Motoren, Riemen, Pullys und Umlenrollen bestimmen...

...wie geht das?

Hallo zusammen,
Nach dem ich seit einiger Zeit auf einem Ender 3 drucke habe ich nun angefangen meinen eigenen Drucker zu planen.
- Beheizter Bauraum (Temperatur noch absolut offen) resp. was sich dann halt realisieren lässt
- IDEX mit festem Riemen auf der X-Achse und den Antriebsmotoren auf den Wagen
- Schnellwechselsystem für Druckköpfe (optional direct oder Bowdenextruder)
- Druckbett zwischen 200x200 und 300x300
- Linearführungen Igus Drylin R Stahlwellen, Gleitbuchsen Iglidur J (wenn es die Temperatur notwendig macht, Iglidur X)

Nun zu meiner Frage, ich bin kein Ingeniör. Wie dimensioniert man die Riemen, Motoren, Pullys etc.? Könnt Ihr mir Quellen angeben die mich weiterbringen, oder gibt es Richtwerte?
Ein einzelner Wagen dürfte so ca. auf 0.8 - 1 kg kommen, die ganze X-Gantry auf ca. 3.5 - 4 kg. Zusätzlich müssen die Wagen noch einen Gebläseschlauch mitschleppen. Also nicht ganz leicht.

Die Grundidee habe ich von dem übernommen



Aufbau sollte etwa so werden


Das hab ich mal bei Igus eingegeben


und das zurückerhalten


Ob die Eingabe plausibel ist weiss ich genau so wenig wie ich weiss was ich mit der Ausgabe anfangen kann. Vielleicht kann mir jemand Aufgrund des Resultat mit der Motordimensionierung weiterhelfen.
Beim Stratasys war offensichtlich ein Nema23 150oz/inch verbaut. Damit dürfte es schon ziemlich viel Phantasie brauchen um mit einem Wagen unter einem Kilo zu bleiben.

Faustregel ist eigentlich: Je leichter die bewegten Massen, desto schneller kannst du später drucken. Je schwerer die Massen, desto eher bekommst du Artefakte im Druck.

Eine der wichtigsten Fragen ist also: Möchtest du eher schnell oder langsam drucken :-)

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Microsoft MVP in den Kategorien DirectX/XNA * Visual C++ * Visual Studio and Development Technologies seit 2011

• Mein Erster (RAMPS 1.4, Selbstbau WolfStrap-Derivat mit Linearführungen, Wade Extruder und E3D lite6 Hotend)
• Cub44 (Selbstbau Dual Wire Gantry Derivat mit Zahnriemen und Linearschienen, RADDS 1.5 und DUE, Custom Hotend - E3D like, Compact Bowden Extruder)
• HexMax (sechseckiger Delta (eigenes Design) mit Druckraum 300mm Durchmesser und >=400mm Höhe, RADDS 1.5, 24V, Custom Hotend, Compact Bowden Extruder)
• P3Steel Toolson MK2 - Keine Zeit zum selbst planen ;-)

Andere Projekte: FSR Board (ABL-Sensor-Platine inkl. Firmware) * ThirtyTwo (32Bit RepRap-Firmware)

Nein, geht nicht um Geschwindigkeit. Ich möchte ausschliesslich Konstruktionsteile drucken aus PA, PC, ASA, Nylon etc.
Je nachdem wie gut ich es hinbekomme würde ich vielleicht auch mal Kunststoffe jenseits der 300°C Grenze drucken wollen. steht aber momentan nicht an erster Stelle.
Nachdem ich mir den Thread von Nitro's Hochtemperatur Drucker durchgelesen habe stelle ich mir aber bereits die Frage ob es IDEX mit zwei autonomen Druckerköpfen sein muss, oder ob ich nicht besser etwas mit einem absenkbaren Hotend für Supportmaterial mache.
Interessant finde ich das X-Achsen Antriebssystem von Stratasys mit dem fixen Riemen und dem Antriebsmotor direkt auf dem carriage. Wenn genug stabil gebaut, sollte ja eigentlich trotz Gewicht eine bestimmte Geschwindigkeit erreichbar sein. Kann man denn Grundsätzlich eine Aussage machen pro Kilo Gewicht soundsoviel Motorleleistung?
Und, gibt es Erfahrungen mit Stahlwellen Führungen? Oft werden ja die 8 mm Wellen verwendet, Bei 12mm X-Achse und 16mm Y-Achse sollte dies ja eine gewisse Stabilität ergeben. Wichtig wird bestimmt auch die Führung der Z-Achse damit das Bett nicht anfängt zu schwingen. Durch den beheizten Bauraum, respektive die sich daraus ergebenden Wärmeabschottungen ergeben bereits relativ viel Gewicht und ich bin mit meinen Schätzungen vermutlich schon um einiges zu tief.

Also wichtiger als Geschwindigkeit ist dir eher ein geschlossener und beheizter Bauraum, damit du die "besonderen" Materialien warpfrei drucken kannst?

Grundsätzlich denke ich, dass du weder bei 200x200 noch bei 300x300 auf NEMA23 Motoren zurückgreifen musst. Da lässt sich problemlos etwas konstruieren, was mit NEMA17 läuft. Ganz locker.

Die Wellen sind so eine Sache. Bei einem 200x200 und 300x300 Bauraum reichen die 8mm eigentlich sehr gut (siehe z.B. SparkcubeXL), evtl. könnte man auf 10er oder gar 12er gehen. Das führt dann aber wieder zu höherem Gewicht und größeren Lagern. Besonders die Lager benötigen Platz und wenn man keinen Bauraum verlieren möchte, muss der Drucker größer werden. Dazu werden die Führungen länger, was wieder eher zu durchbiegen führt. Hängt also alles sehr zusammen.

Warum willst du so ein schweres "Monster" bauen? Was versprichst du dir davon für Vorteile, die andere Drucker nicht bereits gelöst haben?

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Nach allen Überlegungen bin ich zum Schluss gekommen dass ernsthaftes Drucken mit "technischen" Kunststoffen eigentlich nur mit beheiztem Druckraum zu realisieren ist. Nitro's Projekt hat meine Überlegungen eigentlich nur bestätigt. Was das Gewicht angeht, Masse muss zwar beschleunigt und verzögert werden, Masse dämpft aber auch Schwingungen. Mit den Wellenführungen lässt sich relativ einfach mit Standardbauteilen die Längenausdehnung händeln und ich muss mir keine Gedanken um Bimetalleffekte machen wie wenn ich z.b. eine Linearschiene auf ein Aluminiumprofil schraube. Ausserdem sind Wellenführungen um einiges günstiger. Das IDEX System braucht massiv Platz auf der x-Achse da ja die Druckköpfe komplett aus dem Bauraum fahren müssten. Ich denke auch darüber nach die X-achse eher kurz zu halten und etwas weiter in Y Richtung zu bauen.
Dann den Antrieb für die X-Achse wieder "traditionell" auf die Y-Achse setzen und dafür die Y-Achse "massiv" schwer zu bauen. Dann müsste für die X-Achse mit 12er Wellen ein Motor in der Grösse eines SuperWhopper genügend Reserve haben.

Meine Frage bleibt aber immer noch bestehen, wie bestimme ich die Motorengrösse? Angenommen die X-Gantry hat 5kg. Wie berechnet man den notwendigen Motor um diese Masse anständig beschleunigt zu bekommen? Die Stabilität des Rahmen dürfte das kleinste Problem sein. Ein Stahlrahmen wäre ohnehin günstiger als die üblichen Aluprofile und bei richtiger Konstruktion muss der gar nicht so masshaltig sein.
Was die Nema 23 angeht, was hast Du dagegen. Wenn die fest montiert sind spielt das Gewicht keine Rolle, preislich hat es einen unwesentlichen Einfluss.

Die bei Igus ausgespuckte erforderliche Antriebskraft von 9 N für die X-Achse scheint mir plausibel, aber was heisst das für den benötigten Stepper? Die sind ja immer mit Ihrer Haltekraft angegeben nicht mit dem Drehmoment. Da verstehe ich etwas noch nicht so ganz.

Hast du schon mal einen 3D-Drucker selbst entworfen und gebaut? Hast du schon Erfahrungen mit 3D-Druckern gesammelt?

Ich glaube, deine Grundannahmen sind teilweise einfach falsch. Ein 3D-Drucker ist keine CNC-Fräse. Es kommt bei einem 3D-Drucker weniger auf Masse und Steifigkeit an. Auch ein schwerer "Druckkopf" mit Autolevelsensor und sonstigem Schnickschnack sollte deutlich unter 300-500g bleiben, bei einem Delta kann man sogar auf deutlich unter 100g kommen. Das ist erstmal das Gewicht was auf einer Achse beschleunigt und abgebremst werden muss. Riemen sind "problematisch", wenn sie sehr lang werden wegen Dehnung etc. Viel wichtiger sind hier aber hochwertige Lagerungen und Riemenräder (zentrische Bohrung etc.). Wenn du hier "Chinaqualität" kaufst (was durchaus auch sehr gute Ergebnisse liefern kann, aber eben auch nicht), dann brauchst du dir über viele andere Dinge gar keine Gedanken mehr zu machen. Insgesamt ist es kein Problem die Achse, an der sich der Druckkopf befindet (sagen wir mal die X-Achse) auf 1000 bis 2000g zu bekommen. Dabei reden wir dann von einer Achse mit Linearschienen und Aluprofil. Wenn man 2x 8mm Stahlwellen nimmt, kommt man inkl. Druckkopf auch auf deutlich unter 1000g. Solltest du hier einen Stepper-Motor mitbewegen, dann kommen für einen Nema17 nochmal ca. 350g hinzu. Sollte da ein Nema23 sitzen, dann kommen gut 700-1000g hinzu, also fast 2-3x so viel. Der Nema17 kann den Druckkopf aber ganz easy bewegen. Die Überlegung sollte hier sein, ob man den Motor "mitschleppen" möchte (siehe z.B. CoreXY oder das Ultimaker-Prinzip).

Auf der nächsten Achse (sagen wir mal die Y-Achse) müssen dann diese max. 2000g bewegt werden. Auch das schafft ein einzelner Nema17 ganz easy. Je nach Aufbau könnte man auch zwei Nema17 verwenden (einen links, einen Rechts).

Auf der Z-Achse gibt es nun mehr Möglichkeiten, beispielsweise kann das Druckbett mittels Gewindestangen/-spindeln hoch und runter gefahren werden. Hier bietet sich eine 3-Punkt-Lagerung mit 3 Motoren an. Die Achse muss sich nur langsam bewegen und daher reichen auch hier Nema17 absolut problemlos. Die schaffen es durchaus ein 10kg Druckbett so zu bewegen, dass du keine Probleme bekommst. Also auch hier kein Thema.

Was ich gegen Nema23 habe? Die Dinger sind schwer (daher muss der Rahmen entsprechend stabiler werden, dazu gleich noch mehr), brauchen größere Treiber (mit mehr Stromstärke, also bewegt man sich weg von "Standardboards"), haben oft eine größere Welle (man kann also keine "Standard"-3D-Drucker Riemenräder verbauen), brauchen mehr Platz (also größerer Drucker), sind teurer und sind halt für einen 3D-Drucker einfach in vielen Fällen unnötig.

Nun zum dämpfen der Schwingungen. Wir haben hier keine CNC-Fräse, bei der Schwingungen im Schnittbild sichtbar werden. Ein E3D V6 wiegt vielleicht 70g und ist keinerlei mechanischer Belastung ausgesetzt (ok, Beschleunigung und Abbremsen sind auch eine Belastung). Daraus wird nur eine weiche "Plastikwurst" gedrückt und es wird kein rotierendes Werkzeug mit Kraft in Metall gepresst. Wenn das Hotend locker ist, dann sieht man das vielleicht im Druckbild, aber nicht die Rahmenschwingungen. Es gibt 1000 andere Baustellen, die sich aufs Druckbild auswirken und mit der fast jeder Probleme bekommt. Eine große Masse löst diese Probleme nicht. Alle meine Drucker hatten Schwingungen, mein 1300mm hoher Delta ist oben mehrere Millimeter "ausgeschlagen" und hatte ein absolut einwandfreies Druckbild. Auch mein "Toolson MK2", den ich kürzlich einfach mal aus Spaß gebaut habe, schwingt, doch man sieht es nicht im Druckbild. Selbst mein Wolfstrap aus Baumarkteilen (Holzbretter und Stuhlwinkel) hatte kein Schwingungsproblem.

Zum "Bimetalleffekt": Wenn ein 400mm langes Aluprofil um 40°C erwärmt wird (ABS braucht ca. 60° Druckraumtemperatur und ich gehe mal von 20°C Raumtemperatur aus), dann dehnt sich das um ca. 0,37mm aus. Rostfreier Stahl dehnt sich um ca. 0,29mm aus. Das sind also ca. 8 Hunderstel Unterschied in der Länge. Wie stark die Auswirkungen dadurch sind, kann man glaube ich vernachlässigen. Die meisten sind nicht in der Lage ihren Drucker so genau auszurichten und erzielen trotzdem einwandfreie Druckergebnisse. So wichtig kann das also nicht sein... Trotzdem sollte man aber bei einem Drucker mit beheiztem Druckraum über die Längenausdehnung des Rahmens nachdenken und dies entsprechend kompensieren.

Wenn du dir das Projektforum anschaust, dann haben hier schon einige mehrere Tausend Euro an sehr hochwertigem Material in Drucker gesteckt und waren hinterher sehr ernüchtert, dass jemand mit einem <400€ P3Steel ähnliche oder gar bessere Druckergebnisse hinbekommen hat. Schau dir mal die von den Kritikern (teils zu unrecht) sehr hochgelobten Prusa-Drucker an. Fällt dir da was auf?

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Hätte ich Erfahrung im 3D-Druckerbau hätte ich diese Grundlegende Frage nicht gestellt. Es scheint mir dass sich diese Frage gar nicht so viele Leute stellen. Das es einfacher ist mit Nema 17 und GT2 Riemen zu bauen weil diese weit verbreitet und "gebrauchsfertig" erhältlich sind ist mir klar. Es geht mir aber nicht darum einen möglichst leichten Drucker mit dem ich möglichst schnell Drucken kann zu bauen, sondern um ein solides Gerät mit dem ich möglichst hohe Bauraumtemperaturen erreichen kann. In einigen Punkten muss ich Dir widersprechen, ABS wird z.b. bis zu 90°C Bauraumtemperatur gedruckt und Duet Boards haben Treiber von 2.4A resp. 4.45A. Das lange Riemen zu Problemen führen können leuchtet ein und aus diesem Grund habe ich mich gegen einen Core XY Drucker entschieden. Das es nur mit Leichtbau funktioniert glaube ich Dir nicht, schau Dir mal den die X-Gantry des Stratasys Druckers an, ich glaube nicht das Leichtbau dort ein Thema ist. Sind übrigens Nema23 Motoren.
Wenn mir niemand sagen kann wie ich Motoren und Wellen berechnen kann muss ich es halt ausprobieren, das hält mich aber nicht davon ab den Drucker zu bauen.

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Alle sagten: Das geht nicht. Dann kam einer, der wusste das nicht und hat's gemacht.

Maedler Pullys auf den richtigen Durchmesser aufzubohren ist das kleinste Problem, jedoch ist es viel einfacher ein System mit Loslagerprinzip mit Wellenführungen zu bauen als mit Schienenführungen.

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Alle sagten: Das geht nicht. Dann kam einer, der wusste das nicht und hat's gemacht.

Tue was du nicht lassen kannst, ich will dich von nichts abhalten.

Wenn du aber mal aufmerksam hier in die Projekte schaust, dann haben schon viele große, schwere Drucker gebaut. Einige haben sie fertig gebaut, andere nicht. Viele der fertigen sind aber wieder ihn der Versenkung verschwunden und wurden teilweise sogar wieder abgebaut und durch bewährte Aufbauten ersetzt. Die gängigen Druckerformen, die sich durchgesetzt haben, haben sich nicht durchgesetzt, weil keiner an was anderes gedacht hat, sondern weil sie gut sind und allesamt Vorteile haben. Ist ja nicht so, dass nicht viele Leute, die sich sehr, sehr gut damit auskennen schon daran gearbeitet haben.

Und sicher kann man bei Maedler Riemenräder kaufen (geht das mittlerweile ohne Gewerbeschein?), ich habe hier sogar noch einen ganzen Satz für meinen Delta liegen. Aber nicht jeder hat die passenden Werkzeuge (Drehmaschine, hochwertige Bohrer, Reibahlen, Messwerkzeuge), mit denen man Aufspannbacken herstellen kann um die Räder dann sehr exakt zentrisch zu bohren und auf die passende Größe aufzureiben. Das ist nämlich notwendig, wenn wir hier von hundersteln Millimetern Genauigkeit sprechen.

Und zu den Treibern: Ja, die Trinamic 5160 auf dem Duet 3 (welches mal eben 250€ kostet, ohne Zubehör) schaffen theoretisch über vier Ampere. Aber hast du dir da mal Gedanken darüber gemacht, wie die kleinen Chips dann gekühlt werden sollen? Die "kleinen" haben schon reichlich Probleme mit der Kühlung, aber nun gut.

Und wenn du wirklich nen 10k bis 100k Stratasys-Clone bauen willst, nur zu. Wenn Geld keine Rolle spielt, alles kein Thema und sicherlich ein interessantes Hobby...

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Eine Passbohrung ist nichts weltbewegendes, ansonsten einfach [www.maedler.ch] wird wohl güstiger sein wenn die entsprechende Reibahle nicht schon im Eigentum ist.
Und nein, auf 10k wird der Drucker sicher nicht kommen und wie die Treiber zu kühlen sind habe ich nicht gefragt. Trotzdem vielen Dank für Deine sicherlich gutgemeinten Ratschläge.

Hallo lusteri,

bei der Auslegung des Schrittmotors bitte berücksichtigen,
dass der Motor sich auch selbst beschleunigen muss.

Stichwort wäre rotatorisches Massenträgheitsmoment.

Wenn du "um's Verrecken" Nema23 Baugrössen verwenden willst ist das dann so.
Ich teile aber Glatzemanns Einschätzung, dass dies unnötig ist.

Da wir aber meistens auf der Hobbyebene arbeiten, ist unnützer Aufwand ja nichts grundsätzlich Schlechtes,
da es ja auch um das Umsetzen und "Haben wollen" geht.

Ich wünsche Dir viel Freude bei der Planung.

Gruß Schrittverlust

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 18.08.20 05:12.

Danke, ein Aspekt den ich überhaupt nicht angeschaut habe. Es muss nicht Nema23 sein, aber bei "stehenden" Motoren ist mir das Gewicht eigentlich egal und ein Nema23 kann einfach mehr Drehmoment. Wäre da nicht diese Geschichte mit dem rotatorischen Massenträgheitsmoment.
Angenommmen ein Nema 17 und ein Nema 23 haben den selben Haltemoment, unterscheidet sich dann das rotatorische Massenträgheitsmoment zu Gunsten des Nema17 und hat dies einen entscheidenden Einfluss?

Hallo lusteri,
auf deiner x-Achse bewegen sich die Motoren.

Da wird dir die Zusatzmasse von 2x Nema23 möglicherweise weh tun.
Und auch wenn die Motoren "immobil" am Rahmen hängen beeinflussen sie
Bauraum und Aussenmaße deines Druckers.

Das Massenträgheitsmoment schlägt bei Beschleunigungsphasen zu.
Je mehr Massenträgheitsmoment, desto mehr Drehmoment
(und damit Strom) ist zum Beschleunigen notwendig.

Gruß Schrittverlust