diy personal fabrication mechanik juergen eckert – informatik 7
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DIY
Personal Fabrication
Mechanik
Juergen Eckert – Informatik 7
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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)
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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
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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
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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
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Geometriedaten Verarbeitung
• G-Code: Pfad der Werkzeugspitze (≠ Achsen der Maschine)
• Koordinatentransformation und Skalierung
Wikipedia Thingiverse
XYZ Delta
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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
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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 --
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Bahnplanung (3/4)
• Beschleunigungsrampe: Geschwindigkeit linear anpassen
• Problem: Ruck (mechanische Schwingung)
Bild: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006
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Bahnplanung (4/4)
s: Strecke
v: Geschwindigkeit = s‘
a: Beschleunigung = s‘‘
r: Ruck = s‘‘‘Bild: Weck: Werkzeugmaschinen
Band 4, Springer-Verlag 2006
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Bahnplanung: Look Ahead
• „Vorausschauendes Fahren“• Nicht an jedem Punkt komplett stoppen• Verrunden der Ecken (erlaubte Toleranz)
• Schneller• G64
G61:(Punkt zu Punkt)
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Interpolation / Antrieb
• Schrittmotor / Servo– Ansteuerung (Pulse)– Vor- und Nachteile
• Später im Elektronik-Kapitel
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Subtraktive Fertigungsverfahren
• CNC seit 1960• Fräse (im FabLab)– 585x350x180mm
• Drehen (im FabLab)– Durchmesser 100mm
• Material: bis Stahl
• Schwierigkeit: hoch
Foto: FabLab
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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
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Drehbank
• Hauptwerkzeug:Drehmeißel mitWendeschneidplatte
• Vorschub und Zustellung(aus Datenblättern)– Zu niedrige Werte
verhindern effektives Zerspanen
– Zu hohe Werte kann die Maschine nicht bearbeiten
Wendeschneideplatte
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Fräse
• Fräser ist kreisrund → „Abrolllinie“ entlang Außenkontur
• Stumpfe Ecken (>180° Material) nicht möglich
→Durchmesser beachten Foto: Wikipedia
Schaftfräser mit Schruppverzahnung
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Ausfräsen eines Sterns
• d
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Einfräsen eines sternförmigen Lochs
• 3
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Additive Fertigungsverfahren
• 1984: Charles W. Hull: Stereolithographie• 1987: Carl Deckard, Joseph Beaman:
Selektives Laser Sintern
• Material: bis Stahl– Im FabLab: PLA und ABS
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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
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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
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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
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SLS / SLM (2/4)
Foto:Wikipedia
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SLS / SLM (3/4)
Foto:Wikipedia
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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
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Stereolithographie (SLA) (1/2)
• Generatives Verfahren
Foto: Wikipedia
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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
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Fused Deposition Modeling (FDM) (1/4)
• Additives Verfahren• Schmelzschichtung
Oder auch• Fused Filament Fabrication (FFF)• Plastic Jet Printing (PJP)
Foto: Wikipedia
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Fused Deposition Modeling (FDM) (2/4)
• Technologie erlaubt mehreren Materialien• Idee: Stützstruktur aus weicherem Material oder
auswaschbar
Meist nur ein Material
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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
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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)
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Weitere Additive Verfahren
• 3D-Printing (3DP)• Poly-Jet Modeling (MJM)• ...
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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
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Beispiel: „Magic Arms“
Foto: YoutubeEmma mit 2 Jahren
![Page 35: DIY Personal Fabrication Mechanik Juergen Eckert – Informatik 7](https://reader036.vdocuments.us/reader036/viewer/2022062404/55204d8349795902118d7390/html5/thumbnails/35.jpg)
Weitere Beispiele
• Prototypen Entwicklung• Medizintechnik– Organe– Zahnkronen– Prothesen
• Lebensmittel (Digitale Küche)• ...
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Demo Time (Dos and Don‘ts)
Wie drucken?
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Demo Time (Dos and Don‘ts)
CAM
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Demo Time (Dos and Don‘ts)
Am stabilsten
Gut
Schlecht
Keine gute Idee
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Demo Time (Dos and Don‘ts)
Wenn überhängend drucken dann so
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CAM Simulator
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CAM Simulator
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Stützstruktur
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Nächstes mal bei DIY
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