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 (Stand: Ende 2014). 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.

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:

Und wie sieht das Ergebnis aus?

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:

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.

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:

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.

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.

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.

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 erreicht werden:

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.

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!
 

Neues Druckbett

Das Original-Druckbett des K8200 ist eine einfache, geätzte Leiterplatte aus glasfaserverstärktem Epoxydharz (FR3). Wie weiter oben beschrieben ist diese recht biegbar, und wölbt sich zusätzlich im Betrieb, wenn das Druckbett erwärmt wird.
Bisher habe ich mich mit einer Glasscheibe beholfen, welche mit eine Buildtak Folie beklebt und mit Klammern fixiert wurde (siehe Bild gleich oberhalb).
Dadurch ist das Druckbett immer exakt plan und die Teile haften sehr gut.
Oder besser gesagt: Die Teile haften teilweise zu gut und lassen sich kaum entfernen.

Die Firma Buildtak hat auch für dieses Problem eine Lösung gefunden:
Das System nennt der Hersteller FlexPlate System und besteht aus drei Teilen. Auf dem Druckbett wird eine dünne magnetische Platte fest verklebt. Die Buildtak Folie wird nun auf einem dünnen, flexiblen Metallblech geklebt. Dieses haftet jetzt magnetisch auf dem Druckbett und lässt sich einfach wieder nach Druckende entfernen. Da das Blech flexibel ist, lassen sich die gedruckten Teile ganz einfach durch leichtes Biegen des Bleches ablösen - also genau was ich gesucht habe.

Leider tritt hierbei beim K8200 das Problem mit dem gewölbtem Original-Druckbett wieder in Erscheinung, wenn ich auf die Glasplatte verzichte.
Ein Möglichkeit wäre also folgende Anordnung gewesen:

Das waren mir aber doch zu viele Schichten, was zu instabil und gebastelt und zudem dem Wärmefluss nicht gerade zuträglich gewesen wäre. Ich habe mich deshalb entschieden, das Druckbett auszutauschen.
Ein geeigneter Ersatz ist das MK2B-Aluminium Druckbett, wie es für RepRap Drucker angeboten wird. Dieses kann an 12V oder 24V Systeme angeschlossen werden. Ich hatte ja die Heizung schon früher auf 24V umgebaut, elektrisch passt es also.

Der Umbau ist recht einfach: Das Original-Druckbett wird abgeschraubt und die Litzen für Heizung und Thermostat abgelötet. Für die Befestigung des MK2B müssen neue Befestigungslöcher in der Alu-Trägerplatte des K8200 gebohrt werden. Mittig wird zudem ein weiteres Loch (ca. 8mm) für den neuen Thermostaten benötigt. Der mitgelieferte Thermostat des MK2B hat wie beim K8200 einen Widerstandswert von 100kOhm und wird von unten eingeklebt (Epoxy Kleber). Die Litzen für die Heizung und des Thermostaten werden am MK2B angelötet, wobei die Thermostat Litzen verlängert werden müssen. Anschliessend wird die ganze Einheit am K8200 verschraubt.

Nach erfolgreichem Test des neuen Heizbettes wird die Buildtak Basisplatte auf den MK2B geklebt.
Die Buildtak Kunststoff-Folie wird auf das FlexPlate geklebt und zusammen auf der Basisplatte positioniert.
Die Z-Achse muss nun neu justiert werden, danach kann mit dem ersten Testdruck begonnen werden.
Bei mir hat der erste Druck perfekt funktioniert.

Dieser Umbau ist sehr empfehlenswert. Gegenüber dem K8200 im Originalzustand ergeben sich folgende Vorteile:

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.