5 Achs 3D-Drucker für 90 Grad Overhangs

Hallo allerseits,

ich diskutiere gerade im englischen Developer-Forum (Link dorthin) über die Möglichkeiten, größere Overhangs (viel mehr als 45-50 Grad) zu schaffen. Es hat sich herausgestellt, dass dafür ein 4- oder 5 Achs 3D-Drucker notwendig ist. Wenn man einmal davon absieht, dass man auch das Druckbett neigen kann, dann ist wohl das einfachste/sinnvollste, den Extruder (bzw. die Nozzle) zu neigen. Abgesehen davon, dass man damit Overhangs mit bis zu 90 Grad realisieren könnte, kann man die Druckqualität an der Oberfläche bei kleinen Winkeln steigern, indem man das Hotend einfach normal zur Oberfläche hält!

Weil ich kein entsprechendes Projekt zu diesem Thema gefunden habe werde ich mich nun an den Bau einer solchen Konstruktion für ein rotierenes Druckbett machen (da reichen dann nämlich schon 4 Freiheitsgrade für die meisten Anwendungsfälle). Da ich leider kein Maschinenbauer bin, freue ich mich über jeden Input von euch! Ich werde euch natürlich (vorzugsweise in dem englischen Thread) über den Fortschritt auf dem Laufenden halten.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 10.01.14 11:04.

Aktuell steht gerade die Entscheidung an, welche der 3 geposteten Varianten ich realisieren soll. Ich tendiere sehr stark zu der Variante 3 mit gedrucken Gleitlagern und Führungen aus PLA, eventuell gewachst um die Gleitreibung zu verringern. Angesteuert werden soll das ganze mit einem (oder ev. 2) Modellbauservos Graupner DES 707 (das sollte mit 300Ncm Haltekraft wohl hoffentlich ausreichend sein), einem Alu-Helbel und einem T-Stück, an dem dann die beiden Streben links und rechts befestigt werden.




(Das Viertel-Kreis-förmige Element soll das Servo mit T-Stück darstellen).

Wenn man ein passendes Hotend dafür bekommt, dann kann man bis zu 50 Grad in beide Richtungen erreichen, kombiniert mit den ohnehin möglichen 45 Grad sollten somit (theoretisch) volle 90 Grad schaffbar sein.

Hallo,

das Prblem ist glaube nicht die Mechanik, sondern die Firmware und der Slicer. Hier muss man mächtig Hirnschmalz rein hängen.
Bis das realisiert wird im OpenSource Bereich hat es schon irgeneiner patentiert.

Gruß
Mirco

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Druckwerk-3D.com

@Mirco: Also ich sehe das im Prinzip ähnlich wie du, die Firmware denke ich aber (ohne mich jetzt mehr im Detail damit befasst zu haben) ist das geringere Problem. Servos werden für Auto-Bed-Leveling ja auch schon eingesetzt, am RAMPS sind die entsprechenden Anschlüsse vorhanden und durch die (Digital-)Servos braucht man auch keinen Endstop dafür.

Vielleicht habe ich das nicht explizit erwähnt, aber durch das Neigen der Nozzle soll sich nichts an den X, Y oder Z Koordinaten an der Spitze ändern. Das vereinfacht natürlich die Firmware enorm!

Was den Slicer angeht stelle ich mir die Sache aber auch wesentlich schwieriger vor, da gebe ich dir völlig recht. Überhaupt denke ich benötigt man für so eine Maschine ein angepasstes slicing, damit die Layers (zb. von einer Kugel) an der Außenseite gleich hoch aussehen.
Auf der anderen Seite muss man aber auch sagen, dass die Slicer ja jetzt schon den Außenwinkel berechnen können (für Stützmaterial), das heißt da sollte man dann entsprechende Routinen einklinken können (theoretisch, wie viel Aufwand das ganze ist kann ich natürlich nicht abschätzen).

Ich werde dafür den GCode in der Zwischenzeit mal "zu Fuß" machen, d.h. für Test-Objekte selbst berechnen. Natürlich hoffe ich aber auch, dass die Community (bei entsprechenden Resultaten) auf die Idee aufspringt, damit das ganze schneller realisiert werden kann. Aber genau aus diesem Grund habe ich die Idee ja schon mal in einem frühen Stadium gepostet, damit es dann nicht von kommerzieller Seite ein "Totschläger-Patent" für die ganze Idee gibt ;-).

... für eine 'automatische' Anpassung des Kopf-Winkels braucht's eigentlich nur den Normalenvektor der aktuellen Facette, durch die der Schnitt an der Außenseite geht.

Ich denke, das sollte am einfachsten gehen, wenn beim Slicen den Linien der Außenkontur der jeweilige Normalenvektor mitgegeben wird ...

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Viktor
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Schau Dir mal den Freeformer von Arburg an, dann sind Deine Patentsorgen ausgeräumt, weil die genau das machen.

Viele Grüße
Joachim

@Joachim: Den Freeformer kenne ich schon, aber so wie ich das verstehe machen die kleine Kunststoff-Tröpfchen aus Granulat (das ist also schon sehr weit weg von unseren FFF bzw. FDM Extrudern). Außerdem neigen die ja das Druckbett, wohingegen ich den Extruder drehen will. Insofern denke ich, dass die Idee zwar im Grunde das selbe Ziel verfolgt, aber in der Umsetzung doch sehr viele gravierende Unterschiede aufweist (also zum Glück dadurch noch nicht durch ein Patent "besetzt" ist).

Drehe doch den ganzen drucker...

@destruktor: Das war auch meine erste Überlegung, aber das bringt leider nicht so viel wie erhofft! Die Gravitation ist in diesem kleinen Abstand zur Nozzle nämlich viel kleiner als die Kraft, mit der das Filament aus dem Hotend gepresst wird.

Ich habe dazu einen kleinen Versuch gemacht und ein Objekt mit großen Overhangs gedruckt. Der Unterschied zwischen "Drucker hat 0 Grad Neigung" und "Drucker hat 30 Grad Neigung" war zwar leicht merklich, aber ich vermute stark, dass das nicht mehr als 1-2 Grad mehr an Overhangs bewirkt (ich hab das dann nicht mehr exakt weiter erforscht, da das Resultat einfach viel zu unbefriedigend war)!

Um diese Theorie zu bestätigen wäre es natürlich noch ganz interessant, wenn jemand mit Auto-Bed-Leveling mal einen Test mit einem ganz schiefen Druckbett macht (vorausgesetzt Auto-Bed-Leveling arbeitet so wie ich es erwarte, nämlich dass die Objekte immer normal zum Druckbett gebaut werden). Testobjekte (OpenSCAD und STL) kann ich gerne beisteuern!

Falls es jemand Interessiert, hier das Patent vom Freeformer:

[depatisnet.dpma.de]

Ich glaub da muss man absolut keine Angst haben wenn man da auch einen 5-Achs 3D Drucker mit Schwenkbaren Tisch baut.

Aber ich muss sagen, deine Idee finde ich gar nicht so schlecht! Man muss halt aber wirklich den Tisch drehen, damit man den Kunststoff immer senkrecht auftragen kann, wenn man die Düse schwenkt hat man trotzdem Probleme mit der Schwerkraft. Wenn man den Tisch schwenkt kann man je nach Teil komplett auf Stützmaterial verzichten!

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Haemmiker
Aber ich muss sagen, deine Idee finde ich gar nicht so schlecht! Man muss halt aber wirklich den Tisch drehen, damit man den Kunststoff immer senkrecht auftragen kann, wenn man die Düse schwenkt hat man trotzdem Probleme mit der Schwerkraft. Wenn man den Tisch schwenkt kann man je nach Teil komplett auf Stützmaterial verzichten!

Du hast recht, den Tisch zu drehen löst gleich mehr Probleme auf einmal, aber ich befürchte dass das sehr viel schwieriger ist als nur das Hotend zu neigen.

Das Druckbett ist ein Drehtisch, d.h. er dreht sich nur um die eigene Achse (= Polarprinter), in andere Richtungen wird er erstmal noch nicht geneigt. Der Grund dafür ist, dass die Schwerkraft einen viel geringeren Einfluss auf die Overhangs hat als der "Druck" des Filaments aus der Nozzle (das war in meinen Tests mit PLA der Fall, kann sich aber bei anderen Materialen durchaus ganz verhalten).

Ich hänge mal ein paar Fotos an damit man sich das Konzept besser vorstellen kann:

Quote
VDX
... für eine 'automatische' Anpassung des Kopf-Winkels braucht's eigentlich nur den Normalenvektor der aktuellen Facette, durch die der Schnitt an der Außenseite geht.

Ich denke, das sollte am einfachsten gehen, wenn beim Slicen den Linien der Außenkontur der jeweilige Normalenvektor mitgegeben wird ...

Ja, das stimmt! Aber sind diese Information schon im STL-File vorhanden? Ich kenne das File-Format dafür viel zu wenig.

Stimmt, ein Anpressdruck des Filaments von der Düse an den Aufbau ist im Verhältniss zur Schwerkraft die gewichtigere Grösse. >>

So wie es aussieht ist ein passendes Hotend (mit ausreichend Kippfreiheit) leider gar nicht so einfach zu bekommen. Am ehesten kommt wohl noch Laszlos arcol.hu Hotend hin. Nur den praktischen Heizblock mit Heizwiderstand bzw. Heizpatrone kann ich da leider knicken :-( !

Bleibt also nur selbst Nichrom Draht drauf zu wickeln. Aber so wie es aussieht ist isolierter Nichrom-Draht gar nicht so einfach zu bekommen!! Kennt da irgendjemand eine gute Bezugsquelle?

Nichtchrom-Draht? Du meinst wohl Nickel Chrom bzw. Heizdraht.

Den kriegst du z.B. hier: [www.amazon.de]


Edit: Sorry, ich glaub ich brauch neue Kontaktlinsen

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 11.01.14 12:43.

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Ja, so einen ähnlichen habe ich auch schon auf ebay gefunden. Allerdings sehe ich nirgendwo, ob der isoliert ist oder nicht (daher tippe ich mal auf unisoliert).

Der hier ist garantiert Isoliert: [shop.germanreprap.com]

Und sonst heissts halt mal nachfragen

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du solltest erstmal wissen wie dein hotend aussehen soll und wie du die zuführung von filament machen willst.
bisher ist das alles sehr theoretisch und ich sehe eben nicht einen anwendungsgrund warum man es nutzen sollte.
das alles geht ja mit support material auch alles.

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Commercium ----> Ramps, RADDS, e3d-Hotends und Filament kauft man hier.. und neu auch Schrauben,Muttern und Unterlegscheiben
Probleme mit dem e3d und bei mir gekauft? Schickt es ein, ich teste es für euch ob es wirklich defekt ist
Print Quality Troubleshooting Guide hier lang..

@Haemmiker: Ja, das ist sicher isoliert! Danke, das werde ich probieren!

@Le-Seaw: Ach so, das hab ich noch nicht erwähnt: Ich werde einen Bowden-Extruder nehmen und ein Arcol.hu Hotend, eventuell ein bisschen nachbearbeitet um eine größere Neigungsfreiheit zu bekommen. Natürlich kann man momentan alles mit Support-Material drucken, feiner wäre es aber, wenn man auf support verzichten könnte. Bei komplexen Geometrien kann es schon mal vorkommen, dass man (nicht auswaschbares) Support-Material schwer bis gar nicht entfernen kann. Außerdem kann man eine schönere Oberfläche (= anti-aliasing) an der Oberseite von Objekten bekommen, wenn man bei den Perimeters die Nozzle im rechten Winkel zur Oberfläche hält.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 11.01.14 15:15.

Quote
Fabricate

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VDX
... für eine 'automatische' Anpassung des Kopf-Winkels braucht's eigentlich nur den Normalenvektor der aktuellen Facette, durch die der Schnitt an der Außenseite geht.

Ich denke, das sollte am einfachsten gehen, wenn beim Slicen den Linien der Außenkontur der jeweilige Normalenvektor mitgegeben wird ...

Ja, das stimmt! Aber sind diese Information schon im STL-File vorhanden? Ich kenne das File-Format dafür viel zu wenig.

... so wie ich das sehe, erkennen die STL-Viewer, die ich verwende, ob die Oberflächen eines STL-Objekts normal nach 'Außen' zeigen, oder invertiert sind (wird meist als Farbwechsel angezeigt).

Ich denke, daß der Normalenvektor aus der Verbindungsreihenfolge der drei Punktkoordinaten einer Facette bestimmt wird - das sollte also eindeutig sein ...

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Viktor
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Hallo.

Ich sehe das Problem weniger in der mechanischen Umsetzung als in der Software.

Je nach Neigungswinkel des Hotends haben die Layer natürlich unterschiedliche Höhe auf der Z-Achse.
Das müsste der Slicer zusätzlich kompensieren, besonders wenn man mit Infill arbeitet, der ja mit normal ausgerichtetem Hotend gedruckt werden muss.
Der Slicer müsste dann die Layerhöhe der Perimeter (was nur in Grenzen möglich ist und die Qualität der Oberfläche beeinträchtigt) oder die Layerhöhe des Infills anpassen.

Hallo Viktor,

Quote
VDX
Ich denke, daß der Normalenvektor aus der Verbindungsreihenfolge der drei Punktkoordinaten einer Facette bestimmt wird - das sollte also eindeutig sein ...

nicht nur das - er wird direkt für jede Facette mit angegeben, z.B. hier in negativer y-Richtung:

  facet normal 0 -1 0
    outer loop
      vertex -1.0874 5.9 0
      vertex -1.0874 5.9 5
      vertex -9.86917 5.9 5
    endloop
  endfacet

Gruß
kuraasu

Quote
kuraasu
Hallo Viktor,

Quote
VDX
Ich denke, daß der Normalenvektor aus der Verbindungsreihenfolge der drei Punktkoordinaten einer Facette bestimmt wird - das sollte also eindeutig sein ...

nicht nur das - er wird direkt für jede Facette mit angegeben, z.B. hier in negativer y-Richtung:

  facet normal 0 -1 0
    outer loop
      vertex -1.0874 5.9 0
      vertex -1.0874 5.9 5
      vertex -9.86917 5.9 5
    endloop
  endfacet

Gruß
kuraasu

Perfekt, danke kuraasu! Damit könnte man dann ev. als workaround einen gcode preprocessor basteln, der dem gcode das Neigen der Nozzle noch anfügt.

@P85: Ich bin eh eher mehr in der Software zu Hause, von daher passt das ganz gut ! Nur wie gesagt, falls mir irgendwer schon jetzt sagen kann, dass die Hardware so auf jeden Fall gar nicht funktionieren kann/wird (bei meinen mechanischen Kenntnissen durchaus möglich), könnte ich mir einen Irrweg ersparen !

Wie gesagt, mich lässt die Idee nicht mehr los und ich möchte das unbedingt realisieren! Ich bin euch für jede Unterstützung dankbar, da ich doch noch nicht so lange dabei bin und theoretische Hilfe bei Robotik/Mechanik sehr gut brauchen kann!

Also von der Hardware Seite sollte das ganze machbar sein (Wenn du es über einen Servo neigen willst, dann sowieso). Man muss es halt einfach dem Slicer beibringen, das finde ich die grössere herrausforderung.

Schwieriger wirds wenn du das ganze als 5-Achs Version machen möchtest, da musst du ein Rumba nehmen, das hat Platz für 6 Achsen.

Ich wär auch sofort mit von der Partie aber ich muss mich um den Lehrabschluss kümmern, sonst würd ich mich auch an die Konstruktion und Bau eines 5-Achs Druckers machen (mir gefällt der halt einfach iwie besser wie nur eine Schwenkbare Düse)

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Haemmiker
Also von der Hardware Seite sollte das ganze machbar sein (Wenn du es über einen Servo neigen willst, dann sowieso).

Perfekt, das klingt sehr gut!

Quote
Haemmiker
Schwieriger wirds wenn du das ganze als 5-Achs Version machen möchtest, da musst du ein Rumba nehmen, das hat Platz für 6 Achsen.

Ich wär auch sofort mit von der Partie aber ich muss mich um den Lehrabschluss kümmern, sonst würd ich mich auch an die Konstruktion und Bau eines 5-Achs Druckers machen (mir gefällt der halt einfach iwie besser wie nur eine Schwenkbare Düse)

Naja, unter Anderem nehme ich ja genau deshalb Servos, damit das auch mit RAMPS realisierbar ist (hat ja 4 Servo-Anschlüsse). Und wenn die erste Achse mit dem Prinzip schwenkbar ist, dann ist es vermutlich auch nicht mehr so schwierig das in der anderen Richtung zu realisieren. Das hab ich mir im Prinzip schon durchüberlegt: Man braucht nur an beiden Enden der X-Achs-Linearwellen jeweils einen Servo und die selbe Gleit-Führung zu montieren und kann damit die gesamte X-Achse um Druckkopf neigen. Diesmal kann der Servo auch direkt agiern und man spart sich die Konstruktion darüber. Damit hätte man dann auch beim Mendel (oder ähnlichen) einen vollen 5-Achs Drucker.
Schwieriger ist hier aber sicher das höhere Gewicht der gesamten Achse und dass man die Präzision schafft.

Aber was ich nicht ganz verstehe: Was ist der große Unterschied zwischen der schwenkbarer Düse (entspricht ja einem 4-Achs Drucker) bei dem Polar-Printer-Konzept und dem vollen 5-Achs-Drucker? Natürlich kann der 5-Achs-Drucker noch ein wenig mehr, aber die Unterschiede sollten normalerweise relativ gering sein (wenn man überwiegend radiale Overhangs bei seinen Objekten hat).

Bei deiner Variante hast du ja nur einen Tisch der sich dreht, Düse die ich in X Richtung bewegt, eine X Achse und die Z Achse. Der Tisch steht dabei immer in Waage

Bei 5 Achsen hast du ja X und Y am Druckkopf, Z Achse sowie 2 Achsen die den Tisch Schwenken und Drehen (Glaub C1 und C2, hab aber noch nie an einer 5 Achsen Maschine gearbeitet..)
Da ist der Vorteil, dass das Filament immer Senkrecht Aufgeschichtet wird, sprich man muss sich keine Sorgen um die Schwerkraft machen, das der "Faden" evtl. am vorherigen Layer vorbei geht. Aber sobald es halt an Arbeiten im Innern geht hast du auch mit 5 Achsen keinen Vorteil, irgendwas wird immer im Weg sein...

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Haemmiker
Bei deiner Variante hast du ja nur einen Tisch der sich dreht, Düse die ich in X Richtung bewegt, eine X Achse und die Z Achse. Der Tisch steht dabei immer in Waage

Bei 5 Achsen hast du ja X und Y am Druckkopf, Z Achse sowie 2 Achsen die den Tisch Schwenken und Drehen (Glaub C1 und C2, hab aber noch nie an einer 5 Achsen Maschine gearbeitet..)
Da ist der Vorteil, dass das Filament immer Senkrecht Aufgeschichtet wird, sprich man muss sich keine Sorgen um die Schwerkraft machen, das der "Faden" evtl. am vorherigen Layer vorbei geht. Aber sobald es halt an Arbeiten im Innern geht hast du auch mit 5 Achsen keinen Vorteil, irgendwas wird immer im Weg sein...

Du hast schon Recht, der Polar-Bot hat jetzt nicht X und Y direkt, sondern bildet das mit R und Phi ab, aber druckbar ist damit genauso alles (siehe z.b da).

Ob du jetzt den Tisch oder das Werkzeug drehst, sollte im Prinzip keinen grundsätzlichen Unterschied darstellen, es gibt auch bei den CNC-Maschinen beide Varianten. Für mich sieht es so aus als ob es bei den Druckern sehr viel einfacher ist, die Nozzle zu neigen, daher versuche ich diesen Ansatz. Wenn du das Bett neigst dann ändern sich sowohl X, Y als auch Z (bei 5-Achs) und das ist glaube ich schon sehr viel Rechenaufwand für unsere Arduinos / Atmels. Außerdem ergeben sich bei kleinen Abweichungen/Toleranzen große Abweichungen bei den großen Hebeln (vom Bett oder Objekt), und ich bin mir nicht sicher ob wir diese Genauigkeiten schaffen.

Bezüglich Schwerkraft: Das habe ich mir zuerst auch gedacht, ich war aber sehr verwundert dass der Einfluss sehr viel geringer ist als die "Anpresskraft" der Düse. Du kannst es ja selbst mal ausprobieren: Stell deinen Drucker um 70-80 Grad schräg (bitte vorsichtig machen) und druck damit einzelwandige Objekte (dürfte so ziemlich der "Härtetest" sein). Oder schau dir das Video an.

Also wenn wir davon ausgehen können, dass die Anpresskraft der Nozzle sehr viel höher ist als die Schwerkraft (check), sich die einzelnen Schichten relativ schnell sehr stark verbinden und dann auch relativ rasch wieder abkühlen (was ich jetzt von PLA einmal alles annehme, ohne es 100%ig zu wissen), dann sollte das eigentlich funktionieren. Für andere Materiale muss man eventuell auch noch das Druckbette neigen, aber da bevorzuge ich eher gleich den ganzen Drucker mitzudrehen.

Ich habe in der Zwischenzeit eine 4te Achse für einen Prusa Mendel gebaut und konnte damit in einem ersten Test 80 Grad Overhangs drucken. Jetzt bin ich gerade dabei, die 90 Grad zu knacken ! Die Ergebnisse hab ich im englischsprachigen Forum gepostet.