DIY

Personal Fabrication

Mechanik

Juergen Eckert – Informatik 7

Letztes mal bei DIY

• CAM → CNC– G-Code (uralte Lochstrafen Sprache)

Foto: Wikipedia

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)

Steuerbefehle einlesen

Geometriedaten verarbeiten (Koordinatentransformation)

Bahnplanung(Geschwindigkeitsführung)

Interpolation(Zwischenpunkte berechnen)

Antrieb / ExtruderSynchrone Aktionen

ZeitunkritischFIFO-Puffer

Zeitkritisch

Timer Interrupts

1ms

100us

Bild nach: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006

CNC-Steuerung (1/2)G-Code

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)

Foto: 3Drag

Schnellere Interfaces bei teureren (32bit) Boards

Geometriedaten Verarbeitung

• G-Code: Pfad der Werkzeugspitze (≠ Achsen der Maschine)

• Koordinatentransformation und Skalierung

Wikipedia Thingiverse

XYZ Delta

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)↭

m: Bewegt Masse (const)F: Maximale Stellkraft (const, vereinfacht)v: Geschwindigkeits: Strecke

-- Stark vereinfacht --

Bahnplanung (3/4)

• Beschleunigungsrampe: Geschwindigkeit linear anpassen

• Problem: Ruck (mechanische Schwingung)

Bild: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006

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 mitWendeschneidplatte

• Vorschub und Zustellung(aus Datenblättern)– Zu niedrige Werte

verhindern effektives Zerspanen

– Zu hohe Werte kann die Maschine nicht bearbeiten

Wendeschneideplatte

Fräse

• Fräser ist kreisrund → „Abrolllinie“ entlang Außenkontur

• Stumpfe Ecken (>180° Material) nicht möglich

→Durchmesser beachten Foto: Wikipedia

Schaftfräser mit Schruppverzahnung

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)

1. Folienvorrat 2. Beheizte Walze 3. Laserstrahl4. Umlenksystem5. Laser6. Schicht7. Arbeitsplattform8. Abfall

Foto: Wikipedia

• „Schneideverfahren“ mit „Schichtenverkleben“• Schichtdicke: eine bis mehrere Blatt Papier• Adaptives

Verfahren

Laminated Object Manufacturing (LOM) (2/2)

Material: Folien aus Keramik, Kunststoff, AluminiumVorteile• Keine chemische Reaktion• Wenig innere SpannungenNachteile• 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 günstigNachteile• 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 schnellNachteile• 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“

Foto: YoutubeEmma mit 2 Jahren

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)

Am stabilsten

Gut

Schlecht

Keine gute Idee

Demo Time (Dos and Don‘ts)

Wenn überhängend drucken dann so

CAM Simulator

CAM Simulator

Stützstruktur

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