DIY

1. 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. 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 • 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

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) • Koordinatentransformationund Skalierung Delta XYZ 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. 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 mitWendeschneidplatte • Vorschub und Zustellung(aus Datenblättern) • Zu niedrige Werte verhindern effektives Zerspanen • Zu hohe Werte kann die Maschine nicht bearbeiten Wendeschneideplatte

16. Fräse Schaftfräser mit Schruppverzahnung • Fräser ist kreisrund → „Abrolllinie“ entlang Außenkontur • Stumpfe Ecken (>180° Material) nicht möglich →Durchmesser beachten Foto: Wikipedia

17. Ausfräsen eines Sterns • d

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. LaminatedObject Manufacturing (LOM) (1/2) • Folienvorrat • Beheizte Walze • Laserstrahl • Umlenksystem • Laser • Schicht • Arbeitsplattform • Abfall • „Schneideverfahren“ mit „Schichtenverkleben“ • Schichtdicke: eine bis mehrere Blatt Papier • Adaptives Verfahren Foto: Wikipedia

21. LaminatedObjectManufacturing (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“ Foto: Youtube Emma mit 2 Jahren

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

36. Demo Time (Dos andDon‘ts) Wie drucken?

37. Demo Time (Dos andDon‘ts) CAM

38. Demo Time (Dos andDon‘ts) Schlecht Gut Keine gute Idee Am stabilsten

39. Demo Time (Dos andDon‘ts) Wenn überhängend drucken dann so

40. CAM Simulator

41. CAM Simulator

42. Stützstruktur

43. Nächstes mal bei DIY • Elektronik