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RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse

Posted by Lutz95326 
RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 08:44AM
Hallo RepRap-Freunde

nachdem ich eine ganze Menge über das 3D-Drucken und insbesondere über RepRap gelesen hatte, stand fest, sowas muß her...

Da ich bereits über eine CNC-gesteuerte "Spielzeugfräse" (Marke: Proxxon + CNC-Eigenbau + EMC2) verfügte, wollte ich nur anstelle der Spindel (43mm Aufnahme) einen Extruderkopf montieren. Anstelle der üblichen Vorgehensweise mit Nichrom-Widerstandsdraht, Kapton-Klebeband und PEEK/PTFE- Thermoisolierung habe ich mich für ein Edelstahlrohr mit Induktionsheizung entschieden. Ein kleiner PIC-Controller ist für die Heizungssteuerung zuständig. Er hängt über die klassische Paralellschnittstelle an dem EMC2-Steuerrechner. Die Kommunikation erfolgt über ein serielles Protokoll (über die Paralellschnittstelle!) mit einer eigenen HAL-Komponente). Der Schrittmotor für den Vorschub des Kunststoffdrahtes wird direkt per EMC2 als A-Achse gesteuert. Durch die Verwendung eines Schneckengetriebes kann der Kunststoffdraht mit mehr als 100 N in die Extruderdüse gedrückt werden.

Momentan bin ich dabei die besten Parameter für die Umwandlungssoftware (SKEINFORGE) von STL-Datei auf G-Code zu finden. Der klassische Test-Trinkbecher (MINIMUG) hat aber schon ziemlich gut geklappt - Er ist zumindest schon mal dicht.
An der Oberfläche kann noch verbessert werden...

Schöne Grüße aus Bayern

Horst


Wer genial sein will, muss eins sein mit dem Universum.
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VDX
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 11:43AM
... cool! - kannst du mehr Infos zur Induktionsheizung rausgeben?


Viktor
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 12:53PM
Aber klar, Victor

ich habe einen sogenannten "Half-bridge Series Resonant Converter" gebaut.
(Siehe Link: [www.fairchildsemi.com])

Auf Deutsch:
Eine FET-Halbbrücke, die einen Serienschwingkreis bedient (12 Volt / 5 Ampere => ca. 50 Watt Heizleistung).
Der Extruder ist in ca. 50 Sekunden von 24° Raumtemperatur auf 250° Celsius aufgeheizt.
(330°C in ca. 90 Sekunden sind drin, ist aber für ABS natürlich zuviel...)

Verwendet habe ich zwei FET´s (SUM110N06 - 60V / 110 A - 200ns) weil ich sie günstig bekommen habe (1€ pro Stück).
Angetrieben werden sie mit dem Treiber - IC IR2110 und dem PIC 18F14K22 per Software mit ca. 28kHz.
Die Halbbrücke mit den zwei Kondensatoren hat den Vorteil, dass kein Strom fließen kann,
wenn der PIC-Controller mal "vergißt" einen FET auszuschalten.

Der Schwingkreis besteht aus einer Spule mit 30 Windungen (4* 0.8mm Durchmesser verdrillt - wegen Skin-Effekt)
auf einen PE-Spulenkörper mit 30mm Durchmesser und zwei 0,47uF Kondensatoren.

Alle paar Millisekunden stoppt der PIC die Schwingung, um mittels einem PT1000 die Temperatur zu messen und zu regeln.

Im G-Code wird die gewünschte Temperatur über M104-Befehle auf eine HAL-Komponente von EMC2 umgelenkt.
Diese überträgt die Temperatur seriell mit 2400 Baud über einen Pin der Paralellschnittstelle zum PIC.

Der PIC gibt die gemessene Temperatur über einen Paralellport-PIN ebenfalls seriell an den EMC2-Rechner zurück,
wo sie in der AXIS-Oberfläche dem Benutzer angezeigt wird.

Schaltpläne habe ich derzeit nur handgezeichnete - Wenn Bedarf besteht kann ich sie auch reinstellen...

Anmerkung. Die ersten Versuche mit beheiztem Bed (siehe Foto) waren erfolgreich - Ha Ha!

Schöne Grüße aus Bayern

Horst

Edited 2 time(s). Last edit at 02/05/2011 12:57PM by Lutz95326.
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VDX
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 02:44PM
Hi Horst,

das ist schon sehr interessant - wäre super, wenn du die Schaltpläne einstellen könntest!

Es gibt eine 'dev-group' im englischen Bereich, die auch an einer Induktionsheizung dran sind, die haben aber noch keine praktischen Ergebnisse gepostet.

Kannst du evtl. messen, ob du ein Störfeld erzeugst, das stark genug ist, benachbarte Elektroniken zu beeinflussen?

Eventuell wäre eine Abschirmung nach Außen auchnoch interessant ...


Viktor
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 03:50PM
Wow, da kommt mal neuer Wind auf....

Input... würde Nummer 7 jetzt sagen.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 04:32PM
eye rolling smiley

Nummer 5


Bob Morrison
Wörth am Rhein, Germany
"Luke, use the source!"
BLOG - PHOTOS - Thingiverse
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 05, 2011 06:44PM
nagut dann eben 5... stimmt der hieß ja "Nummer 5 lebt"... ich werde langsam vergesslich.. eye rolling smiley


Mfg
Wolfgang
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 06, 2011 09:26AM
Was mich auch intressieren würde, wie du es machst, das du die Kraft auch auf das Filament bekommst.
" Durch die Verwendung eines Schneckengetriebes kann der Kunststoffdraht mit mehr als 100 N in die Extruderdüse gedrückt werden."

Fräst sich bei dir nicht ab einer gewissen Geschwindigkeit der Transport in das Filament ?


Wäre es auch möglich, deine induktionsheizung in die Reprap-Schaltung zu implementieren. Also mit dem 12V Ausgang zu steuern ?

Muß die Spule so groß sein ? Hat das etwas mit der Leistung zu tun oder waren das nur konstruktive Gründe ?


Mfg
Wolfgang
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 06, 2011 02:56PM
Hallo Wolfgang

ich habe die Spule so groß dimensioniert, damit die thermische Abstrahlung der Extruderdüse die Kunststoffspule nicht zu sehr aufheizt.

Der Spuleninnendurchmesser beträgt 23,5mm, der Extruderdüsen-Aussendurchmesser 11mm, so dass ich ca. 6mm Luft ringsherum habe, wo die heiße Luft nach oben abziehen kann.
- Ausserdem benötigen 30 Windungen mit 4*0,8mm Draht auch etwas Platz.

Ich vermute auch, dass ab einer bestimmten Geschwindigkeit das Filament einfach nicht mehr durch die Düse kommt und dann durchrutschen würde.
Das ist mir bisher aber noch nicht passiert - So schnell ist mein Kreuztisch nicht..

Auf jeden Fall ist da ganz schön Kraft dahinter:
Ich habe mal vergessen die Heizung einzuschalten - Das Filament hat sich dann in der Mitte geteilt und um den Antrieb gewickelt.

Natürlich kann man die Heizung auch mit 12V ein-/ausschalten.

Schöne Grüße aus Bayern

Horst

Edited 1 time(s). Last edit at 02/06/2011 02:57PM by Lutz95326.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 06, 2011 05:57PM
Ich hab mir mal das Bild von dem Becher angesehen.
Irgendwas ist ungleichmäßig, entweder ist deine Transporteinrichtung (die Zahnung) schmutzig, oder die Temperatur "schwimmt".

Die Außenperimeter sind sehr unsauber.

Aber du könntest und "Laien" ja mal verraten wie man so eine Schaltung baut smiling smiley
Vielleicht will der ein oder andere so was versuchen nach zu bauen ?


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 01:49AM
Hallo Wolfgang,

die ungleichmässige Oberfläche ist mir auch aufgefallen.

Die "Störungen" treten aber gehäuft an bestimmten Stellen auf (bei Richtungsänderungen des Extruderkopfes wenn die vorherige Lage noch nicht fest ist).

Müßten die Störungen, bei Temperatur- oder Zuführungsproblemen nicht mehr zufällig verteilt sein?
Anmerkung: Auch wenn ich den Würfel öfter drucke, bleiben die Störungen an denselben Stellen

Ich habe mal einen kleinen Würfel (1cm Kantenlänge) gedruckt. Leider läßt sich das schwarze ABS schlecht fotografieren..

Die Störungen sind hauptsächlich:
In der Ansicht von vorne - links am Rand
In der Ansicht von links - rechts am Rand
In der Ansicht von hinten - rechts am Rand
In der Ansicht von rechts - Störungsfrei

Schematisch:
(Würfel von oben - Pfeile deuten auf Fehlstellen)
.............v
............-----
............|.....|
..........>-----
.............^

Für einen Tip wäre ich dankbar!

Die Schaltung (leider nur handgezeichnet) habe ich angefügt - Alles andere ist Software..

Schöne Grüße

Horst

Edited 5 time(s). Last edit at 02/07/2011 01:56AM by Lutz95326.
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 02:38AM
Das Problem mit dem Fotografieren kenne ich smiling smiley

Aber ich weis was du meinst. Das passiert wenn er die Bahnen wechselt. Dann kommt es immer zu einer kleinen Fehlstelle, die man aber auch nicht ganz vermeiden kann.
Du nimmst Skeinforge ?
Bei den neueren Bildern sind die Außenperimeter aber schon besser. Oder sie sind besser Fotografiert.

Für Skeinforge haben wir eine eigene Ecke, wo wir über Einstellungen sprechen, lass uns das da machen, dann bleiben die Diskussionen zusammen. Da kann man noch einiges machen, am besten zeigst du mal einen Würfel von oben.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 09:31AM
der Extruder ist echt schick, aber was ist denn der Vorteil einer Induktionsheizung? Das macht doch nur Sinn wenn ich nicht direkt an das zu Heizende Materal hinkomme, oder ich nur geziehlt an einer Stelle heizen will.
Ich hätte da eher Angst, dass die Spule die Elektronik stört (die sowieso schon recht anfällig auf Felder ist).
Finde es trotzdem eine feine Sache, ist mal was anderes.


my projects: [www.robotik.dyyyh.de] ...
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 12:54PM
Wenn ich sehe, mit welcher Geschwindigkeit der da hoch heizt... macht das schon Sinn..
Und je Punktgenauer die Heizung wirkt, desto besser. Das ist nicht schlecht.

Ist nur etwas groß das Ganze... das ist etwas was mir nicht gefällt.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 01:53PM
Taugt eigentlich der Wirkungsgrad? Ich meine, wie viele Ampére schluckt die Schaltung beim heizen?

Ein Vorteil wäre ja, dass man um die Düse auch problemlos eine Wärmeisolierung anbringen kann. Mit Frischluft zu isolieren ist ja nicht unbedingt energieeffizient.


Generation 7 Electronics Teacup Firmware RepRap DIY
     
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 04:14PM
Hallo Horst,

wie machst Du das mit dem Kunststoffdrahtvorschub?
ReplicatorG macht doch nur M101 um den Drahtvorschub einzuschalten. Der A-Achse-Schrittmotor braucht aber doch Schritt-Signale, möglichst abhängig von der Vorschubgeschwindigkeit?

Rudi
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 07, 2011 04:25PM
@ Rikie

Zitat aus dem 1. Post:
"Der Schrittmotor für den Vorschub des Kunststoffdrahtes wird direkt per EMC2 als A-Achse gesteuert. "


Mfg
Wolfgang
Aller Anfang war schwer - Wolfstrap Reprap-fab.org Meine Meinung

Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 01:28AM
Hallo Goran:

die Lösung mit der Induktionsheizung hat den Vorteil, dass das Führungsrohr aus Edelstahl (worin das Filament zur Düse läuft) durch die
Induktionsheizung so gut wie gar nicht erwärmt wird - Es wird daher keine thermische Barriere benötigt!
Lediglich die Düse (M6-Hutmutter) muss aus einfachen Stahl sein, damit überhaupt etwas warm wird.
Die von der Düse auf das Edelstahlrohr übertragene Wärme ist minimal und wird vom Aluminium-Kühlkörper abgeführt.

Anmerkung:
Ich war selber überrascht, als ich einmal statt meiner Edelstahl-Pinzette mit einem Schraubendreher in der aktiven Spule herumstocherte.
Die Edelstahl-Pinzette bleibt völlig kalt, den Schraubendreher habe ich sehr schnell losgelassen...

Bei 28kHz (das ist kaum mehr als die Zeilenfrequenz eines Röhrenfernsehers) ist das Streufeld nicht sehr groß.
Ich hatte anfangs meine Steuerplatine direkt daneben liegen - ohne Probleme!

Hallo Markus:
Die Idee, die Düse mit Isolierwatte statt mit Luft zu isoleren finde ich gut.
Werde ich vielleicht mal probieren, wenn ich alle Parameter für SKEINFORGE zusammen habe.
Die Heizung benötigt 5-6 Ampere be 12 Volt, was ungefähr 70 Watt elektrische Leistung entspricht.
Man könnte anhand der Masse der Hutmutter und des darin befindlichen Filaments ausrechnen,
wieviel Joule an Wärmeleistung tatsächlich dort ankommen um den Wirkungsgrad zu berechnen.
- Mache ich vielleicht sogar mal, wenn ich Zeit habe.
Ich behaupte einfach mal, dass der Wirkungsgrad auf jeden Fall besser als mit einem Widerstandsdraht ist...
Siehe hierzu die Diskussionen um normale (Widerstands-)Kochfelder und Induktionskochfelder.

Schöne Grüße aus Bayern

Horst


Wer genial sein will, muss eins sein mit dem Universum.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 02:12AM
Quote

Die Heizung benötigt 5-6 Ampere be 12 Volt, was ungefähr 70 Watt elektrische Leistung entspricht.

Das hört sich doch gut an. Hätte ja auch sein können, dass das Ding 20 oder 30 Ampére schluckt.


Generation 7 Electronics Teacup Firmware RepRap DIY
     
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 02:56AM
Ich hab mir nochmal die Schaltung angesehen... ich bin da nicht gerade das was man einen Fachmann nennen kann.

Für was sind die 3 Pins an dem IC 10 11 12 ? HighFet LowFet und Shutdown .
Und dieser Sense, wa hat der für einen Zweck ?

Die Schaltung schwingt doch selber oder muß die von außen angeregt werden ?

Mal für ganz dumme winking smiley


Mfg
Wolfgang
Aller Anfang war schwer - Wolfstrap Reprap-fab.org Meine Meinung

Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 04:37AM
Hallo Wolfgang,

der Schaltplan zeigt nur die Ansteuerung der FET´s mit dem Treiber-IC "IR2110" - Der Rest ist Software.
Die PIN´s 10 (High-FET) und 12 (Low-FET) müssen mit 28kHz von einem Microcontroller (in meinem Fall einen PIC)
angesteuert werden und schalten abwechselnd den oberen und den unteren FET ein bzw. aus.

Der PIN 11 kann beide FET´s gleichzeitigt deaktivieren - Kann man verwenden um die Schaltung stromlos zu machen (z.B. beim Booten).

Der SENSE-Ausgang kommt auf einen Analogeingang des Microcontrollers und kann verwendet werden um den aktuellen Strom durch den Schwingkreis zu messen und anzuzeigen.

Ich hoffe, das hilft Dir weiter.

Schöne Grüße

Horst
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 04:45AM
Ja, danke.
Das heißt also das man die Schaltung so nicht alleine verwenden kann.

Also wie ein "Vorschaltgerät" über das ich die Heizung ein und aus schalten könnte. Ähnlich wie wir das zur Zeit mit dem Widerstand machen.
Gewickelt oder als Festwiderstand mit Heizklotz spielt dabei ja keine Rolle.

So hatte ich mir das vorgestellt als ich dich fragte ob man die Schaltung über den 12V Ausgang der Extruderplatinen steuern könne.


Mfg
Wolfgang
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VDX
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 04:46AM
Hi Horst,

... wie siehts mit einer Abschirmung aus?

Auch wenn die benachbarten Platinen nicht gestört zu sein scheinen, evtl. strahlt die Spule stark genug ab, um andere Geräte zu beeinflussen oder sogar im Dauereinsatz eine Gefährdung für den Anwender zu sein?


Viktor
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 04:59AM
Hallo Wolfgang,

im Prinzip musst Du nur schnell genug ein- und ausschalten smileys with beer

Offenbar habe ich dich falsch verstanden - Sorry!

- Wäre aber kein Problem eine kleine Steuerkarte mit eigenen Taktgeber zu bauen.
Dann könntest Du mit An- / Abschalten der 12 Volt die Heizung steuern.

Ich würde aber trotzdem die Temeraturregelung von der Steuerkarte erledigen lassen und nur die
gewünschte Temperatur übergeben. Das mache ich seriell von der EMC2 - Software über den
Paralellport (seriell über Paralellport - Ihr habt euch nicht verlesen).
- Die gemessene Temperatur geht auf den gleichen Weg zu EMC2 zurück.

Schöne Grüße

Horst
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 05:09AM
Lutz95326 Wrote:
-------------------------------------------------------

> im Prinzip musst Du nur schnell genug ein- und
> ausschalten smileys with beer

Jow, bei meinem Tremor gar kein Problem spinning smiley sticking its tongue out


>
> Offenbar habe ich dich falsch verstanden - Sorry!

macht ja nichts...

>
> Ich würde aber trotzdem die Temeraturregelung von
> der Steuerkarte erledigen lassen und nur die
> gewünschte Temperatur übergeben.

Aus welchem Grund ?

Momentan wird die Temperatur über den Termistor von der Extruderplatine oder dem entsprechenden Eingang am (Ramps) Motherboard überwacht und entsprechend der 12V Ausgang gesteuert.
Warum sollte das nicht auch bei dieser Art zu heizen funktionieren ?


Mfg
Wolfgang
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 05:41AM
Hallo Wolfgang,

ja ich denke, das müsste auch gehen.

Hat den der Microcontroller auf der Extruderplatine nicht noch zwei PIN´s frei um die FET´s
per Treiber-IC selber zu steuern?

Ist er schnell genug um 28kHz zu takten?

Mein Algorithmus schaltet alle paar Millisekunden die Heizung ab, um in der Pause die
Temperatur zu messen - Könnte der Atmel natürlich auch machen...

Schöne Grüße

Horst
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 06:04AM
Da bin ich überfragt.
Das mußte der Traumpflug beantworten können. Er beschäftigt sich mit der Firmware und Programmierung.

Also Pins sind da noch genug frei... der Mega hat ja was um die 54pins oder so... jedenfalls jede menge.

Aber ob der den Takt kann ????
Vielleicht nen Quarz direkt mit auf die Schaltung. (falls sowas funktioniert)

Aber das ist nicht mein Fach... nur oberflächlich.


Mfg
Wolfgang
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Erfahrungen kann man leider schlecht weiter geben, die muss man selber machen.
VDX
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 07:26AM
... die Arduinos sind meist mit einem 16MHz-Quarz bestückt, was ihre maximale Bandbreite definiert - [arduino.cc]

Die eigentlich mögliche maximale Geschwindigkeit wird auch noch vom Code vorgegeben - optimierter Maschinencode ist immer schneller als generierter Code aus C/C++ oder dem Derivat der Aruino-IDE ...


Viktor
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Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 07:44AM
28kHz zum generieren durfte keine Problem geben mit ein 16MHz clock.


Bob Morrison
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VDX
Re: RepRap-Extruderkopf für CNC-Fräse
February 08, 2011 07:55AM
... die 28kHz sind kein Problem - eher das saubere Timing ohne Interrupt, wenn da noch andere zeitkritischen Komponenten mitlaufen ...


Viktor
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