Welchen Motor mit welchem Drehmoment für 3D Drucker

[Dominik.]

Hallo Community,

Hab mal so hobbymäßig damit angefangen mir einen 3D Drucker zusammenzubasteln.
Ziel ist/war es einen möglichst kleinen/leichten und dennoch recht schnellen Drucker mit einer maximalen Druckgröße von 15x15x15cm herzustellen.
Mechanisch wäre nun so manches fertig, aber ich bin mir noch bei der Auswahl des Motors unschlüssig.

Ich hab die Berechnungen für das benötigte Drehmoment gefunden, jedoch kann ich das derzeit nicht auf meine Konstruktion übertragen. Liegt wohl an der Uhrzeit :confused:
Jedenfalls habe ich die theoretischen Maximalgewichte in der Legende unten Angehängt. Über die Heizplatte habe ich mir noch keine Gedanken gemacht, aber wenn ich mit PLA drucke (ist schwerer als ABS) und das Volumen vollständig ausfülle, kriege ich ein Bauteil mit max. 4,22kg, wobei, das übertrieben ist, da ich wohl nie das gesamte Volumen drucken werde. Die Masse hätte ich im Prinzip also, weiß jedoch nicht wie ich nun auf das Drehmoment komme. Also lasse ich mir mal von euch helfen und schau morgen mal rein. ;)

Gibt es Motoren die diese Anforderungen erfüllen und (platzbedingt) nicht größer als 35x35mm sind oder muss ich die Lagerhalterungen größer machen um Platz zu schaffen für die normalen 42x42mm Motoren?

Zudem bin ich mir bei dem Durchmesser des Zahnriemenrades nicht sicher. Mit einem T5 10mm Keilriemen kann das Zahnrad maximal 23,85mm im Durchmesser haben (Keine größeren gefunden). Macht es Sinn diese Größe voll auszunutzen oder leidet die Genauigkeit dadrunter? Der Drucker sollte ja eine gewisse Auflösung haben.

Anbei mal eine Skizze der X-Achse. Dieser Aufbau soll später auf eine Holzplatte montiert werden und mit einem ähnlichem Aufbau die Y-Achse erzeugen. Dieser Motor muss dann vermutlich etwas stärker dimensioniert sein?

Gruß Dominik.

[Andree-HB]

Hi Dominik,
wenn Du auf eine Fläche von 15cmx15cm ein Objekt von 4,22Kg druckst, dann gebe ich Dir Einen aus ! :-)

Aber mal Spaß beiseite - wie bei vielen Dingen muss man sich auf Kompromisse verständigen. Wenn sich die beiden Querachsen als Objekträger bewegen hat man andere Anforderungen, als wenn sich die Druckeinheit verschiebt. Vor Allem, wenn große Massen fix bewegt werden wollen ist natürlich Schrittverlusten bei den Antrieben vozubeugen - und da ist Deine Frage nach Drehmoment und Riemenübersetzung genau richtig...da zählen aber insgesamt mehrere Faktoren rein :

- die Schrittauflösung/Ansteuerung der Motoren
- Riemart/Umlenkung
- gewünschte Druckgeschwindigkeit
- gewünschte Druckqualität
- bewegte Masse (Mechanik & Objekt)
- verfügbarer Platz & Treiberstufen
- Lagerungen der Linearachsen
- Verfahrkonstruktion Z-Achse / Höhenachse (Spindel, Gewindestange, Riemen)

ausserdem relevant :
- beheizbare Drückfläche (ja/nein), Nivellierung derselben
- finanzielle Möglichkeiten
- Mobilität (muss das Gerät oft transportiert werden)

Aus genau dieser Mischung an Themen habe ich mir meinen Drucker ebenfalls komplett selber konstruiert und gebaut und bin da bis dato mehr als nur zufrieden :
http://www.pixelklecks.de/projekteii/3ddrucker/index.html (da sind auch ein paar technische Daten aufgeführt)

Ich habe keine wirklichen Berechnungen gemacht und/sondern habe auch auf die Erfahrungen mit unserem Vereinsdrucker zurückgegriffen...

Ergebnis :
- Schrittmotoren in Nema17 Bauform sind völlig ausreichend
- Standardelektronik & Software (Selbstentwicklung macht da keinen Sinn)
- Für die Lagerung würde ich immer wieder Linearlager (anstatt Gleitlager) nehmen
- vibrationsarme, möglichst geschlossene Rahmenkonstruktion

...dies hilft Dir Alles vielleicht nicht wirklich konkret weiter, sollte daher eher als Gedankenstütze dienen. Zu guter letzt möchte ich nochmal sagen, dass mir die Planungs- und Bauphase mindestens ebensoviel Spaß gemacht hat, wie das jetzt völlig problemlose Arbeiten mit dem Ergebnis.

Viel Erfolg !
Andree

[Dominik.]

Hey Andree,

Ja, wenn man davon ausgeht, dass man die komplette Fläche in Würfelform bedruckt. Aber du hast schon recht. Da wird man wahrscheinlich nicht drankommen, zumal das schon ein ziemlich teurer Drink sein müsste, damit sich das mit dem Filament wieder rechnet. :D

-Zur Schrittauflösung habe mir auch noch keine Gedanken gemacht. Ich denke es werden im Endeffekt eh 1,8°
-Als Riemen soll ein normaler Keilriemen T5 mit der Breite 10mm zum Einsatz kommen und als Umlenkung hatte ich
vor das Zahnrad, welches auch am Motor befestigt werden soll aufzubohren und ein Kugellager reinzustecken.
-Was sind denn gängige Druckgeschwindigkeiten? Ich denke mit Gleitlagern werde ich da nicht viel schneller sein.
-Schon recht fein. Jedenfalls habe ich nicht vor sonderlich grobe Dinge zu drucken. Welche Auflösung erreicht man
denn im Normalfall ohne Untersetzung? Es gäbe da ja dann noch den Halbschritt notfalls, oder halt ein kleineres Zahnrad, richtig?
-Ich denke mal die X Achse wird sich so auf max. 3Kg und die Y Achse auf max. 4.5Kg belaufen.
-Gleitlager, da kostengünstiger
-Spindel bzw. Gewindestange (Unterschied?). Muss ja nicht sonderlich schnell sein und Riemenantrieb macht hier keinen Sinn denke ich.

-So wie ich das mitkriege sollte man die Fläche lieber beheizen. Werde das vermutlich mit einer Heizplatine unter einer Glasplatte machen. Das ganze dann noch mit Kepton-Tape bedeckt.
-Ist als Hobbyprojekt angedacht, also wird es Stück für Stück aufgebaut und ich habe somit kein festes Budget. Als Ziele habe ich mir jedoch gesetzt, dass es so günstig wie möglich sein soll, solange es noch anständig funktioniert und ich will recht weit unter dem Kaufpreis eines konventionellen Druckers bleiben.
-Gerät muss nicht transportiert werden.

Sehr schickes Teil was du da gebaut hast :) Wie groß ist deine Druckfläche damit? Der Kasten ist ja echt riesig.
Erfahrungen aus einem Verein kann ich leider nicht Sammeln, sowas gibts im Umkreis von 30km nicht.

Hast du die Nema 17 nicht auch in deiner CNC-Fräse benutzt? Sind die nicht ein wenig überdimensioniert? Immerhin wirken hier ja keine großen Schnittkräfte und Schnitttiefen. Gibts da nichts kleineres, das genügend Dampf hat?
Hier gibts z.B. schöne kleine Motoren, wobei ich aber bezweifel, dass die das packen :rolleyes: :
Ebay-Link (http://www.ebay.de/itm/5V-Stepper-Motor-Schrittmotor-ULN2003-Fahrer-Brett-5-Line-4-Phase-HE-/141074969470?pt=Motoren_Getriebe&hash=item20d8b9337e)

Linearlager mit Lagerbock waren mir zu teuer und Gleitlager sind da eine recht günstige Alternative. Zudem wusste ich nicht recht, wie ich die Lager an dem Schlitten befestigen sollte. Kann man ja noch nachrüsten :)

Als Z-Achse will ich mir eigentlich Spindeln sparen und versuche das ganze einseitig mit zwei Wellen und einer Spindel aufzubauen. ein 15cm Arm an dem der Extruder hängt und eventuell das Filament als Gegengewicht auf der anderen Seite, damit sich der Schlitten nicht verklemmt. Der Motor müsste hier ja einen Tick stärker sein, richtig?

Danke für deine Tipps Andree! Noch kann ich mich nicht beklagen.

[Geistesblitz]

-Schrittauflösung: Schrittmotoren mit 1,8° sind Standard, aber trotzdem würde ich nach einer Ansteuerung mit Microstepping verwenden, wenn du den Antrieb mit Zahnriemen (keine Keilriemen!) machen willst
-Gewindespindel würde ich nicht nehmen, zumindest nicht für x- und y-Achse, da zu langsam. Es wirken ja kaum Kräfte, höchstens beim Beschleunigen, daher haben Zahnriemen einfach hier einen Vorteil. Sind auch leichter weitestgehend spielfrei zu bekommen, T5 10mm empfinde ich sogar schon als sehr breit. Eigentlich würden schon T2,5 6mm gehen.
-das mit der Umlenkrolle hab ich irgendwie nicht ganz verstanden... eigentlich kann es da aber schon reichen, ein Kugellager zu verwenden.
-warum sind die Achsen eigentlich so schwer ausgelegt? 3-4kg sind ja ne ganz schöne Wucht
-bei der z-Achse musst du aber auch irgendwie sicherstellen können, dass da nichts irgendwie schräg hängt, weil sonst kein gleichmäßiger Auftrag möglich ist

[Dominik.]

Gut, dann werden es wohl 1,8°. Geht das Microstepping denn nicht dann auf Kosten der Geschwindigkeit? Zahn und Keilriemen verwechsel ich immer :/

Gewindespindel ist für X- und Y-Achse auch garnicht angedacht. Das soll ganz normal mit Wellen und Gleitlagern funktionieren. Gut, dann nehme ich doch den kleineren Riemen. Hatte die Sorge, dass er evtl. zu klein wäre. Bleibt immernoch die Frage nach dem Durchmesser des Zahnrades.

Würde man nur ein Kugellager benutzen, würde der Riemen dann nicht vom Lager rutschen? Deswegen wollte ich noch ein Zahnrad auf das Lager setzen.

Okay, das war geschätzt. Die X-Achse müsste ca. 200g bewegen+Heizplatte, Glasplatte und gedrucktes Objekt und die Y-Achse ca. 1kg + vorher genannte Dinge.

Die Z-Achse dürfte machbar sein mit einer stabilen Stützkonstruktion. Ich dachte da einfach daran die zwei Wellen vertikal aufzustellen und zu stabilisieren. Dazwischen dann die Gewindestange mit Motor und am Schlitten dann wieder 4 Gleitlager die das ganze in Position halten.

[Geistesblitz]

Ok, also doch nicht so massiv.
Kannst du vielleicht mal eine Skizze zeigen vom ungefähren Aufbau? Wird das Werkstück nun eigentlich von x- und y-Achse bewegt? Ich kenn eigentlich nur Konzepte, wo eine Achse die Platte bewegt und die andere zusammen mit der z-Achse den Extruder. Würde man die Platte mit zwei Achsen bewegen, würde man da nicht unnötig viel Platz brauchen? Es ist denk ich mal sinnvoller, einen schmalen Extruderkopf zu bewegen, als eine breite Platte. Außerdem würde das die Achsen unnötig lang machen, wodurch man diese massiver auslegen müsste, damit das Konstrukt steif bleibt.

Die Größe der Zahnriemenscheiben beeinflusst maßgeblich die Kraft und Geschwindigkeit deines Antriebs.
Große Scheibe: Schnell, aber weniger kräftig und schlechtere Auflösung
Klein: langsamer, aber dafür kräftiger und bessere Auflösung
Ich würde zu einer relativ kleinen Scheibe tendieren, vll. 15mm Durchmesser oder so, die Geschwindigkeit sollte auch nicht so das Problem sein.

Wegen den Kugellagern: man kann auch breite Unterlegscheiben links und rechts mit leichtem Abstand vom Kugellager mit einsetzen, die dann verhindern, dass der Zahnriemen abrutscht. So wurde das zumindest bei dem Drucker in unserem Hackerspace gelöst.

Wegen der Kraft: die Motoren müssen das Moment aufbringen, das alle entgegengesetzten Widerstandskräfte erzeugen. Diese bestehen aus der Reibung der Gleitlager und der Trägheit der beschleunigten Massen. Wenn die Führungen leichtgängig sind, kann man die Reibung auch näherungsweise vernachlässigen und nur die beschleunigten Massen in die Rechnung nehmen. Wenn man mit einem Schrittmotor instantan von 0 auf Solldrehzahl geht, kann man kaum eine gute Aussage über die Beschleunigung treffen, außer, dass sie sehr hoch sein wird. Wenn man aber eine Beschleunigungsrampe einplant (viele Ansteuerprogramme können das), könnte man auch da noch nachträglich schrauben, falls der Motor zu schwach sein sollte. Somit wäre also das benötigte Motormoment von Zahnscheibendurchmesser und Schlittenmasse zusammen mit der Beschleunigung abhängig. Wenn es dazu Werte gibt, könnte man das schon abschätzen, andererseits könnte man sich aber auch einfach einen Motor besorgen und dann Scheibendurchmesser und Beschleunigung so einstellen, dass es funktioniert ;)

[Dominik.]

Hallo,

hatte zwischenzeitlich kaum Zeit, weswegen ich hier nicht geantwortet habe. Skizziert habe ich es, aber bin grad am falschen PC um es hochzuladen. Ja, das Werkstück wird von zwei Achsen bewegt. Dafür habe ich mich entschieden, da so weniger Kabel bewegt werden müssten. Würde ich eine Achse an den Extruder bauen müsste ich 6 Motorleitungen, 2 Dicke Leitungen für die Heizpatrone und 6 Leitungen für Thermistor, Mikroschalter und Lüfter, sowie das Filament bewegen. Zudem habe ich vor mir mit diesem Aufbau einen zweiten Motor/Gewindestange/Welle für die Z-Achse zu sparen. Ich habe also vor die Z-Achse nur einseitig zu lagern. Da diese eh nicht schnell bewegt wird sollte das funktionieren. Wird dann halt tatsächlich einen Tick größer, aber das kann man ja optimieren sobald man die ersten Teile drucken kann. :D

Deinen Tipp nehme ich mir einfach mal zu Herzen und benutze eine 16mm Zahnscheibe und der mit dem Kugellager ist auch nicht schlecht ;)

Habe nun eine Sammlung von Motoren ersteigert:
3x Sanyo Denki | Type 103H5205-4440 | 14Ohm | 1,8°/STEP | LOT NO. 12113F
2x Nanotech Munich | ST4118L1206-KSTR | 4.0V | 1.2A | LOT NO. 1134065
1xNanotech ST4118L1206-KSTR-B1

Damit sollte das klappen, jedoch habe ich zu den ersteren bis jetzt keine wirklichen Informationen gefunden. Scheint ein etwas älterer zu sein. Ist dieser evtl. identisch mit der 0444 Version?

Hat hier evtl jemand mehr Informationen? Wäre eine echte Erleichterung wenn ich das mit den Motoren schon erledigt hätte


Hier mal eine Skizze. Hoffe ihr könnt euch denken wie das mit der Z-Achse laufen soll. WIrd am Anfang wahrscheinlich etwas instabil sein, aber das kann man ja noch richten.