Personal Fabrication Mechanik

Präsentation zum Thema: "Personal Fabrication Mechanik"—  Präsentation transkript:

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

2 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

3 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

4 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:

5 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

6 Geometriedaten Verarbeitung
G-Code: Pfad der Werkzeugspitze (≠ Achsen der Maschine) Koordinatentransformation und Skalierung XYZ Delta Wikipedia Thingiverse

7 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

8 -- 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 --

9 Bahnplanung (3/4) Beschleunigungsrampe: Geschwindigkeit linear anpassen Problem: Ruck (mechanische Schwingung) Bild: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006

10 Bahnplanung (4/4) s: Strecke v: Geschwindigkeit = s‘
a: Beschleunigung = s‘‘ r: Ruck = s‘‘‘ Bild: Weck: Werkzeugmaschinen Band 4, Springer-Verlag 2006

11 Bahnplanung: Look Ahead
„Vorausschauendes Fahren“ Nicht an jedem Punkt komplett stoppen Verrunden der Ecken (erlaubte Toleranz) Schneller G64 G61: (Punkt zu Punkt)

12 Interpolation / Antrieb
Schrittmotor / Servo Ansteuerung (Pulse) Vor- und Nachteile Später im Elektronik-Kapitel

13 Subtraktive Fertigungsverfahren
CNC seit 1960 Fräse (im FabLab) 585x350x180mm Drehen (im FabLab) Durchmesser 100mm Material: bis Stahl Schwierigkeit: hoch Foto: FabLab

14 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

15 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

16 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

17 Ausfräsen eines Sterns
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18 Einfräsen eines sternförmigen Lochs
3

19 Additive Fertigungsverfahren
1984: Charles W. Hull: Stereolithographie 1987: Carl Deckard, Joseph Beaman: Selektives Laser Sintern Material: bis Stahl Im FabLab: PLA und ABS

20 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

21 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

22 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

23 SLS / SLM (2/4) Foto: Wikipedia

24 SLS / SLM (3/4) Foto: Wikipedia

25 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

26 Stereolithographie (SLA) (1/2)
Generatives Verfahren Foto: Wikipedia

27 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

28 Fused Deposition Modeling (FDM) (1/4)
Additives Verfahren Schmelzschichtung Oder auch Fused Filament Fabrication (FFF) Plastic Jet Printing (PJP) Foto: Wikipedia

29 Fused Deposition Modeling (FDM) (2/4)
Technologie erlaubt mehreren Materialien Idee: Stützstruktur aus weicherem Material oder auswaschbar Meist nur ein Material

30 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

31 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)

32 Weitere Additive Verfahren
3D-Printing (3DP) Poly-Jet Modeling (MJM) ...

33 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

34 Beispiel: „Magic Arms“
Emma mit 2 Jahren Foto: Youtube

35 Weitere Beispiele Prototypen Entwicklung Medizintechnik
Organe Zahnkronen Prothesen Lebensmittel (Digitale Küche) ...

36 Demo Time (Dos and Don‘ts)
Wie drucken?

37 Demo Time (Dos and Don‘ts)
CAM

38 Demo Time (Dos and Don‘ts)
Schlecht Gut Keine gute Idee Am stabilsten

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

40 CAM Simulator

41 CAM Simulator

42 Stützstruktur

43 Nächstes mal bei DIY Elektronik