Personal Fabrication Mechanik DIY Personal Fabrication Mechanik `` Juergen Eckert – Informatik 7

Letztes mal bei DIY CAM → CNC G-Code (uralte Lochstrafen Sprache) 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) Foto: Wikipedia

CNC-Steuerung (1/2) Zeitunkritisch Zeitkritisch Steuerbefehle einlesen Bild nach: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006 CNC-Steuerung (1/2) Steuerbefehle einlesen G-Code Geometriedaten verarbeiten (Koordinatentransformation) Bahnplanung (Geschwindigkeitsführung) Zeitunkritisch FIFO-Puffer Zeitkritisch Interpolation (Zwischenpunkte berechnen) 1ms Antrieb / Extruder Synchrone Aktionen Timer Interrupts 100us

CNC-Steuerung (2/2) Controller Board Embedded System 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 XYZ Delta Wikipedia Thingiverse

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

-- Stark vereinfacht -- 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: Geschwindigkeit s: 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 P. Hehenberger, Computerunterstützte Fertigung. Springer, 2011 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

Drehbank Hauptwerkzeug: Drehmeißel mit Wendeschneidplatte 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 Schaftfräser mit Schruppverzahnung Fräser ist kreisrund → „Abrolllinie“ entlang Außenkontur Stumpfe Ecken (>180° Material) nicht möglich →Durchmesser beachten Foto: Wikipedia

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) „Schneideverfahren“ mit „Schichtenverkleben“ Schichtdicke: eine bis mehrere Blatt Papier Adaptives Verfahren Folienvorrat Beheizte Walze Laserstrahl Umlenksystem Laser Schicht Arbeitsplattform Abfall Foto: Wikipedia

Laminated Object Manufacturing (LOM) (2/2) Material: Folien aus Keramik, Kunststoff, Aluminium Vorteile Keine chemische Reaktion Wenig innere Spannungen Nachteile 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 günstig Nachteile 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 schnell Nachteile 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“ Emma mit 2 Jahren Foto: Youtube

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) Schlecht Gut Keine gute Idee Am stabilsten

Demo Time (Dos and Don‘ts) Wenn überhängend drucken dann so

CAM Simulator

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Stützstruktur

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