der neue Riemen der X-Achse bei hohen Geschwindigkeiten zum Vibrieren neigte, habe ich mittlerweile die Konstruktion verfeinert. Jetzt wird die X-Achse über zwei GT2 Riemen bewegt:

Die neue Konstruktion mit zwei Zahnriemen für die X-Achse.

 

Verbesserungen an der Z-Achse

Trotz der Änderungen an der X-Achse wurde das Druckergebnis nur leicht besser. Das Problem lag bei der Z-Achse. Hier war die Motorwelle starr mit der M8 Gewindestange verbunden, welche für die Z-Bewegung zuständig ist. Da auch hier die Halterung des Motors und die Kupplung nicht sehr präzis ausgeführt waren, hat eine Drehung der Z-Achsenwelle jeweils den Extruder leicht verschoben.
Abhilfe war eine neue Halterung für den Z-Achsen-Motor sowie eine flexible Kupplung.

Erst die flexible Kupplung der Motorwelle (5mm) zur M8 Gewindestange (8mm) hat das Druckergebnis markant verbessert.
Der Motor der Z-Achse wurde ebenfalls mit einer neuen (ausgedruckten) Halterung montiert.
Daneben wurde auch eine neue Halterung für die Kalibrierung der Z-Achse ausgedruckt und montiert.

Mittlerweile hat der Hersteller (Velleman) das Problem mit der Z-Achse erkannt und bietet unter der Artikelnummer K8204 einen Umbausatz an. Darin enthalten ist eine Trapezspindel mit entsprechender Mutter, welche die M8 Gewindestange ersetzt, sowie eine flexible Kupplung.
Ich habe diesen Umbausatz bei meinem Drucker montiert und konnte damit das Druckergebnis nochmals deutlich verbessern.

Verbesserung des Spulenhalters

Die Filament-Spule wird im Originalzustand des Druckers einfach auf eine M6 Gewindestange gelegt. Je nach Ausführung der Spule dreht sie sich mal besser, mal schlechter, auf jeden Fall liegt eine mechanische Spannung auf dem Kunststoffdraht.

Ich habe konische Aufnahmen konstruiert, welche innen mit einem Kugellager versehen sind. Mit einem Handrad mit integrierter M6 Mutter werden die Aufnahmen mit der Spule dazwischen festgehalten.

Mit diesen Teilen dreht die Spule sehr leicht, dank den beiden Kugellagern, welche sich in den konischen Aufnahmen befinden. Die Teile wurden in FreeCAD gezeichnet und auf diesem Drucker ausgedruckt. Dank der konischen Form können alle handelsüblichen Rollen verwendet werden.

Heizbett mit höherer Spannung betreiben

Ein Kritikpunkt am K8200 ist die lange Aufwärmzeit des Heizbettes (das ist die Platte, worauf gedruckt wird). Beim Material PLA sollte diese auf rund 50 bis 60°C geheizt werden, damit das gedruckte Objekt gut haftet. Bei ABS muss die Heizplatte noch einiges wärmer sein.
Bis die erforderliche Temperatur erreicht wird, kann es im Originalzustand gut 20 Minuten (60°C) dauern, eine viel höhere Temperatur ist kaum möglich (max rund 70°C bei 25°C Umgebungstemperatur).

Ich habe hierfür eine separate Stromversorgung installiert, indem ich ein altes Laptop-Netzteil mit 19.5V Ausgangsspannung über ein MOSFET an das Heizbett angeschlossen habe. Das Signal zum Ein- und Ausschalten wird vom Heizbettausgang über einen Optokoppler geführt.

Damit wird die Leistung gegenüber dem Velleman Netzteil (15VDC) erheblich erhöht. Kurze Aufwärmzeiten sind nun möglich. Zudem können weit höhere Temperaturen von bis zu 90°C erreicht werden, was auch für ABS ausreicht.

Mit dieser kleinen Zusatzschaltung wird ein zweites Netzteil mit höherer Spannung an das Heizbett angeschlossen.
Der Betrieb ist problemlos, Rückwirkungen auf die Originalschaltung sind durch den Einsatz des Optokopplers ausgeschlossen.

In der Zwischenzeit habe ich das 19.5VDC Notebook Netzteil durch ein 24VDC Netzteil mit 90VA ersetzt, was nochmals eine schnellere Aufwärmzeit ermöglicht. Auch die maximal mögliche Temperatur hat sich erhöht. Ich habe das Heizbett damit schon auf Temperaturen über 110°C erhitzt.
Mit dem 24VDC Netzteil wird die Leistung am Druckbett gegenüber der Originalausführung rund verdreifacht. Das 24VDC Netzteil muss dementsprechend eine Leistung von mindestens 90VA liefern können, besser wären 100VA.

Und so sieht das Schema dazu aus:

Als MOSFET habe ich den IRLU8743PBF und als Optokoppler den SFH610A-1 verwendet.
(Beide bei Distrelec erhältlich: 60 54 21 MOSFET und 63 17 74 Optokoppler).

R4 und LED1 sind optional. Die LED leuchtet, wenn das Heizbett eingeschaltet ist.

Bitte beim Nachbau die Pin Anordnung beim Optokoppler beachten:


Anschluss der Schaltung:

X1:  Anschluss Heizbett
X2:  Anschluss 24VDC Netzteil. Polarität beachten!
X3:  Anschluss an den Controller-Ausgang des Heizbetts (Pin 2 und 4 bleiben leer)

 

Austausch des Hotends

Das bestehende Hotend funktioniert soweit recht gut, hat aber dennoch einige Nachteile. Ich habe mich deshalb entschlossen, das original Hotend durch ein Vollmetall-Hotend von E3D auszuwechseln. Folgende Verbesserungen sollten dadurch erfolgen:

bulletEinfacher Austausch der Düse. Das Original wird mit einer 0.5 mm Düse geliefert. Beim E3D sind verschiedene Düsen ab 0.25 mm erhältlich. Als Standard wird eine 0.4 mm Düse geliefert.
bulletEinfacherer Wechsel des Filaments: Bedingt durch die Konstruktion des Velleman Hotends mit langer Teflon Röhre wird das Filament auf einer langen Strecke warm und somit weich (teigig). Es klemmt dann im Hotend und lässt sich teilweise nur schwer herausziehen. Das E3D Hotend hat einen scharfen Übergang vom kalten zum heissen Bereich.
bulletBessere Druckqualität: Durch den scharfen Übergang vom kalten zum heissen Bereich topft die Düse nicht, nachdem das Filament wenige Millimeter zurückgezogen wird. Damit werden "Tropfen" und Unebenheiten an den Seiten des Druckobjektes weitgehend vermieden.
 
So sieht der neue Druckkopf (Hotend) von E3D montiert am K8200 Drucker aus. Die Heizpatrone wurde ohne Änderungen vom original Hotend übernommen.
Die Kunststoff-Aufnahme trägt einen 40 x 40 mm Lüfter zur Kühlung und wurde vorgängig ausgedruckt und natürlich vor dem Umbau auf Passgenauigkeit überprüft.
Die Montage erfolgt mit den Originalschrauben in den bestehenden Gewindenlöchern.
Der Lüfter sollte immer in Betrieb sein, wenn das Hotend warm oder heiss ist. Ich habe den Ventilator deshalb kurzerhand direkt an die Stromversorgung des Druckers (15VDC) angeschlossen. Der Ventilator läuft somit immer, sobald das Netzteil des Druckers eingeschaltet ist.

Wechselbares Druckbett mit BuildTak ®

Die von Velleman lieferbare Glasplatte habe ich nun mit einer BuildTak Folie versehen. Damit haftet praktisch jedes Filament problemlos.
Die Glasplatte wird mit Klammern am Druckbett befestigt. Da ich mehrere solche Glasplatten habe, kann nach erfolgtem Druck die Glasplatte einfach abgenommen, eine leere Glasplatte befestigt und sofort weiter gedruckt werden.

Auf diesem Druckbett hält alles:
Die mit BuildTak Folie beklebte, wechselbare Druckplatte.
Dank der Glasplatte ist das Druckbett absolut plan.

Neuer Extruder und Hotend

Nach einigen Jahren Betrieb mit dem K8200 und vielen vorgenommenen Verbesserungen habe ich mich entschlossen, auch den Extruder und das Hotend zu wechseln. Das Hotend hatte ich bereits gewechselt, und der Drucker hatte jahrelang ein E3D v4 Hotend, welches wesentlich besser als das originale Hotend war.
Der Extruder war aber immer noch ein original Teil.
Das Problem dabei: Das Filament hatte keine durchgehende Führung. Somit ergaben sich immer wieder Probleme beim Wechseln des Filaments - vor allem dann, wenn es brach. Zudem ist es mit dem Original-Extruder nicht möglich, flexibles Filement (z.B. Ninja-Flex) zu drucken. Flexibles Filament würde sich einfach im Extruder ausbreiten und nicht durch die Hotend Düse fliessen.
Das hat mich letztendlich dazu bewogen, mir den relativ neuen E3D Extruder "Titan" inklusive eines E3D v6 Hotends zuzulegen.

Schon vor einigen Monaten habe ich deshalb einen E3D Titan Extruder mit neuem Hotend bestellt und erhalten. Aber - da ich den 3D-Drucker regelmässig brauche - hatte ich die Umrüstung bisher nicht vorgenommen.
Aber dann passierte es wieder einmal: das Filament brach innerhalb der Extruder-Hotend Einheit. Nichts ging mehr. Ich hätte die gesamte Einheit auseinander nehmen müssen, um die gebrochenen Stücke entfernen zu können.
Bei dieser Gelegenheit kann ich ja auch gleich die neue Extruder-Hotend Einheit montieren!
Eine Montagevorrichtung hatte ich mir glücklicherweise schon vorher konstruiert und ausgedruckt.
Also, los gings!

Der Schrittmotor musste angeschlossen und die Drehrichtung kontrolliert werden (geht nur, wenn die Temperatur des Hotends hoch genug ist).
Ein neuer Thermostat wurde montiert und angeschlossen. Die aktive Kühlung mittels Ventilator wurde angeschlossen. Die Heizpatrone wurde dagegen vom vorhergehenden Hotend übernommen.
Die zuvor ausgedruckte Montagevorrichtung wurde natürlich vorgängig auf Passgenauigkeit überprüft.

Alles angeschlossen und getestet? Dann kann es losgehen. Die Z-Achse musste neu justiert werden, da das neue Hotend rund 15mm kürzer ist als das vorherige. Dabei wird der Druckbereich natürlich auch um 15mm in der Höhe erweitert!
In der Firmware wurden noch die Extruder-Schritte von 600 auf 418 reduziert, um dem neuen Extruder-Getriebe Rechnung zu tragen.

Und nun der erste Ausdruck:
Der erste Ausdruck war einfach nur perfekt!
 

Der K8200 mit neuem E3D Titan Extruder und E3D v6 Hotend. Sehr gute Ergebnisse!

Die Halterung kann als STL Datei auf der Download-Seite heruntergeladen werden.

Fazit

Im grossen und ganzen ist dieser Drucker absolut zu gebrauchen. Feineinstellungen und eigene Optimierungen sind aber notwendig für ein gutes Ergebnis. Das Velleman Forum für diesen Drucker ist voll von Ideen und Verbesserungsvorschlägen, welche zum Teil auch sehr einfach umzusetzen sind.
Das schöne daran ist, dass im Forum sehr viele begeisterte Anwender mit viel Erfahrung vertreten sind, welche die selbst konstruierten Teile zum Download bereitstellen oder bei Fragen gerne behilflich sind.

     

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Letzte Änderung:

20.05.2005
19.05.2017

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