Pulse Jet Dragster (Teil 1): Das Fahrgestell entsteht

Wie kann eigentlich ein RC-Car angetrieben werden?

Mit einem Elektromotor, einem Einzylinder-Verbrennungsmotor, mit einem Dampfkessel oder gar mit einer Modell-Turbine – alles möglich und alles schon irgendwie mehr oder weniger schon mal gesehen.

Da ich mich schon immer für Düsentriebwerke und deren simpleren Vorgänger, den sog. Pulso-Triebwerke (engl. Pulse Jet) begeistern kann, reifte die Idee, mal ein Pulse Jet Triebwerk zu bauen oder günstig zu beschaffen und dieses auf ein RC Car zu verpflanzen – es muss ja nicht immer ein Flugzeug sein.

Besonders  zwischen den 50iger bis hinein in die 80iger Jahre des vergangenen Jahrhunderts waren Flugzeugmodell mit Pulse Jet-Antrieben wirklich angesagt – sicherlich auch, weil die Triebwerek einen wahnsinnig charakteristischen Sound verursachen. Populär waren in der Zeit Triebwerke wie der Dyna Jet, der glücklicherweise von Hobby King unter dem Namen Red Head Pulse Jet jüngst wieder reanimiert wurde.

Beachtlich ist das Potential dieser Dyna Jet-Kopie, bringt doch dieses winzige Verdampferstrahltriebwerk (Länge ca. 550mm, 60mm Durchmesser) etwas mehr als 3.5 Pfund Schub, bei Verwendung von normalem KfZ-Benzin.

Anordnung des Triebwerks mit dem Tank...

Red Head von Hobby King.

Hier mal ein Video des HK Red Head Pulso-Triebwerks im Testbetrieb, gefunden bei YT:

 

Die Rahmenbedingungen

Basierend auf diesem Treibwerk habe ich angefangen mir Gedanken für ein passendes RC-Fahrgestell zu machen. Meine Überlegungen sind schnell bei sog. Dragstern hängengeblieben. Denn diese Fahrzeuge sind für schnelle, impulsive Geradeausfahrten konzipiert. Genau richtig für ein Pulse Jet-Triebwerk, denn dieses lässt sich eigentlich nur mit 100% Leistung nutzen – hochfahren und drosslen ist quasi nicht vorgesehen. Daher kommen dann auch nur schnelle Fahrten auf gerader Strecke in Betracht – das ist Dragster-Domäne.

Um das Triebwerk nicht zu zerstören ist eine ausreichende Kühlung durch umströmende Luft wichtig. Dabei sollte die Nutzungsdauer ohne Wind-Anströmung 10-20 Sekunden nicht übersteigen, da durch die Betriebstemperaturen von über 1000° C andernfalls die sog. Flatter-Ventile sofort beschädigt werden.

Um das Maximum an Schub nutzen zu können, darf das Eigengewicht des Fahrzeugs nicht zu groß sein. Da ich eine maximale Fahrtdauer von ca. 20 Sekunden anpeile, und das Red Head ca. 4 ml Benzin pro Sekunde verbraucht, komme ich mit einem relativ kleinen Tank aus – 100-150ml sollten ausreichen (etwas mehr Volumen braucht es, da gerade in der Anlaßphase mitunter mehr Sprit benötigt wird).

Der Fahrzeugrahmen, so meine Überlegung,  soll aus 2mm Aluminium-Blech, welches geschraubt und genietet ist, aufgebaut werden. Was die Dimensionierung betrifft, so misst der geplante Fahrzeug-Rahmen in der Länge 1300mm.

Um ein geringes Eigengewicht des Rahmens zu erreichen sind Boden- und auch die Seitenbleche mit entsprechenden Aussparungen versehen.

Mal sehen wo die Reise bei diesem Projekt hingeht…

 

Bisher habe ich den Fahrzeugrahmen konzipiert, soweit bin ich bisher gekommen:

Eine erste Entwurfsskizze...

Eine erste Entwurfsskizze…

Konstruktionsskizze in 1:10 zeigt einen ersten Entwurfsweg auf...

Konstruktionsskizze in 1:10 zeigt einen ersten Entwurfsweg auf…

CAD-Blechkonstruktion: linkes Seitenteil des Dragster-Rahmens.

CAD-Blechkonstruktion: linkes Seitenteil des Dragster-Rahmens.

Leiterrahmen: Die Seitenteile werden mit 3mm-Blindnieten an das Bodenblech genietet. Untereinander werden die Seitenbleche mittels M4-Schrauben an der Oberkante zusammengehalten werden.

Leiterrahmen: Die Seitenteile werden mit 3mm-Blindnieten an das Bodenblech genietet. Untereinander werden die Seitenbleche mittels M4-Schrauben an der Oberkante zusammengehalten werden.

Einpassen: Pulso-Triebwerk im konstruierten Leiterrahmen vorläufig in Position gebracht.

Einpassen: Pulso-Triebwerk im konstruierten Leiterrahmen vorläufig in Position gebracht.

Nun geht es an die Beschaffung passender Reifen, die Konstruktion einer Lenkung und die Entwicklung von Befestigungspunkten für Pulse Jet, Tank, Servo, RC-RX und Akku…

Update, 30.3.:

Ich habe das Fahrgestell noch einmal überarbeitet und das Pulso-Mock-Up-Modell angepasst.

Nach einer ersten Berechnung kommt das Fahrgestell bei Verwendung von 2mm Al-Blech auf ein Eigengewicht von ca. 1450 Gramm. Bei 1,5mm Blech sinkt das Eigengewicht auf ca. 1000g. Das erscheint mir zur Zeit noch sehr viel – mal schauen, woe ich noch Gewicht einsparen kann.

Hier mal wieder einige Bilder der heutigen Arbeiten:

3D-Konstruktion eines Red Head für die Montage-Überprüfung basiert auf dem Red Head Manual.

3D-Konstruktion eines Red Head für die Montage-Überprüfung basiert auf dem Red Head Manual.

Die Breite des Fahrzeugrahmens ist unverändert geblieben. Zu beiden Seiten ist ein 50mm breiter Spalt zwischen Triebwerkendrohr und den Seitenblechen - so kann ausreichend Luft zur Kühlung strömen und die Seitenbleche werden nicht so schnell erhitzt.

Die Breite des Fahrzeugrahmens ist unverändert geblieben. Zu beiden Seiten ist ein 50mm breiter Spalt zwischen Triebwerk-Endrohr und den Seitenblechen – so kann ausreichend Luft zur Kühlung strömen und die Seitenbleche werden nicht so schnell erhitzt.

Die Seitenbleche sind ebenfalls überarbeitet - die Aussparung auf Höhe der Brennkammer ist jetzt kürzer.

Die Seitenbleche sind ebenfalls überarbeitet – die Aussparung auf Höhe der Brennkammer ist jetzt kürzer.

Die Querstrebe ist aus gekantetem Blech konstruiert. Jede Stirnfläche ist zweifach gekantet.

Die Querstrebe ist aus gekantetem Blech konstruiert. Jede Stirnfläche ist zweifach gekantet.

Abgeänderte Konstruktion: Das Bodenblech ist kürzer - unter dem Triebwerk wird kein Bodenblech benötigt. Stattdessen sind unter dem Triebwerk zwei Querstreben, an denen die Triebwerk-Halterungen montiert werden sollen.

Abgeänderte Konstruktion: Das Bodenblech ist kürzer – unter dem Triebwerk wird kein Bodenblech benötigt. Stattdessen sind unter dem Triebwerk zwei Querstreben, an denen die Triebwerk-Halterungen montiert werden sollen.

Update vom 31.3.:

Ich habe das Fahrgestell noch etwas überarbeitet. In der Version 3 sind ist die Blechstärke auf 1,5mm reduziert. Die Breite ist stark reduziert. Zudem hat das Bodenblech noch zusätzliche Aussparungen bekommen. Die Turbine sitzt jetzt richtig im Fahrgestellt. Eine Wheelie bar habe ich ebenfalls entworfen – diese muss ich aber noch länger ausgestalten.

Hier einige Bilder des CAD-Modells (Version 3)…

In der Version 3 ist das Fahrgestell nun schmaler geworden. Auch das Bodenblech hat mehr Aussparungen.

In der Version 3 ist das Fahrgestell nun schmaler geworden. Auch das Bodenblech hat mehr Aussparungen.

Die Querstege und auch das Triebwerk sitzen jetzt entsprechend symmetrisch in das Fahrgestell.

Die Querstege und auch das Triebwerk sitzen jetzt entsprechend symmetrisch in das Fahrgestell.

Eine Wheelie bar ist nun auch hinzugekommen. Diese muss aber noch länger werden.

Eine Wheelie bar ist nun auch hinzugekommen. Diese muss aber noch länger werden.

 

Also, stay tuned und horrido….

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Prusa-Upgrade, Teil 4: Umrüstung auf E3Dv6-Hotend

E3dv6 Hottend ist montiert...

E3dv6 Hottend ist montiert…

Hier finden sich die vorherigen Postings zum Upgrade: Teil 1Teil 2 und Teil 3.

Entgegen meinem letzten Bericht hatte ich zwischenzeitlich größere Probleme mit meinem J-Head MKV Hotend. Zunächst dachte ich, der Fehler hätte etwas mit meinen Extruder zu tun. Doch immer wiederkehrende Filament-Jams legten den Schluss nahe, dass der Liner im bisher (fast ein Jahr) problemlos funktionierenden J-Head seine beste Zeit bereits überschritten hatte. Aus dem Grund habe ich mich dann zum Einbau des bereits E3Dv6-Hotendes entschlossen – obwohl ich diesen zeitaufwändigen Umbauschritt eigentlich etwas verschieben wollte.

Aufwändig gestaltete sich die Umrüstung deshalb, da zunächst das alte Hotend ausgebaut, alle Kabel aus dem Spiralschlauch zu schälen waren. Anschließend musste das E3Dv6-Hotend zusammengebaut werden – das ging ziemlich einfach von der Hand, auch dank der wirklich guten Anleitung vom Hersteller. Bedingt durch das neue Drucker-Gehäuse musste ich alle Verkabelungen zum E3D (Heizleitung, Lüfter, Temperatur-Sensor) um ca. 40 Zentimeter verlängern. Leider passte die Befestigungsseite des Cold-Ends nicht ohne Schwierigkeit in mein Wade-Extruder – also musste der Extruder komplett vom X-Schlitten demontiert werden, um die Befestigungs-Bohrung etwas nachzuarbeiten. Dieser Schritt erleichterte letztlich aber die Befestigung des E3Ds im Extruder selbst. Nach Verkabelung der Hotends mit dem Ramps-Board und Bündelung der Leitungen zu einem Kabelbaum mittels Spiralschlauch folgte die PID Autotune-Prozedur (M303 S285 C8). Die so ermittelten Werte trug ich anschließend in die Config.h in Marlin ein und flashte den Arduino neu.

Letze Baustelle der Umrüstung war die Anfertigung eines Halteblechs für den Z-Endstop, da das E3Dv6 länger ist als mein altes J-Head und die vormalige Endstop-Montageposition nicht mehr stimmte. Die Halterung fertigte ich aus 2mm Alu-Blech an, welches ich noch kantete um es ohne Probleme an der vorhandenen Befestigung montierten zu können. Es folgte die Justierung des Endstops und die Nivelierung des Druckbetts. Den Abstand zwischen Glasplatte und Düse ermittelte ich nach der Papiermethode. Vier Durchgänge brauchte ich letztlich, um das Druckbett entsprechend auszurichten. In Cura änderte ich noch die Settings auf 0,4mm Nozzle Diameter und 0.75mm Retraction. Ein anschließend durchgeführter Probedruck eines Kalibrierungsquarders mit PLA brachte ein gutes Ergebnis.

Insgesamt sind mittlerweile nur noch zwei Dinge zu erledigen, dann bin ich mit dem Upgrade zufrieden:

  • Ich verlängere die Display-Flachbandkabel, um den LCD/SD-Karten-Controller auf dem Gehäuse zu befestigen (Kabel ist gerade angekommen)
  • Um die Elektronik, die an der Rückseite des Gehäuses angebracht ist, will ich noch eine Abdeckung anbringen, damit die Kabel etwas besser geschützt sind. Dazu möchte ich eigentlich einen alten Tupper-Behälter mit passenden Abmessungen nutzen – mal sehen, was in der Küche zu finden ist…

Hier einige Impressionen zum Geschilderten:

Demontage: Das J-Head-Hotend wird abgebaut.

Demontage: Das J-Head-Hotend wird abgebaut.

Kabelbaum wird zerrupft.

Kabelbaum wird zerrupft.

Das neue Hottend ist am Extruder befestigt. In diesem Zustand findet auch Auto-Tune statt und die Düse wird im heißen Zustand nochmals angezogen - dann ist selbstverständlich der Coldend-Kühler (blau) montiert und läuft permanent.

Das neue Hottend ist am Extruder befestigt. In diesem Zustand findet auch Auto-Tune statt und die Düse wird im heißen Zustand nochmals angezogen – dann ist selbstverständlich der Coldend-Kühler (blau) montiert und läuft permanent.

Für das 1,75mm Filament ist dem E3Dv6 Hottend ein PTFE-Schaluch beigelegte, der verhindern soll, dass das Filament durch den Direktextruder gequetscht oder verbogen wird. Daher ist der Schlauch möglichst nahe an das Treibrad heranzuführen.

Für das 1,75mm Filament ist dem E3Dv6 Hottend ein PTFE-Schaluch beigelegte, der verhindern soll, dass das Filament durch den Direktextruder gequetscht oder verbogen wird. Daher ist der Schlauch möglichst nahe an das Treibrad heranzuführen.

E3dv6 Hottend ist montiert...

E3dv6 Hottend ist montiert…

Die Halterung für den Z-Endstop ist aus einem Alu-Blech improvisiert.

Die Halterung für den Z-Endstop ist aus einem Alu-Blech improvisiert.

Überarbeitete Halterung für den Z-Endstop.

Überarbeitete Halterung für den Z-Endstop.

Der Abstand zwischen Druckbett und Hottend-Düse wird mittels einem Blatt Papier eingestellt.

Der Abstand zwischen Druckbett und Hottend-Düse wird mittels einem Blatt Papier eingestellt.

Probedruck: Print eines quadratischen Körpers.

Probedruck: Print eines quadratischen Körpers.

Horrido und stay tuned…

Prusa-Upgrade, Teil 3: Fertig (fast)!

Octoprint liefert seine Videobilder per Wlan aufs Tablet - so habe ich auch aus der Distanz die Kontrolle.

Octoprint liefert seine Videobilder per Wlan aufs Tablet – so habe ich auch aus der Distanz die Kontrolle.

Für alle Neu-Einsteiger in diesen Post: Hier geht es zum 1. und 2. Teil des Upgrade-Berichts.

Es ist vollbracht: Das Prusa- Upgrade ist fertig, zumindest fast. Lediglich das E3Dv6-Hotend muss ich noch verbauen, doch da mein derzeitiges Hottend tatsächlich so gut funktioniert, werde ich das E3D zu einem späteren Zeitpunkt einbauen. In dem Zuge werde ich meine gerade bestellte Dauerdruckplatte (mit Pei-Beschichtung) ebenfalls montieren, da ich vorhabe, nicht mehr mit Haarspray auf der Glasplatte zu arbeiten.

 

Was habe ich in den letzten Tagen noch gemacht?

  • Mein defektes Arduino (Sainsmart) Mega 2560 getauscht und alles Endstops und deren korrekte Verdrahtung geprüft. In dem Rahmen habe ich festgestellt, dass ich den Z-Endstop falsch verkabelt hatte (VCC lag auf dem Signalen) was offensichtlich den Arduino in die ewigen Jagdgründe schickte. Nun sind bei keinem Endstop mehr der VCC-PIN angeschlossen – der wird auch nicht wirklich benötigt, denn letztlich ist der Spannungsanschluss nur für die auf den Endstops verbaute LED zuständig. Ob die nun leuchtet oder nicht ist für die Funktion des mechanischen Endstops völlig unerheblich.
  • Octoprint: Rapsberry Pi-Cam installiert, eine entsprechendes Gehäuse gedruckt und eine Halterung für die Cam am Teko-Gehäsue entworfen und ebenfalls gedruckt
  • Ein PLA-Probedruck – dazu habe ich gleich ein Teil meines neues Projekt (Bau eines Funktionschnittmodells einer Flugzeugturbine – dazu werde ich bald mal was schreiben) gedruckt. Leider hatte ich ein Filament-Stau – den ich aber glücklicherweise beheben konnte
  • Messungen der Innentemperatur des Druckers und des Schallpegels, Ergebnis: Der Innenraum ist deutlich wärmer als die Umgebungstemeperatur (Raumtemp. von 17,5°C vs. 23°C im Inneren des Druckergehäuses), dieser Umstand kommt hoffentlich dem zukünftigen Drucken zu Gute.
    Der Schallpegel hat sich um ca. 10 dB verringert – d.h. die gefühlte Lautstärke hat sich ca. halbiert! So macht Arbeiten in der Bastelkammer dann schon wieder mehr Freude.

Hier mal einige Bilder dazu:

Noch ist das LCD-Display hinter dem Gehäuse zu finden, da das Flachbandkabel zu kurz ist. Das wird noch zügig durch neues Kabel behoben.

Noch ist das LCD-Display hinter dem Gehäuse zu finden, da das Flachbandkabel zu kurz ist. Das wird noch zügig durch neues Kabel behoben.

Eigenkonstruktion: Die Halterung, um die PiCam-Halterung am Teko-Gehäuse zu befestigen ist extra dafür entworfen worden.

Eigenkonstruktion: Die Halterung, um die PiCam-Halterung am Teko-Gehäuse zu befestigen ist extra dafür entworfen worden.

RPi (mit Octoprint und Cam) an Ort und Stelle im Druckergehäuse...

RPi (mit Octoprint und Cam) an Ort und Stelle im Druckergehäuse…

Installiert: RPi mit Cam und Wlan sind im Gehäuse befestigt. Die Kamera ist auf das Druckbett ausgerichtet.

Installiert: RPi mit Cam und Wlan sind im Gehäuse befestigt. Die Kamera ist auf das Druckbett ausgerichtet.

Leider war beim ersten Druck das Filament zu stramm eingespannt - das führte zum Jam...

Leider war beim ersten Druck das Filament zu stramm eingespannt – das führte zum Jam…

Der erste Druck im neuen Heim...

Der erste Druck im neuen Heim…

2. Messung des Schallpegels beim Druck - im Vergleich ist der Pegel um 10 dB geringer. D.h. die wahrgenommen Lautstärke hat sich halbiert.

2. Messung des Schallpegels beim Druckvorgang (diesmal ist der Prusa im geschlossenen Gehäuse untergebracht) – im Vergleich ist der Pegel um 10 dB geringer. D.h. die wahrgenommen Lautstärke hat sich halbiert.

Aus einem Meter Abstand macht der Drucker schon Lärm...

1. Messung: Aus einem Meter Abstand macht der Drucker schon wirklich Lärm, so ohne schützendes Gehäuse…

Soweit für heute

 

Horrido und stay tuned.

 

 

Prusa-Upgrade, Teil 2: Die Ausstattung nimmt Form an.

Das Upgrade-Projekt geht langsam weiter – dies ist der 2. Teil. Zum 1. Teil gehts hier.

Mittlerweile habe ich passende Halterungen für das PC-Netzteil und die Ramps/Arduino-Kombination gedruckt und angebracht. Zwischendurch habe ich mich noch mit der Struktur-Festigkeit der Netzteil-Halterung auseinandergesetzt – in diesem Posting gibts mehr zu dem Thema. Die Halterungen sind in PLA (0.2mm Layerhöhe, 30% Infill) gedruckt.

Die Halterung für das PC-Netzteil entsteht...

Die Halterung für das PC-Netzteil entsteht…

Hier Halterungen sind gedruckt: Ramps/Adruino-Halterung (links) und die drei Teile für die PC-Netzteil-Halterung.

Hier Halterungen sind gedruckt: Ramps/Adruino-Halterung (links) und die drei Teile für die PC-Netzteil-Halterung.

Probemontage der gedruckten PC-Netzteil-Halterung.

Probemontage der gedruckten PC-Netzteil-Halterung.

Angebracht: Die Halterungen sind an der Rückseite des Gehäuses angebracht.

Angebracht: Die Halterungen sind an der Rückseite des Gehäuses angebracht.

Um später auch ausreichend Licht innerhalb des Gehäuses zu haben, ist nun im Inneren (an den oberen Kanten) ein LED-Streifen einmal herum verklebt:

Für ausreichend Licht sorgt ein LED-Streifen, der an der Oberkante des Gehäuses befestigt wird.

Für ausreichend Licht sorgt ein LED-Streifen, der an der Oberkante des Gehäuses befestigt wird.

Somit ist für die angedachte USB-Kamera, die mittels Octopi gesteuert wird, für gute Beleuchtung gesorgt.

Apropos Octopi – für den Raspberry Pi B+ habe ich ein zweiteiliges Gehäuse aus PLA (0.2mm Layerhöhe, 30% Infill) gedruckt und den Pi darin untergebracht. Das Gehäuse habe ich bei thingiverse gefunden:

Die gedruckten Gehäuseschalen passen gut zusammen.

Die gedruckten Gehäuseschalen passen gut zusammen.

Der Raspberry Pi B+ passt ohne Nacharbeit in das Gehäuse.

Der Raspberry Pi B+ passt ohne Nacharbeit in das Gehäuse.

Draufsicht.

Draufsicht.

Raspberry Pi B+ in gedrucktem Gehäuse. Statt die beiden Schalenhälften zu verschrauben habe ich Iso-Tape zur Befestigung genutzt, denn die Schalen halten durch die enge Passung gut zusammen.

Raspberry Pi B+ in gedrucktem Gehäuse. Statt die beiden Schalenhälften zu verschrauben habe ich Iso-Tape zur Befestigung genutzt, denn die Schalen halten durch die enge Passung gut zusammen.

An dem Gehäuse ist vorteilhaft, dass die GPIO-Pins frei zugänglich sind. Denn ich habe vor, noch einen Temperatur/Feuchtigkeitssensor DHT-22 anzuschließen, um Messungen innerhalb des Gehäuses vorzunehmen und mit dem Raspberry Pi zu loggen.

Update 9.3.2015:

Leider hat das Setup mit der USB-Kamera am Pi (Octopi) nicht funktioniert. Daher habe ich mich entschlossen stattdessen mein alten Pi B mit einem Teko-Gehäsue zu nutzen. Als zuverlässige Kamera nutze ich eine frisch eingetroffene Raspberry Pi-Cam. Aus dem Grund musste ich in das Teko-Gehäuse ein Langloch fräsen, um das Flachbandkabel der Kamera vom Pi zur Kamera hindurch führen zu können. Ferner habe ich eine passende Halterung entworfen und gedruckt, um den Pi im Drucker-Gehäsue montieren zu können.

CAD-Modell der konstruierten RPi-Teko-Gehäuse-Halterung.

CAD-Modell der konstruierten RPi-Teko-Gehäuse-Halterung.

Die selbstkonstruierte und gedruckte RPi-Teko-Halterung (schwarz) ist gut zu erkennen. Das Teko-Geäuse wird einfach nur auf die Halterung geschoben.

Die selbstkonstruierte und gedruckte RPi-Teko-Halterung (schwarz) ist gut zu erkennen. Das Teko-Geäuse wird einfach nur auf die Halterung geschoben.

Gedruckte Halterung - passend für das Teko-RPi B-Gehäuse.

Gedruckte Halterung – passend für das Teko-RPi B-Gehäuse.

Für den Octoprint (Octopi) habe ich nun ein Raspberry Pi-Cam, da die China USB-Webcam leider zu unzuverlässig war.

Für den Octoprint (Octopi) habe ich nun ein Raspberry Pi-Cam, da die China USB-Webcam leider zu unzuverlässig war.

Um die Dpi-Cam anschließen zu können, musste ich ein Druchgangslangloch für das Flachbandkabel in der Gehäuse fräsen.

Um die Dpi-Cam anschließen zu können, musste ich ein Druchgangslangloch für das Flachbandkabel in der Gehäuse fräsen.

RPi-Cam ist montiert. Nun fehlt noch ein passendes Gehäuse für die Cam.

RPi-Cam ist montiert. Nun fehlt noch ein passendes Gehäuse für die Cam.

Beim Einbau des Druckers in das Gehäuse habe ich am Wochenende auch einige Fortschritte gemacht. Nach der Demontage der Elektronik kam der Drucker an seinen neuen Platz und wurde mittels drei gedruckter Halterungen auf die Bodenplatte montiert.

Die Kabel wurde entwirrt und die Elektronik und das Netzteil an der Rückwand befestigt und verkabelt. Einige Leitungen musste ich etwas verlängern.

Vor der Demontage: Die Steuerung am Prusa i3.

Vor der Demontage: Die Steuerung am Prusa i3.

Entwirrt - die Verkabelung der Schrittmotoren, Endstops, Heizbett und Hottend sind entwirrt. Glücklicherweise sind fast alle Kabel lang genug, um die Prusa Steuerung später an der Aussenseite des Gehäuses anbringen zu können. Nur wenige Kabelstränge müssen verlängert werden.

Entwirrt – die Verkabelung der Schrittmotoren, Endstops, Heizbett und Hottend sind entwirrt. Glücklicherweise sind fast alle Kabel lang genug, um die Prusa Steuerung später an der Aussenseite des Gehäuses anbringen zu können. Nur wenige Kabelstränge müssen verlängert werden.

Montage der Elektronik an die Rückwand.

Montage der Elektronik an die Rückwand.

Elektronik und Netzteil sind an der Rückwand montiert.

Elektronik und Netzteil sind an der Rückwand montiert.

Beleuchtung ist aus - gut zu verstehen, dass ein Lichtquelle im Inneren nötig ist...

Beleuchtung ist aus – gut zu verstehen, dass ein Lichtquelle im Inneren nötig ist…

Prusa i3 ist im Gehäuse am Boden fest verschraubt. Hier ist die Beleuchtung probehalber eingeschaltet.

Prusa i3 ist im Gehäuse am Boden fest verschraubt. Hier ist die Beleuchtung probehalber eingeschaltet.

Leider habe ich einen Fehler bei der Verkabelung der dreipoligen Endstopp-Verkabelung gemacht. Beim Z-Endstop-Schalter habe ich versehentlich VCC auf den Signal-Kanal gepolt. Dadurch ist offensichtlich mein Arduino Mega 2560 abgeraucht – nach Anfahrt des Endstops viel die gesamte Steuerung aus… nun muss ich wohl in ein neues Board investieren – ein vermeidbarer Fehler, der mir gezeigt hat, dass man lieber nicht bis in die späte Nacht hinein basteln sollten, denn irgendwann ist die Konzentration einfach weg.

 

Soweit für heute.

Horrido und stay tuned.

 

Struktur-Analyse: Finite Element Analyse eines 3D-Druckteils aus PLA

Blog-Aufmachermotiv

Was hält eigentlich ein gedrucktes Bauteil aus? Muss ich einen Probedruck machen, und dann eine entsprechende Testreihe, um das heraus zu finden? Kann man nicht am Computer die Verformung eines Bauteils berechnen und sich die auftretenden Veränderungen ansehen, um ggf. vor dem Druck das Bauteil im CAD-Modell zu überarbeiten?

Um es gleich vorweg zu sagen: JA, man kann – auch als Autodidakt, Nicht-Fachmann und Bastler, mit kostenfreier Software und etwas Zeit, um sich mit dem Thema auseinander zu setzen!

Wie genau das geht, was man benötigt und wie ich vorgegangen bin, dies werde ich hier nun Schritt für Schritt erklären.

 

Ausgangspunkt für meine Neugierde war mein aktuelles Upgrade für den Prusa. Im Rahmen des Projekts habe ich ein Gehäuse gebaut, in welchem der Drucker seinen Platz finden soll. Die Elektronik samt ATX-PC-Netzteil soll an die Rückwand montiert werden. Glücklicherweise habe ich zur Befestigung des Netzteils bei thingiverse eine entsprechende Halterung gefunden. Diese sah für mich sehr vernünftig entworfen aus, doch beim Anheben meines Netzteils bekam ich etwas Zweifel, ob die Konstruktion tatsächlich halten würde. Denn das 420W-Netzteil bringt ca. 1,4 kg auf die Waage.

Doch bevor ich in einer stundenlangen Drucksession die Teile für die Halterung drucke, wollte ich vorher sicher sein, dass diese Vorrichtung auch Ihren Dienst erfüllt.

Um mir Gewissheit zu verschaffen viel mein Augenmerk auf ein weitverbreitetes rechnergestütztes Verfahren, welches auf Basis von CAD-Daten und angenommene Kräfte und unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften, die Vorhersage, wie sich das Bauteil bei einer bestimmten Belastung verhalten wird. Dieses Verfahren ist die sogenannte Finite Element Methode (FEM) bzw. Finite Element Analyse (FEA). Die FEA, so die Abkürzung, ist eine mathematisch-numerische Methode zur Beschreibung von Strukturproblemen. Bei der Anwendung der Methode wird die Bauteil-Struktur in endlich viele, kleine Elemente zerlegt – die sog. Finiten Elemente. Element sind z.B. Stäbe, Balken Schalen oder Volumenelemente. Diese Elemente sind untereinander mittels sog. Knoten verbunden. Die FEA-Software macht, einfach ausgedrückt, eine Berechnung, wie sich die einzelne Knoten zueinander verschieben, wenn auf die Elemente Kräfte wirken. Mit Hilfe der FEA können virtuelle Bauteile (CAD-Modelle) am Computer berechnet und auftretende Verformungen und Spannungen unter Krafteinfluss simuliert werden. Die Berechnungsergebnisse dienen dann zur Festigkeitsabschätzung – also genau das, was ich brauche, um eine Aussage über die Stabilität des Bauteils treffen zu können.

 

Konstrukteure und Ingenieure bestimmen mit diesem Verfahren in der Hauptsache die Festigkeit und Steifheit eines Produktes, indem Spannungen und Verformungen (in der FEA sind es sog. Verschiebungen) auftreten. Die Art der Analyse und die Berechnung hängen von dem jeweiligen Produkt/Bauteil, der Art der Lasten (Kräfte) und der erwarteten Fehlerart (Versagenskriterien sind z.B. Bruch, plastische Verformung, elastische Verformung) ab:

  • Kurze/starke Strukturen versagen meist aufgrund von Materialversagen (die zulässige Zugfestigkeit des Materials wird überschritten) – der Bruch des Teils ist die Folge
  • Lange/schlanke Strukturen segnen das Zeitige aufgrund von Instabilität der Struktur (plastische Verformung, d.h. die Streckgrenze des Materials wird überschritten) – die Folge ist das Knicken der Geometrie.

 

Auch das verwendete Material hat einen erheblichen Einfluss auf die FE-Analyse:

  • Metallkomponenten erfordern meist eine lineare Analyse, sofern die wirkende Last unterhalb der Fließgrenze des Materials liegt.
  • Kunststoffe und Gummiartige Materialien bedürfen einer nichtlinearen Analyse. Für Metalle gilt das auch, sofern die Last über der Fließgrenze des Metalls liegt.

 

Soweit die graue und zugegeben, sehr verkürzte Theorie. Als Autodidakt und Bastler geht es mir eher um die praktische Nutzanwendung. D.h. in diesem Fall: Wie und mit was komme ich zum Ergebnis?

In professionellen CAD-Softwarepakten wie z.B. Solidworks sind entsprechende FEM-Module bereits integriert. Stand Alone Programme wie ANSYS scheiden ja für den Hobby-Bastler generell aus. Auch im kostenlosten CAD-Programm FreeCAD gibt es ein entsprechendes Modul.

Doch beide Varianten schieden für mich aus – sowohl aus finanziellen Gesichtspunkten (Solidworks) als auch aus Mangel an guter Dokumentation (das FEM-Modul für FreeCAD ist fast überhaupt nicht sinnvoll in der Anwendung beschrieben).

Glücklicherweise gibt es aber eine aus Deutschland kommende FEA-Freeware, die sehr gut dokumentiert ist, diese Software heißt: Z 88 Aurora und kann direkt kostenfrei heruntergeladen werden.

Der Vorteil, aus meiner Sicht, ist dabei, dass es sich um eine eigenständige Software handelt, die auf den gängigsten Betriebssystem läuft (LINUX, WINDOWS und MAC)und die eine sehr übersichtliche GUI hat (etwas Einarbeitung natürlich vorausgesetzt).

Folgend gebe ich einen Überblick über die vier wesentlichen Arbeitsschritte in Z88 Aurora, um zu einer entsprechenden Bewertung der berechneten Ergebnisse zu kommen, dies sind:

  1. Import der Geometrie
  2. Pre-Processing – definieren der sog. Randbedingungen
  3. Solver – die FEM-Berechnung
  4. Post-Processing – was sagen einem die Ergebnisse?

 

Z88 Aurora : Die GUI

Z88 Aurora : Die GUI

Um in Z88 Aurora arbeiten zu können, muss man zunächst ein Projekt anlegen, denn darin werden die generierten Daten einer Berechnung abgelegt. Einfach dazu Datei/Neu wählen und im gewählten Verzeichnis einen Ordner anlegen.

Ein Projekt anlgen in Z88 Aurora.

Ein Projekt anlgen in Z88 Aurora.

Menü: Ein Projekt in Z88 Aurora öffnen.

Menü: Ein Projekt in Z88 Aurora öffnen.

 

  1. Import der Geometrie

Um eine CAD-Datei zu importieren, in meinem Fall habe ich das STL-File, welches das Bauteil repräsentiert, genutzt, klickt man auf den blauen Pfeil in der Symbolleiste. Im sich dann öffnenden Auswahlfenster wählt man das zu importierende Dateiformat aus. Bei STL-Dateien ist es wichtig, dass diese zuvor im ASCII-Format angelegt wurden und nicht im Binär-Mode.

Eigentlich sind STL-Dateien für die FEA nur bedingt geeignet, da die CAD-Modelle in diesem Format sehr vereinfacht beschrieben sind. Da aber sowohl Bauteile-Plattformen wie thingiverse in der Hauptsache STL-Daten zur Verfügung stellen, als auch die beliebten Freeware CAD-Direct Modeler PTC Creo Elements/Direct Modeler und Autodesk Inventor Fusion (Mac)  mehr oder weniger nur den Export von STL-Dateien zulassen, habe ich mit diesem Format angefangen. Ggf. muss man vor dem Import mit Meshlab das STL-Netz verfeinern.

Besser geeignet für FEA sind CAD-Daten im Step-Format, da dieses Datentyp die CAD-Daten erheblich besser wiedergibt.

 

Wichtige Navigationsicons: Auswahl des Berechnungsverfahren, Import, Pre-Prozessor, Solver, Post-Prozessor (v.l.n.r.).

Wichtige Navigationsicons: Auswahl des Berechnungsverfahren, Import, Pre-Prozessor, Solver, Post-Prozessor (v.l.n.r.).

Daten-Import in Z88 Aurora.

Daten-Import in Z88 Aurora.

 

Bauteil-Daten (STL) ist importiert. Mit der Maus kann das Bauteil gedreht, verschoben und gezoomt werden.

Bauteil-Daten (STL) ist importiert. Mit der Maus kann das Bauteil gedreht, verschoben und gezoomt werden.

 

  1. Pre-Processing
Auswahlmenü des Pre-Prozessors.

Auswahlmenü des Pre-Prozessors.

Da wir ein PLA-Bauteil berechnen wollen, und es sich dabei um einen Kunststoff handelt, wählen wir als Simulationsart „Nichtlineare Festigkeit“ aus. Danach wechseln wir in den Vernetzer und wählen Netgen aus. Anschließen gilt es die Art der Vernetzungselemente zu definieren – da es sich bei dem CAD-Model um ein dreidimensionales Objekt handelt, wählen wir ein Volumenelement – ein quadratischen Tetraeder – aus. Für den Wert geben wir drei an (3 ist der Abstand in mm der Knoten zueinander) und klicken dann hinzufügen. Nun noch „Netz erstellen“ klicken und schon wird automatisch vernetzt. Anschließend wir mittels „Netz-Analyse“ das FEM-Netz überprüft. Eigentlich solle man nun eine visuelle Kontrolle des Netzes an besonders gefährdeten Regionen vornehmen. So sind z.B. Kerbregionen mit einem feineren Netz zu versehen, um gerade dort die auftretenden Verschiebungen genauer berechnen zu können. Diesen Schritt habe ich aber in meinem ersten Versuch ausgelassen. Die in Z88 Aurora enthaltenen Tutorials und Dokumentationen geben einem aber anschauliche und wertvolle Tipps dazu.

Ein Teil der Vorarbeiten ist erledigt – es folgt die Definition der sogenannten Randbedingungen. Dies sind die am Bauteil auftretenden Kräfte, Richtungen der Kräfte und die Festhaltungen, also die Stellen am Bauteil, an denen in allen Richtungen die Kraft = 0 ist. In Z88 Aurora nennt sich dieser Arbeitsschritt Picking. D.h. es wird im Präprozessor-Bereich zum Menü “Picking” gewechselt. Für das Kraft-Set markieren man einfach einen Knoten auf der zu belastenden Fläche (Strg-Taste gedrückt halten und mit linker Maustaste den Knoten anklicken), stellt den Winkel auf 0 und wählt “Fläche”. Danach ist die Auflagefläche, auf der das Netzteil später aufliegt, ausgewählt. Nach anwählen von “Set hinzufügen” ist das Set gespeichert.

Für das zweite Set, die Festlager, ist etwas mehr Arbeit zu verrichten. Im ersten Schritt markieren wir wieder einen einzelnen Knoten (irgendwo) in der Mitte der Kraftaufgabefläche – in diesem Fall in der Innenfläche der Schraubenbohrung. Der Winkel wird auf 30 gestellt, und klicken auf “Fläche”. Diese Arbeit wiederholt man dreimal. Hat man die drei Markierungen zusammen, erstellt man wieder ein Set – diesmal mit den drei Markierungen zusammen. Es empfiehlt sich, die Sets später eindeutig zu benennen, z.B. mit „Lager“ und „Gewichtskraft“.

Zugewiesen: An diesem Set liegt das Netzteil auf.

Zugewiesen: An diesem Set liegt das Netzteil auf.

Die blau Markierten Stellen sind die Fixlager, an denen die Halterung später mittels Schrauben am Gehäuse befestigt sind.

Die blau Markierten Stellen sind die Fixlager, an denen die Halterung später mittels Schrauben am Gehäuse befestigt sind.

 

Es geht weiter im Pre-Processing: Nun gilt es die Randbedingungen den vorher gepickten Bereichen zuzuweisen. Dazu einfach auf „Zuweisen“ im Menu Randbedingungen klicken. Beim Kraftset „Gewichtskraft“ auswählen und diesem den entsprechenden Wert zuweisen. Da das Netzteil 1,4 kg wiegt, die Last auf zwei Träger-Element verteilt wird, habe ich 6.87 (N) eingegeben. Die Kraft wirkt senkrecht von oben – als nur aus der X-Richtung. Die Fixpunkte sind im Set „Lager“ zusammengefasst. Für dieses Set gibt man für alle Kraftrichtungen und Momente den Wert 0 an.

 

Der letzte Akt in diesem Schritt ist die Festlegung des Materials. Das Programm benötigt für die (lineare) Strukturanalyse eigentlich nur zwei Werte: Das Elastizitätsmodul und die Querdehnungszahl (auch Poissonzahl  genannt). Tritt als Belastung eine Beschleunigung auf, so ist auch die Dichte des Werkstoffs nötig.

Das PLA und auch ABS, welches im 3D-Druck verwendet wird, ist bisher kaum unter technologischen Aspekten in der Fachliteratur dokumentiert. Daher habe ich dazu zunächst recherchiert. Dabei bin ich auf die 2014 veröffentlichte Studie Tymrak20014-MechanicalProps-3DPrinting gestoßen, der die wissenschaftlichen Versuche dokumentiert, wie sich auf heimischen 3D-Druckern (FDM) gedruckte Versuchskörper aus PLA und ABS unter Belastung verhalten. Die in den unterschiedlichen Versuchsreihen ermittelten Mittelwerte habe ich übernommen und dazu in Aurora entsprechende Materialien definiert. Bei der Definition ist darauf zu achten, dass alle Einheiten im Solver einheitlich angegeben werden, da die Software unabhängig von Einheiten rechnet. Angegeben wird standardmäßig in der Z88 in N/mm/t (Newton/Millimeter/Tonnen).

Materialdatenbank: Z88 Aurora hat bereits zahlreiche Materialien vordefiniert. 3D-Druckteile muss man aber selbst anlegen.

Materialdatenbank: Z88 Aurora hat bereits zahlreiche Materialien vordefiniert. 3D-Druckteile muss man aber selbst anlegen.

 

  1. Solver

Für nichtlineare Berechnungen gibt es eine Reihe von Einstellungsmöglichkeiten, die zum Teil erheblichen Einfluss auf den Rechenlauf haben. Im Folgenden sei auf die wichtigsten kurz eingegangen. So hat die Anzahl der Lastschritte einen großen Einfluss auf die Rechenzeit. Je weniger Lastschritte eingestellt werden, desto weniger Rechenzeit wird i.d.R. benötigt. In meinem Fall habe ich mit dem Standardwert von 25 Lastschritten gerechnet.

Den Solver selbst habe ich auf „PARADISO“ eingestellt, dieser Solver passt eigentlich immer gut. Die Berechnung wird mit einem Klick auf „Berechnung starten“ initiiert. Nach einigen Minuten (mein Laptop ist schon etwas in die Tage gekommen) sollte die Software melden, dass die Berechnung erfolgreich war.

 

 

  1. Postprozessor

Nach Abschluss der Berechnung wechseln wir in den Postprozessor. Primäre Ergebnisse einer strukturellen FE-Analyse sind die Knotenverschiebungen, Verdrehungen und Knotenkräfte. Interessant sind die maximalen Verschiebungen, die man sich mit einem Verschiebungsbild in Z88 Aurora anzeigen lassen kann.

Gesamtverschiebungen, Darstellung in unverformter Ansicht.

Gesamtverschiebungen, Darstellung in unverformter Ansicht.

Darstellung der Gesamtverschiebungen des Bauteils, die Darstellung zeigt die Verformung an den rötlichen Bereichen.

Darstellung der Gesamtverschiebungen des Bauteils, die Darstellung zeigt die Verformung an den rötlichen Bereichen.

Bei Kräften und Momenten sind exponierte Stellen, wie z.B. Bohrungen, scharfe Kanten, Kerben oder Übergänge (mit und ohne Radien) von Interesse.

Oberste Priorität hat demnach die genaue Betrachtung der Elemente, an denen die maximalen Spannungen auftreten.

Ergbnisdarstellung im Post-Prozessor: Die Spannungen in den Gausspunkten.

Ergbnisdarstellung im Post-Prozessor: Die Spannungen in den Gausspunkten.

 

Grundsätzlich muss man wissen, dass die FEM eine Näherungsmethode ist und eine absolute Genauigkeit nicht erreicht werden kann.

In meinem Fall ging es mir, wie eingangs erläutert, darum, herauszufinden, ob das Bauteile halten wird. Korrekt ausgedrückt lautete daher das Analyse-Ziel:

Das Bauteil darf nicht brechen.

D.h. die Zugspannung <Zugfestigkeit sein.

Das bedeutet, dass ich die Spannungsergebnisse mit Werkstoffkennwerten (Festigkeit) von PLA vergleichen muss. Diese Vergleichsdaten habe ich aus der oben erwähnten Studie entnommen.

Ergebnis meiner FE-Analyse: Das Teil hält.

 

Anmerkung:

Allerdings muss ich an dieser Stelle zwei Dinge einräumen. Zum einen ist die Berechnung, was das CAD-Modell angeht, verhältnismäßig idealisiert, schließlich handelt es sich bei einem PLA-Druckteil nicht um ein homogenes Bauteil aus einem homogen hergestellten Werkstoff (Ein PLA-Spritzgussteil wäre hingegen homogen). Denn durch den schichtweisen Aufbau weist das PLA-Teil besonders an den Layergrenzen eine andere Verbindungsfähigkeit auf als es das PLA-Material innerhalb eines Layer selbst tut – einmal ganz abgesehen von der Druckteilausrichtung im Bauraum (Die horizontalen Materialschichten wirken sich auf die Stabilität des Bauteils ähnlich wie die Maserrichtung beim Holz aus.).

Die Schichten von FDM-Druckteilen sind wie die Maserung bei Holz. Die Belastung sollte quer dazu auftreten, nicht parallel...

Die Schichten von FDM-Druckteilen sind wie die Maserung bei Holz. Die Belastung sollte quer dazu auftreten, nicht parallel…

Ferner geht meine Berechnung von einem 100%-Infill aus – ich drucke aber in der Regel mit 30% Infill, auch diesen Aspekt habe ich in der Berechnung nicht weiter berücksichtigt.

Die o.g. Einschränkungen kann man sicherlich mit einem geeigneten FEA-Software-Paket und entsprechenden Einstellungen in der FEM-Software (Stichwort wäre schichtweise aufgebaute Verbundwerkstoff) und reichlich FEA-Erfahrung entgegentreten – für meinen ersten Gehversuch in der FEA reicht mir das geschilderte Vorgehen zunächst.

Für alle, die nun auch einmal Ihre Druckteile zerstörungsfrei testen wollen, für die habe ich hier meinen Workflow einmal übersichtlich zusammengefasst:

Der FEA Workflow mit Z88 Aurora in einer kompakten Übersicht.

Der FEA Workflow mit Z88 Aurora in einer kompakten Übersicht.

 

Das Bauteil ist nun auch gedruckt:

Nach der FEA habe ich das Teil dann gedruckt.

Nach der FEA habe ich das Teil dann gedruckt.

Soweit aus der Bastelkammer

Horrido und stay tuned…