Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

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charlyBrown
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Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von charlyBrown » 13.02.2016, 20:59

Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Alle an alle, die Lust haben, sich mein Projekt anzusehen:

1) Worum geht es?

Ich möchte einen 3D Drucker bauen, mit dem ich Zahnfüllungen drucken kann. Das Material wird mit einer Spritze ausgepresst. Es handelt sich um Material, das für die Anwendung im Mund zugelassen ist. Das Material fließt gut und ist lichthärtend.

Die kommerziellen Drucker, die im "Freizeit"-Bereich verfügbar sind, sind meiner Meinung nach nicht sehr präzise. Aus diesem Grund wollte ich einen Drucker bauen, der auf Grund er verwendeten Linearführungen genauer geführt ist.

Die Steuerung und Software soll mit den open source Lösungen realisiert werden.

2) Was ist das Problem?

Während bei Fräsen die Stabilität im Vordergrund steht (= schwere Konstruktion), ist bei Druckern das Ziel, eher leichte Führungen zu verwenden, da man dann rascher beschleunigen kann. Das Gewicht sollte nicht zu schwer sein, andererseits ist es bei der Größe meiner Objekte (ca. 20 x 20 x 10 mm^3) nicht so wichtig, die höchsten Geschwindigkeiten zu erreichen.

3) Zusätzliche "Erschwernis"

Da ich nicht weiss, ob der Drucker funktioniert, will ich die Bauteile nicht zu sehr in Richtung Drucker optimieren. Ich will die Lineareinheiten für andere Dinge weiter verwenden können.

4) Die Anforderungen:

Ich gehe von Objekten in der Größe von 2 cm in alle Raumrichtungen aus.
Ich möchte in der Größenordnung von 50 µm genau posititonieren können.
Ich möchte die Objekte leicht erreichen können (kein Gefummel, gute Zugängigkeit).

Aus diesem Grund habe ich an ein Volumen von 20 x 20 x 20 cm^3 als Raum gedacht, der mit den Lineareinheiten angesteuert werden können sollte.

5) Mein Lösungsansatz

Dieses Ziel wollte ich erreichen, indem ich drei identische Lineareinheiten konstruiert habe.

Diese habe so angeordnet, dass die y- und z-Achse an einem feststehenden Portal befestigt werden, die x-Achse bewegt sich unter dem Portal.

Um mir das Leben leichter zu machen, habe ich mich vorerst an den Katalog von Hiwin gehalten, da Hiwin ALLE Komponenten anbieten und auch sehr viele technische Details zu den einzelnen Komponenten verfügbar sind. Ich dachte zumindest, dass von von einem Hersteller als Komponenten zueinander passen würden.

Ausgesucht habe ich:

Bestandteile für eine Linearführung:
************************************

Kugelgewindetrieb und Zubehör:
==============================

Kugelumlaufmutter R16-05T3-FSIDIN (Umkugeln zu leichter Vorspannung)
HIWIN Kugelgewindespindel KSR16 x 5 R1T7 (Länge 320 mm)
Endenbearbeitung Hiwin-Typ:
- Festlagerseite E81-10
- Loslagerseite E10-10

Anmerkung: es gibt gerollte (FSC) und geschälte Spindeln (DEB). Geschält ist genauer. Aber auch etwas teurer.
Anmerkung: es gibt Spindel Typ iT7 = entspricht Type C7 im Fräsenkontext, iT5 entspricht C5 (ist genauer). Ich denke aber, dass für meine Fragestellung iT7 reichen dürfte.

Gehäuse für Flanschmutter GFD16
Festlager Stehlager EK10
Loslager Stehlager EF10

Linearführung und Zubehör:
==========================

Linearwagen HGH15CAZ0H: Hohe Blockausführung, pro Schiene 2 Stück
Linearschiene HGR15R (Länge 350 mm)

Anmerkung: der HGW ist kostengünstiger, aber die Kugeln sind in direktem Kontakt. Die QHW Wagen haben einen besseren Gleichlauf. Sie haben eine Kugelkette im Wagen. Die Kugeln werden auf Abstand gehalten, u.a. bessere Schmierung.


6) Meine momentanen Probleme

6.1. Das Gehäuse für die Flanschmutter ist 1 mm höher als die Stehlager, so dass ich dieses Gehäuse abfräsen müsste, wenn ich die Stehlager nicht auf "Podeste" stellen will. Im Moment habe ich die Lager auf 3 mm hohe Alu-Sockel gestellt (siehe Ansicht Lineareinheit von vorn).

6.2. Im Moment sind die Linearführungen bzgl. der vertikalen Abmessungen viel kleiner als die Kugelspindel.

In meinen Zeichnungen habe ich im Moment die Oberkanten der Linearwagen und des Gehäuses der Flanschmutter an der Spindel gleich hoch gemacht, da ich bei einem Misumi-Beispiel eines x-y-Tisches (IDEA Modell 0000031) gesehen hatte, dass die das genau so gemacht haben. Unter den Linearführungen ist bei Misumi ein "Vierkant/Rechteck"-Profil, auf das die Linearführungen montiert werden.

Diese Rechteckprofile habe ich in meiner aktuellen Konstruktion analog zu dieser Idee von Misumi gezeichnet.

Man könnte alternativ auch eine sehr dicke Aluplatte (z. B. 4 cm dick) als Ausgangspunkt nehmen und innen für die Spindel ausfräsen, dann müsste man die Vierkantführungen nicht anschrauben und könnte ein vom Lieferanten gefrästes Aluteil nehmen, so dass man die Linearführungen extrem präzise montieren könnte. Man muss halt viel Material zerspanen und man hat hinterher mehr Gewicht.

Alternativ könnten man die Linearführungen unten auf der Bodenplatte befestigen und die Platte, die die Wagen verbindet nach unten verlängern (auch ein Vierkantprofil aber viel kürzer).

6.3. Stabilität des Rahmens

Im Augenblick habe ich Isel PS50 Profile als Portal verwendet. Die Profile werden nur mit kurzen Winkeln auf der Bodenplatte befestigt.

Für einen Drucker sollte die Stabilität ausreichen. Sollte ich evtl. doch eine Spindel zum Fräsen montieren wollen, müsste die Stabilität verbessert werden.


Meine aktuelle Konstruktion dürfte die Vorgaben erfüllen. Überrascht hat mich, wie lang die einzelnen Lineareinheiten sind. Ich könnte zwar den Verfahrweg reduzieren, da das aber an den hohen Kosten für die Linearführungen, Wagen und Spindeln mit Mutter nicht viel ändern wird, wollte ich erst einmal die 20 cm in alle drei Richtungen beigehalten.

Überrascht hat mich, wie teuer das ganze wird. Die Kosten sind bei ca. 3000 €. Allerdings muss man sagen, dass die Kosten für Komponenten von Thorlabs ca. 3x höher ausfallen. Hinsichtlich der Kosten ist es übrigens kein spielentscheidender Unterschied, ob man zwei Linearführungen oder nur ein Linearführung pro Achse verwendet.

Bevor ich weiter nach kostengünstigeren Bezugsquellen suche, ohne Abstriche an die Genauigkeit machen zu wollen, wollte ich meine Lösung zur Diskussion stellen. Ich weiss, dass die Mechanik so simple ist, dass man nicht viel variieren kann. Vielleicht hat dennoch jemand eine geniale Idee, wie man das Ganze noch etwas eleganter lösen kann.

Ich würde mich über Vorschläge freuen.

Vielen Dank für Ihr Durchhaltevermögen, den langen Text zu lesen.

Viele Grüße

Karl-Heinz

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ahhk

Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von ahhk » 13.02.2016, 21:56

Hi,

mir erschließt sich der beschriebene Sinn nicht so ganz:
- Zahnfüllungen haben teilweise Hinterschneidungen - das gedruckte Objekt kann dann also nicht in das Loch gesetzt werden.
- Warum drucken, wenn das Zeug direkt ins Loch injiziert und dort gehärtet wird? Einfacher gehts doch nicht

Und wenn Du soetwas wie Zahnkronen meinst - die werden schon gefräst: https://www.youtube.com/watch?v=hz7PCKEDwBA. Hab ich selbst im Mund und konnte zuschauen, wie die Krone gefräst wurde....

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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von charlyBrown » 14.02.2016, 11:25

Hallo ahhk,

das Ganze hat schon seinen Grund.

Nur so viel: Fräsen kann man nur vorgefertigte Blöcke aus einer Farbe. Die Nachbearbeitung erfolgt händisch. Bei der additiven Formgebung kann man mehrfarbig arbeiten und so EXAKT die Zielfarbe in einem Arbeitsgang gestalten.

Es gibt auch noch biomechanische Argumente für die Verwendung von Kompositen anstelle von Keramiken.

Mit all diesen Werkstoffen bin ich seit 30 Jahren sehr vertraut. Alle Argumente aufzuzählen wäre daher eine längere Abhandlung ;)

Viele Grüße

Karl-Heinz

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Ziggs
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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von Ziggs » 14.02.2016, 12:31

charlyBrown hat geschrieben: Bild
Ich würde Z über 2 Spindeln (je eine links und rechts) am Portal bewegen. Dann muss auf X nicht die relativ selten bewegte Z Achse ständig mit bewegt werden und entlastet dadurch den X Stepper aufgrund deutlich weniger Masse extrem....

KarlG
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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von KarlG » 14.02.2016, 12:33

Hmmm - also ich würde das nicht so machen.
Der "Entwurf" ist nicht Fisch und nicht Fleisch - zum Fräsen nicht geeinget und zum Drucken auch nicht.

Ich würde eine sehr kleine spezialisierte Mechanik dafür entwerfen und wenn Du nicht sicher bist, dass das Verfahren überhaupt funktioniert, bau halt vorher eine brauchbare Fräse und probier das damit aus...

Gruss
Karl

charlyBrown
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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von charlyBrown » 14.02.2016, 12:46

Hallo Ziggs,

Dein Vorschlag entspricht einer häufig verwendeten Druckeranordnung.

Meine Bedenken waren, dass ich dann je eine Spindel links und rechts des Portalrahmen mit einem Schrittmotor bewegen muss. Bei einigen Druckern werden die beiden Motoren sogar nur von einem Treiber angesteuert.

Ich war mir nicht aber sicher, ob es problemlos möglich ist, die beiden Motoren synchron zu halten. Was passiert, wenn ein Motor mehr Schrittverluste akkumuliert als der andere?

@KarlG

Diese Anordnung wurde bei frühen ISEL Fräsen genauso gewählt. Ich kann nicht sofort erkennen, warum man damit nicht fräsen können sollte.

Für den Drucker das unterschiedliche Gewicht auf der x und y Achse ein mögliches Gegenargument.

Mir ist z. B. nicht klar, welchen Vorteil es z. B. hat, bei einer Fräse das ganze Portal zu bewegen, anstatt nur einer Achse unter dem Portal. Gibt es Literatur, in der man die Vor/Nachteile der möglichen Permutationen der Achsenanordnung diskutiert wird? Ich würde annehmen, dass man das im Maschinenbaustudien lernt, aber in den Grundlagenbüchern, die ich durchgeblättert habe, konnte ich nichts finden, das auf meine Fragestellung sofort passt.

Viele Grüße

Karl-Heinz

KarlG
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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von KarlG » 14.02.2016, 13:03

charlyBrown hat geschrieben:Ich war mir nicht aber sicher, ob es problemlos möglich ist, die beiden Motoren synchron zu halten.
Mit einigem Aufwand geht das schon; lohnt aber imho bei kleinen Maschinen nicht, weil man da die Ziele auch anderes erreichen kann.
Diese Anordnung wurde bei frühen ISEL Fräsen genauso gewählt. Ich kann nicht sofort erkennen, warum man damit nicht fräsen können sollte.
Sorry - ich mag das DIng jetzt nicht bis in alle Einzehelten zerlegen. Das lohnt nicht, weil schon der Entwurf imho nix taugt. Du hast eine menge Auskragungen und Schwachstellen eingebaut und an anderen Stellen dafür massiv geklotzt.
Mir ist z. B. nicht klar, welchen Vorteil es z. B. hat, bei einer Fräse das ganze Portal zu bewegen, anstatt nur einer Achse unter dem Portal.
Der Vorteil ist der Gewinn an Verfahrweg; der Nachteil die geringere Stabilität/Steifigkeit. Ja nach Anwendungsfall wird man eine Kröte schlucken müssen bzw. diese bestmöglich konstruktiv "umschiffen"... :D

..deine Konstruktion kombiniert nur die Nachteile!

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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von charlyBrown » 14.02.2016, 18:03

Hallo,

ich habe Ziggs Vorschlag in eine Zeichnung umgesetzt.

Auch hier habe ich mich, solange bis ich einen besseren Hinweis bekomme, an der Modulbauweise, wie ich sie im Misumi-Katalog gesehen habe und wie ich sie aus der Optik kenne, orientiert.

Das Portal habe ich nur deshalb mit PS50 Profilen realisiert, weil die Zeichnung schon da ist und ich ohnehin alles nochmal optimieren werde, sobald ich alle Vorschläge eingearbeitet habe. Der "Verstärkungswinkel" hinter dem Portalprofil ist im Moment eher eine Spielerei um zu zeigen, dass mir bewußt ist, dass das PS50 Profil nicht sehr stabil ist.

@Karl: Ich bin motiviert alle konkreten Vorschläge zu probieren und zu zeichnen. Vielleicht hast Du doch noch Lust ein paar Detailvorschläge zu ergänzen.

Der aktuelle Stand sieht so aus (siehe unten). Es ist bisher alles nur eine Prinzipskizze, wobei ich zu bedenken geben möchte, dass die vorgefertigten Komponenten die Möglichkeiten doch etwas einschränken. Mir gefallen die blauvioletten Unterleger unter den Schienen auch nicht. Aber die 16er Spindel ist mit den bei Hinwi verfügbaren Lagerblöcken und der massiven Gewindemutter einfach wesentlich höher als die Linearschienen.

Viele Grüße

Karl-Heinz

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Zuletzt geändert von charlyBrown am 14.02.2016, 20:50, insgesamt 2-mal geändert.

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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von Ziggs » 14.02.2016, 20:19

charlyBrown hat geschrieben: Bild
Sieht schon gut aus.
Bis auf die Linearführungen ist das im prinzip das hier :

http://www.ebay.de/itm/3D-Drucker-Bausa ... SwosFUXQFi

charlyBrown
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Re: Gedankenaustausch "Präziser 3D-Drucker"

Beitrag von charlyBrown » 15.02.2016, 06:50

Hallo,

wäre EINE "angetriebene Spindel" in der Mitte des Portals ein bessere Alternative als die beiden separat angetriebenen Spindeln rechts und links am Portalrahmen?

Viele Grüße

Karl-Heinz

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