Projekt 3D-Drucker – Spannedes über den Kunststoff PLA

Dieser Artikel ist Teil 12 von 14 aus der Projekt-Serie DIY 3D-Drucker

Auf der Suche nach Informationen über den 3D-Drucker Kunststoff wurde schnell klar, dass meist ABS-Kunststoff (wie z.B. bei Legobasteinen) oder PLA-Kunststoff zum Einsatz kommen.

PLA ist hier besonderst interessant!

Zitat aus der Wikipedia:

Polylactide, umgangssprachlich auch Polymilchsäuren (kurz PLA, vom englischen Wort polylactic acid) genannt, sind synthetische Polymere, die zu den Polyestern zählen. Sie sind aus vielen, chemisch aneinander gebundenenMilchsäuremolekülen aufgebaut. Daher ist die Bezeichnung Polymilchsäure nach IUPAC-Nomenklatur irreführend, da es sich nicht um ein Polymer mit mehreren sauren Gruppen handelt.[3] Polylactide und Polymilchsäuren werden durch unterschiedliche Verfahren erzeugt.[4]

Aus PLA können durch Wärmezufuhr verformbare Kunststoffe (Thermoplaste) hergestellt werden. Polylactid-Kunststoffe sind biokompatibel.

Spannend! Gedruckt wird bei diesem Kunststoff also mit einer Menge Milchsäuremolekühlen! PLA ist biologisch abbaubar.

Einer der wichtigsten Anwendungsbereiche dürfte derzeit die medizinische Anwendung sein. PLA steht auf Grund seiner Abbaubarkeit und seiner Biokompatibilität für zahlreiche Anwendungen zur Verfügung. Die Fähigkeit des menschlichen Körpers, PLA abzubauen, wurde bereits 1966 das erste Mal beobachtet.

Der Recycling-Code für Polylactide ist 07 („others“, also „andere“ als 01-06).

So sieht eine Rolle PLA-Filament für den 3D-Drucker aus. Kunststoffe für den 3D-Druck gibt es in vielen verschiedenen Farben.

 

Projekt 3D-Drucker – Die Software und der erste 3D-Druck

Dieser Artikel ist Teil 11 von 14 aus der Projekt-Serie DIY 3D-Drucker

Nun ist es geschafft, der 3D-Drucker ist aufgebaut und wartet nur darauf in Betrieb genommen zu werden. Das Ganze sollte relativ einfach von der Hand gehen. Drucker mit Strom versorgen, per USB an den PC anschließen, Software drauf – und los geht’s. Mal schauen, ob sich die Theorie auch genauso in die Praxis umsetzen lässt.

Schritt 1 – Drucker mit Strom versorgen und kalibrieren

Das klappt schon ganz gut. Die Steuerelektronik initialisiert und das Display zeigt den aktuellen Status des Druckers.

Auf dem Display werden erst mal die Ist- und Solltemperatur des Heizbetts und der Extruder-Düse sowie die Lüfter-Geschwindigkeit und die eingestellte Druckgeschwindigkeit angezeigt.

Als nächstes muss die Druckplatte kalibriert und präzise auf die korrekte Höhe eingestellt werden. Dazu wird die Platte an allen vier Ecken in relativ zur Druckdüse vermessen und eingestellt. Der genaue Prozess wird in einem separaten Artikel beschrieben.

Nachdem alle Einstellungen gemacht sind, kommen wir zum Thema Software.

Schritt 2 – Die Software

Für den ersten Test kommt die Software „Cura“ zum Einsatz. Dankenswerter Weise ist diese Software OpenSource und wird auf GitHub zur freien Verfügung bereitgestellt. Hier der Link: https://github.com/Ultimaker/Cura

Immer wieder ist es eine Freude, dass Community-Software einfach die Beste ist! Ein Hoch auf alle Communities, die auf GitHub hervorragende Software für Jedermann entwickeln! „Liebe Software-User, wenn ihr könnt, dann beteiligt Euch an solchen Projekten!“

Die zum Zeitpunkt der Veröffentlichung des Artikels aktuellste Version von Cura ist 2.5.0.

Ruck-zuck ist die Software heruntergeladen uns installiert. Da das Thema „Ansteuerung von Hardware“ der CNC-Fräsmaschine noch nicht allzu lange her ist, sollte der Umgang mit entsprechender Software eines 3D-Druckers kein Problem sein. Fürs erste soll es der Druck eines fertigen 3D-Modells sein. Das Modellieren eigener 3D-Modelle benötigt noch Zeit und Erfahrung. Dazu wird auch eine andere Software verwendet. Cura ist keine 3D-Modellierungssoftware sondern ein G-Code-Interpreter für den Transport der 3D-Modell-Daten in Richtung Drucker.

Hier ein Screenshot von Cura bei der Arbeit:

Ein wenig Zeit benötigt es schon, bis man sich durch alle Funktionalitäten uns Einstellungen durchgewurstelt hat. Anfangs kam auch keine Verbindung zum Drucker über USB zustande, was doch sehr verwundert hat. Die Lösung ergaben zwei kleine Pytonscript-Dateien, welche in einem Forum zu finden waren. Falls noch jemand ein Problem mit Cura 2.x und der USB-Verbindung haben sollte, dann gibt es hier die beiden Dateien zur Lösung.

Download: USBPrinting

Zip-Datei mit 2 angepassten Python Dateien, welche die erforderlichen Änderungen enthalten. Um die Änderungen zu aktivieren, müssen diese nach „C:\Program Files\Cura 2.5\plugins\USBPrinting“ (Pfad anpassen!) kopiert und die Original-Dateien ersetzt werden. Danach ist ein Cura Neustart erforderlich.

Die Änderungen im Einzelnen (zu erkennen an „#xx“):

Datei: USBPrinterOutputDeviceManager.py
– In der Windows-Registry wird nach USB-Geräten gesucht, die ein „USBSER“ im Namen haben (Zeile 267).

Datei: USBPrinterOutputDevice.py
– Das Testen mit der Programmer-Software ab Zeile 300 führt zum sofortigen Abbruch aller folgenden Versuche, die Serielle Schnittstelle zu öffnen. Daher auskommentiert.

An dieser Stelle: Danke für den Tipp an den Forenuser Drucki.

Problem gelöst, es geht weiter…

Schritt 3 – Das erste 3D-Modell

Für den ersten Testdruck wurde ein Zahnrad ausgewählt. Als 3D-Modell in Cura sieht das dann so aus:

Gespannt, ob der erste Druck funktionieren würde, kam es also zum finalen Klick auf „Über USB drucken“ und siehe da, der Drucker heizt zuerst die Druckplatte und danach die Extruderdüse auf. Im Test mit PLA-Kunststoff ist die Druckplatte auf 55°C und die Druckdüse auf 195°C eingestellt.

Erfolgserlebnis? Fehlgeschlagen!

Der erste Druck hat nicht wirklich funktioniert. Der Kunststoff wurde nach dem Austritt aus der Düse frei herumgewirbelt. Der Grund: Die Druckplatte war einfach nicht gut genug kalibriert. Lösung: Neu kalibrieren.

Test 2: Druckplatte neu kalibriert und siehe da, es funktioniert! Nach ca. einer Stunde war ein Zahnrad geboren! Für den ersten 3D-Druck bin ich mit dem Ergebnis und der Druckqualität sehr zufrieden. PLA-Kunststoff ist im abgekühlten Zustand ein harter, stabiler Kunststoff.

Bild: Die ersten Minuten des ersten 3D-Drucks
Bild: Einige Zeit später… Es lässt sich erkennen, was hier gedruckt wird.
Bild: An den Führungsschienen ist zu erkennen, dass dem Drucker etwas Maschinenfett gespendet wurde. Die Drucklautstärke und die Präzision werden es danken.

Schritt 4: Ergebnispräsentation

Hier das Ergebnis. Ein schickes, stabiles Zahnrad:

Demnächst geht es weiter, der nächste Druck ist bereits in Arbeit.

Folgende Themen wollen in weiteren Artikeln noch genauer betrachtet werden:

  • Kalibrieren des Druckbetts
  • Optimieren des Druckers mit ein paar Hardware-Hacks
  • Optimierung der Druckplatte (Haftung von Kunststoff)
  • Einarbeitung in das Selbst-Modellieren von 3D-Objekten

Bis bald!

Projekt 3D-Drucker – Der Zusammenbau Part 3/3

Dieser Artikel ist Teil 10 von 14 aus der Projekt-Serie DIY 3D-Drucker

Der Aufbau des 3D-Drucker ist weitgehend abgeschlossen. Als nächstes werden die elektrischen Verbindungen umgesetzt.

Das Bild zeigt die mechanische Montage der Steuerplatine.

Als Stromversorgung dient ein starkes 20 Ampere 12V Schaltnetzteil. Die Leistung wird für die Heizelemente (Druckplatte und Druckdüse) benötigt. Ebenso werden die 4 Schrittmotoren damit ordentlich mit Saft (ca. 2A pro Motor) versorgt.

 

Beim Anschluss der Zuleitung (230V) ist darauf zu achten, dass die Isolierungen nicht untergeklemmt werden und damit ein Übergangswiderstand entstehen könnte. Die Schrauben dürfen ruhig ordentlich fest gedreht werden! 

Für die Versorgung der Elektrik wird nur einer der 3 möglichen Spannungsausgänge benötigt. 12V Masse (-) und 12V VCC (+).

Montiert sieht das Netzteil dann wie folgt aus. Ganz schön groß, die Powerversorgung!

Apropos: Während dieser Artikel gerade noch verfasst wird, passiert nebenan auf dem Labortisch schon faszinierendes! Der erste 3D-Druck! Verrückt, das funktioniert tatsächlich! Zu den ersten Erfahrungen als 3D-Drucker mehr im nächsten Artikel!

 

Bis bald!

Projekt 3D-Drucker – Der Zusammenbau Part 2/3

Dieser Artikel ist Teil 9 von 14 aus der Projekt-Serie DIY 3D-Drucker

Kommen wir zur Halterung für den Motorflansch. Diese werden wie die zuvor beschriebenen Kunststoffteile mit 18x3mm Gewindeschrauben und der passenden Mutter montiert. Die Motoren selbst werden mit M4x12mm Schrauben befestigt.

Fertig aufgebaut sehen die Halterungen dann so aus. Diese beiden Halterungen (mit Motor) sind für die Z-Achse und werden jeweils auf der linken und rechten Seite des Druckers verbaut (Motor Z1 und Motor Z2). Eine Eigenschaft von Schrittmotoren ist ihre hervorragende Präzision. Durch die Synchronisierung der beiden Motoren kann die linke und rechte Seite der Z-Achse präzise, ohne Verkanten gesteuert werden.

Motorflansch auf der rechten Seite des 3D-Druckers.

 

Von unten sieht die aktuelle Gesamtkonstruktion außerdem so aus. Noch einmal aufgeführt: Gewindestangen, Linearschienen, Linearführungen, Druck- und Heizbett.

Inzwischen ist der Aufbau der mechanischen Teile schon geübt und kann mit dem Aufbau des Führungsschlittens der Z-Achse bzw. dem Aufnehmer der X-Achse fortgesetzt werden.

Die Führungsschienen der Y-Achse werden (jeweils links und rechts) eingesetzt und durch den kleinen ovalen Kunststoffdeckel in Form gehalten.

Auf der linken Seite befindet sich am Führungsschlitten noch der Schrittmotor der X-Achse, welcher die X-Achse später über einen zweiten Zahnriemen antreibt.

Aktueller Stand des mechanischen Aufbaus:

Als nächstes wird die X-Achse mit Extruder und zwei Führungsschienen verabut.

Der Extruder lässt sich nun leicht auf der X-Achse verschieben. Der Extruderschlitten wird über einen Zahnriemen positioniert.

Kühllüfter zur Abkühlung des gedruckten Kunststoffs. Dieser kann später softwaretechnisch bei Bedarf dazu geschaltet und in der Geschwindigkeit verändert werden.

Auch die X-Achse erhält einen Endschalter zur späteren „einlernen“ der Position.

Hier ist die Druckdüse mit Heizelement im verbauten Zustand zu erkennen.

Der Aufbau des Druckers ist inzwischen recht weit fortgeschritten, sodass es Zeit wird das Display mit Bedieneinheit zu verbauten.

Bild vorher:

Bild nachher: Display, Drehencoder, Piezzo und Resettaste sitzen an Ort und Stelle.

Die Montage des Displays erfolgt in Sandwich Bauweise: Frontplatte, Display, Platine mit Bedienelementen, Befestigungsplatte.

Projekt 3D-Drucker – Der Zusammenbau Part 1/3

Dieser Artikel ist Teil 8 von 14 aus der Projekt-Serie DIY 3D-Drucker

Jetzt geht’s mit dem Aufbau des 3D-Druckers los!

Der Aufbau gestaltet sich simpel, jedoch zeitaufwändig. Die Kunststoffformteile werden über eine interessante Kombination aus 18x3mm Schrauben und 3mm Muttern zusammengehalten. Auch wenn diese Befestigungsmethode abenteuerlich aussieht, funktioniert der Aufbau damit recht gut.

18x3mm Gewindeschrauben mit passenden Muttern.

Die Motoren werden wegen ihrem Gewicht von zusätzlichen Kunststoffplatten bei der Montage unterstützt.

Selbstverständlich werden auch kleine Endschalter für das automatisch „Homing“ verbaut. Das Homing bewegt alle Achsen in „Minus-Richtung“, bis der Endschalter betätigt. Somit weiß der Drucker später, wo sich seine exakten Positionen der Achsen befinden.

Nach dem ersten Schritt sieht der Aufbau dann so aus.

Die Gewindestangen im Bild unten sind nicht als Laufspindeln gedacht, sondern als Stabilisierung der Edelstahl-Führungsschienen. Die Gewindestangen bilden letztendlich die Y-Achse ab.

Diese kleine Umlenkrolle wird später für die Aufnahme des Zahnriemens montiert.

Linearführungen für das Druckbett

Stück für Stück entsteht nun also tatsächlich ein 3D-Drucker. Hier zu sehen, die Grundfläche der Y-Achse mit Gewindestangen, Laufschienen und Linearführungen. Auf die Linearführungen wird später die Halterung für das Druckbett und das Druckbett montiert.

Nun kommt die Halterung für das Druckbett.

Als nächstes wird der Zahnriemen montiert und gespannt.

Der Zahnriemen wird mit der Halterung für das Druckbett verschraubt und sorgt später für die Bewegung der Y-Achse.

Das fertig montierte Druckbett sieht so aus. Die Feder mit Flügelschraube dient später für die Höhenjustierung des Druckbetts. Die Höhenjustierung ist sehr wichtig, um ein gutes Druckbild zu erhalten. Der Abstand zwischen Düse „Nozzle“ und Platte müssen exakt justiert sein.

Fertig montiertes Druckbett. Das Druckbett ist eine beheizbare Platte, welche die Y-Achse bildet.