(Automatische) Messung der Filamentdicke

Moin,

da es ja sonst doch wieder keiner macht, nehme ich nun mal das Thema aus dem anderen Thread in dem es sonst nur untergeht und v.a. den Thread verwässert und starte hier einen neuen.

Achim (jsturm) hat die Idee aufgebracht die Filamentdicke statt mit dem Meßschieber mit einer Vorrichtung zu messen woraus in wenigen Beiträgen eine automatische Filamentmessung mit Einfluss auf die Firmware wurde.

Die bisherigen Beiträge finden sich hier. Mir fehlt leider die Möglichkeit den Thread zu zerteilen, evtl. kann das ein Mod/Admin machen?

Zum Thema:

Die automatische Messung der Filamentdicke wäre natürlich genial, allerdings stellt sich mir die Frage ob die simple Messung zwischen zwei Punkten sinnvoll ist bzw. ausreicht hinsichtlich Fehlern in der Rundheit des FIlaments? Ich hatte bisher glücklicherweise fast nur gutes Filament diesbgzl, insofern wäre das bei mir bisher wohl kein Problem gewesen.

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Frank

Dann mach ich mal hier weiter.

@jstorm Im letzten post fragtest du nach der Beurteilung der kontaktlosen Messung mit einem Hall Sensor. Also ein Hall Sensor reagiert auf Magnetfeldänderungen. Ich denke nicht das das Plastik des Filaments da wirklich was "vom Teller reisst". Da wäre eine kapazitive Messung eher was, aber auch da ist eine Messung sicher sehr grossen Schwankungen unterworfen, denn Wasser beeinflusst die Messung sicherlich stark und Filament zieht Wasser nun mal an. Zu dem wären die Messungen stark von den Werten des Filaments abhängig (der Suszeptibilität des Materials). Wenn es kontaktlos sein soll ist sicherlich die "Schattenmessung" eine bessere Idee.

Was meine ich mit "Schattenmessung"? Einfach das Filament mit einer Lampe (LED) beleuchten und den Schatten (seine Breite) mit einem Barcodereader (einer CCD Zeile eines kleinen Scanners) ausmessen (Es gibt auf Thingiverse dazu schon ein Gehäuse für eine Scannerplatine).

Die Schattenmessung hat den Vorteil umabhängig vom Material zu sein. Allerdings ist sie sehr abhängig vom der Geometrie. Das Filament sollte in Strahlrichtung immer am selben Ort sein.

Die schlichte direkte Messung mit dem Apparat von jstorm scheint mir am stabilsten zu sein.

Dazu muss man bestimmt einige Experimente machen.

Aber bevor man mit all der Messerei loslegt: hat sich jemand schon mal die Mühe gemacht das ganze von der theoretischen Seite zu betrachten?

Wieviel Materialunterschied macht den die Dickenschwankung aus? Welcher Vortriebunterschied würde das ausgleichen? Welche Messgenauigkeit besteht bei den verschiedenen Messmethoden?

So weit erstmal (ich muss wieder ein bisschen arbeiten).

So machen es die Profis, da lag ich garnicht so weit entfernt.
Achim

Toll, dass es da schon ein Thema gibt. Hab letztens auch über die Möglichkeit nachgedacht, wie man das automatisch kompensieren könnte.
Wie sind eure Erfahrungen mit den Abweichungen? Schwankt nur der Duchmesser, oder gibt es auch Unregelmäßigkeiten in der Form? (flach...)

Die optische Messung finde ich am elegantesten. Mit einer Blende nahe am Filament sollte das schon recht exakt gehen. Wie verhält es sich wohl bei transparentem Filament? Sollte man in den IR-Bereich gehen?

Eine andere Idee ist mir noch gekommen:
Ich überlege einen Filement-Zuföderer mit eigenem Antrieb zu machen, der das Filament zugfrei bis vor den Extruder bringt. Mit einem Antrieb der stark genug ist (oder leichter Heizunterstützung) könnte man dabei gleich dem Filament einen Durchmesser aufzwingen - es quasi kleinwalzen, z.B. von 3 auf 2,5 mm.

In jedem Fall wäre eine größere Toleranz bei der Filamentqualität sehr interessant, vor allem auch wenn man mal selbst-extrudiertes Filament verwenden möchte.

Hm optisch mit einem Linienlaser für die Projektion anstelle einer LED wäre auch ne möglichkeit
oder direkt an dem Kugellager messen das den Faden an die Filamentschraube drückt (wenn gefedert und diesen nicht zu stark deformiert).

@jsturm: So schön mechanisch Da kennt man die Ungenauigkeiten sehr genau! Keine grossen Unbekannten...

@itzi: Meinst du mit "Kleinwalzen" ein Kaltverformen des Filamentstranges? Geht denn dass ohne andere Eigenschaften als die Dicke zu beeinflussen? Es wäre ja vielleicht sinnvoll das Filament gleich quadratisch zu machen, um es besser transportieren zu können.

@eytec: Die Geometrie könnte ganz schön grossen Einfluss auf die Genauigkeit haben. Ich versuche mal einen Blick auf die Geometrie zu werfen.

Ich denke nicht, dass sich das Material irgendwie großartig verändert. Immerhin wird es ja eh komplett geschmolzen danach.
Die Form kann fast beliebig sein - Hauptsache konstant. Je nachdem welche Walzen sich leichter fertigen lassen.

Interessant wäre auch, ob man die Dosierung nicht gleich in flüssiger Form machen könnte. Also erst aufschmelzen und dann mit einer zwangsfördernden Pumpe (z.B. Zahnradpumpe) direkt extrudieren.
Ob es so kleine Dosierpumpen gibt? Da wäre komplett egal in welcher Form man das Material zuführt - dann kann es auch Granulat sein.

Um mal ein bisschen herum zu rechnen mache ich mal ein paar Annahmen (ich hab ja noch keine Ahnung vom Drucken). Also:

Wenn man druckt, dann nehme ich mal grob an, das aus dem Extruder eine "runde" Wurst Filament kommt. Die Wurst ist ca. so breit wie das Loch der Düse. Auf jeden Fall stimmt, das das was in den Extruder hineingesteckt wird auch wieder heraus kommt. Wenn ich von Kreisflächen ausgehe, dann gilt also mit

* d₁ Dicke des Filaments
* d₂ Dicke der "Wurst"
* l₁ Länge die in das Filament geschoben wird
* l₂ Länge der "Wurst"
* V₁ Volumen des Filaments das hineingeschoben wird
* V₂ Volumen der Wurst

Es gilt:


V₁ = V₂

(l₁ * pi * d₁²) / 4 = (l₂ * pi * d₂²) / 4

(l₁ * d₁²) = (l₂ * d₂²)

l₁ = d₂² * l₂ / d₁²


Mit 3mm Filament und 0.5mm Düse bei 60mm/s Druckgeschwindigkeit komme ich auf 1.66 mm/s Filamentvortrieb.

Da ja die Druckgeschwindigkeit und der Wurstdurchmesser schön gleich bleiben soll, soll mal nur der Filamentvortrieb an eine schwankende Dicke angepasst werden.

Nehmen wir mal an das Filament ist mal 3mm dick und mal 2.5mm das mach eine Schwankung um delta d₁ um 0.5mm.

Mit den Dicken und Längenveränderungen wäre also aus der letzten Formel folgendes geworden:

l₁ + delta l = d₂² * l₂ / (d₁ + delta d)²

Die Längenveränderung am Eingang, um die Dickenschwankung auszugleichen wäre also:

delta l = (d₂² * l₂ / (d₁ + delta d)²) - l₁

Mit den genannten Werten kommt raus, das eine zusätzlich Länge von 0.734mm/s Filament eingedrückt werden muss, um die Dickenschwankung auszugleichen.

Gegenüber den vorherigen 1.666 mm/s sind die 2.4 mm/s die nun notwendig sind schon ein grosser Unterschied. Es scheint sich also schon zu lohnen die Dickenmessung am Filament durchzuführen

@itzi Ach herrje, du bist ja gleich dabei eigenes Filament herzustellen! Ob da die Fertigungsqualität besser wird als bei den Profis?

Das Filament wird ja etwas komprimiert, wenn man jetzt den Innendruck messen könnte.
wäre es ja auch möglich den Nachschub entsprechend zu steuern.
Gegebenenfalls müsste noch der Umgebungsluft-druck mit einbezogen werden.

Das wäre aber dann eine Messung direkt an der Schmelzkammer. Also bei hohen Temperaturen. Elektronische Messfühler dürften da wegfallen?

Gegenüber dem Druck zum Auspressen des Filaments sollten die Luftdruckschwankungen eher klein sein. Und ich glaube die meisten Flüssigkeiten sind recht inkompressabel. Klar der Druck sollte schwanken, aber nicht durch Kompression.

2-mal bearbeitet. Zuletzt am 19.08.13 18:09.

Bei uns in der Firma haben wir versuchsweise Drucksensoren in ein Spritzgusswerkzeug eingebaut, Temperatur sollte kein problem sein.
Ich würde mir eher um die größe des Sensors gedanken machen...

@mstolt
Es scheint sich also schon zu lohnen die Dickenmessung am Filament durchzuführen
Ich wusste es praktisch. Jetzt bestätigt die Theorie dass es stimmt.

Bei 1.75mm Material ist der Effekt noch größer als bei 3mm - denke ich. (Ich bin zu faul, das auszurechnen)

Daher mein "Meßgerät"

Achim

Die Frage ist jetzt nur noch ob sich der Aufwand lohnt das ganze automatisiert in die Firmware einfließen zu lassen. Dabei stellt sich z.B. auch die Frage wie oft eine Messung sinnvoll ist und wie dynamisch sich die Flowrate dabei ändern muss/sollte. Auch die Verzögerung zwischen Messpunkt und Schmelzpunkt ist so ein Knackpunkt.

Ich habe Repetier gestern mal gebeten da ein paar Worte dazu zu schreiben.

Auch der Messaufbau am Extruder ist vermutlich nicht ohne - fraglich ob man den wirklich mit dem Extruder rumschleppen will. Auch interessant wäre wie man das beim Bowden dann lösen kann.

Fürs erste würde mir ein Messgerät wie das von Achim schon ausreichen um Filament bequem und zuverlässig vermessen und einen passablen Mittelwert errechen zu können. Damit fahre ich im Grunde jetzt schon ganz gut was das Druckergebnis angeht, allein der Messvorgung mit dem Messchieber ist eher nervig und braucht viele Wiederholungen um halbwegs genau zu sein.

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Frank

@ Frank,
es fängt mit einer blöden Idee an: Ich habe mehrer Rollen Test-PLA auf dem Schreibtisch und will die kontinuierlich durchmessen. Also: Bau mal ein Meßgerät.

Dann kommen Einem, und auch Anderen im Forum jede Menge zusätzliche Ansätze was man noch machen könnte und Deine ursprüngliche Idee verselbstständigt sich. Ich will ja nicht sagen, dass eine dauernde Messung und das Einarbeiten in die FW nicht gut wäre, aber ist die bei gutem Material nötig?

Mir reicht mein Meßgerät für meine Aufgabe

Achim

@Frank Als Messfrequenz würde ich nehmen was die digitale Messuhr so hergibt. Und beim Bowden sollte doch ein kleines Fenster im Bowden reichen, halt gross genug, um die Messspitze anzusetzen. Das Filament wird ja noch etwas durch die Andruckrollen geführt. Die Strecke zwischen Messstelle und Heizkammer hat ja eine feste Geometrie und damit kann man doch ziemlich genug sagen wann welcher Teil (mit welcher Dicke) eingeführt wird. Immerhin steuert ja dieselbe Stelle aus den Filamentvortrieb.

@jsturm Wie sehen denn deine derzeitigen Messungen aus? Gibt es Schwankungen der Dicke auf einer Rolle? Und wenn ja wie gross sind die Schwankungen? Du hast natürlich recht, man soll nichts übertreiben

Schwankungen sind angegeben mit 1.75mm +/- 0.5mm (bei fast allen Lieferanten)
gemessen eher 1.72 +/- 0.5mm, also etwa von 1.67 - 1.77 mm

Das was du angegeben hast und was du ausrechnest passt nicht ganz zusammen:

1.75mm +/- 0.5mm sind 1.25mm bis 2.25mm.

Deine Angaben sind eher +/- 0.05mm.

Ich hab meine Rechenaufgabe mal mit dem 10 mal besseren Wert 0.05mm statt 0.5mm gerechnet.

Bei 3mm Filament und einer -0.05mm Schwankung nach unten ist der Vortrieb statt 1.666mm/s nun um 0.0569mm/s schneller zu stellen. Das ist nun nicht mehr der grosse Unterschied...

Für das 1.75mm Filament bei einer Schwankung von -0.5mm auf 1.7mm macht das eine Veränderung des Vortriebs von 4.898mm/s auf 5.19mm/s also knappe 0.2mm/s mehr.
Sind solche Veränderungen sinnvoll in den Antrieben der Extruder einstellbar?

2-mal bearbeitet. Zuletzt am 20.08.13 08:42.

@eytec:
Nachdem das flüssige FIament kein Gas ist lässt es sich fast gar nicht komprimieren. Trotzdem könnte eine Druckmessung unmittelbar an der Düse ein Ansatz sein. Vorausgesetzt es kommt zu keinem schankenden Gegendruck vom gedruckten Objekt, würde die Düse wie eine ganz normale Messblende funktionieren: [de.wikipedia.org]

Schwierig wird wohl aber eine Messzelle aufzutreiben die klein genug und trotzdem für den Druckbereich exakt genug ist. Den Schmelzbereich kann man ja wohl nicht beliebig vergrößern, sonst quillt der Mist oben raus...

Andere Idee:
Man nimmt einen Teilabschnitt des Filaments und misst dessen Volumen direkt. Z.B. so:
Ein Rohr gefüllt mit einer Flüssigkeit mit Gummidichtungen an beiden Enden. Da läuft das Filament durch - ohne Flüssigkeitsverlust. Ein dünnes Kapillarrohr zweigt ab und führ oben weg. Kleine Volumenschwankungen würden sich dann durch einen hohen Pegelunterschied zeigen.

Itzi deine Randbedingung "ohne Flüssigkeitsverlust" ist wohl eher nicht zu schaffen glaube ich.

Naja, so abwegig ist das auch nicht mit einer ordentlichen Dichtlippe. Ansonsten würde kein Bagger lange funktionieren.

Aber nächste Idee:
Man führt ein Teilsegment durch einen sehr engen Rohrabschnitt (Bowden Extruder?) und beaufschlagt es mit einem konstanten (Luft-) Massenstrom. Mit dem Querschnitt des Filaments ändert sich auch der Spalt und damit der Druckabfall in dem Abschnitt.

Deswegen hatte ich ja geschrieben "etwas komprimiert"
Aber ich habe da schon wieder einen anderen Ansatzpunkt. (Sorry das ich hier gerade etwas herumspinne ohne zu wissen ob es überhaupt machbar ist.)
Im Grunde ist der Extruder eine beheizte Spritze deren Presskolben geschmolzen wird.
Wenn jetzt die Kraft mit der das Filament nachgedrückt gesteuert/gemessen werden kann wäre dies doch auch ne Möglichkeit.
Nach diesem Prinzip funktioniert der Dosierer für UV härtendes Kunstharz den ich mir mal gebaut habe. (Pressluft)
Vermutlich müsste dann ein Servomotor zum Einsatz kommen. Gemessen werden könnte das unter Umständen über die Stromaufnahme des Motors oder einen, ich nenns mal Drehmoment Sensor.

@mstolt.
mit den +/- 0.5 hast Du natürlich recht. Schau mal hier, +/- 0.1 -> [www.formfutura.com]
Andere Hersteller schweigen sich über den Durchmesser aus
+/- 0,1mm bei 1.75mm Material ist im Verhältnis mehr als 0,1mm bei 3mm Material.

Achim

Naja, die Bagger lassen in der Regel keine "endlos" Stange durchlaufen, sondern lassen immer die selbe Stelle die schon fertig geölt ist hin und her laufen. Und die füllen sicherlich auch mal Hydraulikflüssigkeit nach.

Aber: warum nicht bei der guten Mechanischen Lösung von jsturm bleiben. Die funktioniert und sollte wohl auch nicht mehr Reibung am Filament verursachen als z.B. ein Bowden. Nur eben statt der einfachen Messuhr eine elektronische Messuhr nehmen und die auslesen. Mein chinesischer Messschieber für 15 Euro hat z.B. einen 2 Draht Ausgang (Masse, 1.5V, Clock, Daten) aus dem Binärdaten oder BCD herauskommt. So etwas gibt es bestimmt auch als Messuhr.

Die "Schattenmessung" (siehe weit oben) ist übrigens auch schon erfolgreich durchgeführt worden. Nur zur Erinnerung die beiden Links:

[www.soliforum.com] (Messschieber auslesen)

[www.thingiverse.com] (Barcode Scanner als Schattenmesser)

@jsturm Ja ich hab auch gerade mal bei Herstellern und ähnlichen geschaut. Da sind so Werte von +/- 0.02mm bei 1.75mm Filament angegeben (für gute Qualität). Ein Selbstbau Filament Extruder, der Lyman Extruder hat Messungen gemacht und 1.73mm bei +0.02mm und -0.04mm gemessen.

[www.thingiverse.com] Lyman Extruder

Also für selbstgemachtes Filament klingt das wirklich nicht schlecht. Für unsere Überlegungen sollte man wohl mit den +/- 0.1mm als "obere" Grenze ganz gut zurecht kommen.

Beim "Filament Width Sensor - Prototype 2" könnte man ja ein Multimeter mit USB Ausgang ranhängen.
Leider kann ich als Elektronik Laie mit den Angaben nichts anfangen (was ist eine .FUN Datei?) und es nicht nachbauen
Achim

Eine FUN Datei ist das Format von "Cubify Invent" (hat nichts mit der Elektronik zu tun. Das eigentliche "Problem" ist die "Restposten" Platine des Barcode Scanners. Das Teil dürfte schwer als Standard-Teil beschafbar sein.

1-mal bearbeitet. Zuletzt am 20.08.13 11:20.

Also für eine "Schattenmessung" sieht nach erster (sehr kurzer) Recherche das folgende Teil sehr gut aus:

[www.oceanoptics.com] Es ist der Sensor für einen Barcode Reader. Die Auflösung beträgt 14 mykrometer (Pixelbreite).

Die Beschaltung drum herum ist mit wenigen unkritischen Teilen erledigt. Das Timing sollte einfach sein.

Sogar eine Quelle gibt es: für US $22.74 mit Shipping bei [www.aliexpress.com]

Des Scanner ist ein Tsl1401cl (steht weiter unten in den FAQ) und u.A. hier erhältlich -> [www.aliexpress.com]
Nicht gerade billig, aber lieferbar

Interessant sind auch
[www.hamamatsu.com]
[www.hamamatsu.com]

Die haben jeweils 1024 Pixel bei 7.8 µm Pixelbreite als CMOS Sensor. Mal sehen ob es da Quellen gibt.