3D-Drucker mit Roboterarm

Hallo miteinander,

ich bin gestern auf diese einfachen Rapid Prototyper alias 3D-Drucker gestoßen, wie den RepRap, Makerbot, Rapman uns wie sie alle heißen. Als erstes hatte ich mir überlegt einen davon nachzubauen. Nachdem ich aber zu dem Schluss gekommen war, dass die Geschichte zu teuer wird (über 400€) habe ich über eine Alternative nachgedacht.

Eine Sache auf die ich gekommen bin war, warum für einen Druckbereich von 1-2dm² überhaupt solch ein großes Gerät benötigt wird. Der Druckkopf kann so konstruiert werden, dass er ein sehr geringes Gewicht hat (evtl. 200g). Das bedeutet man braucht nur einen Roboter, der diese 200g positionieren kann. Es gibt ja auch schon etliche 2D-Drucker/Zeichengeräte, die mit einem Roboterarm realisiert wurden.

Da ich bis jetzt noch keine praktische Erfahrung im Thema Robotik habe (außer Asuro und ATmega8) wäre es super, wenn ihr mir ein paar Infos geben könntet.

1. Wäre es überhaupt möglich mittels eines Roboterarms (ich denke an ca. 2 Glieder mit jeweils 10-15cm) eine Positionierung im Raum auf ca 0,1mm zu realisieren?
Vermutlich ja, wenn man genügend Geld zahlt... 2. In welchen Preisdimensionen würde ich mich denn für eine Realisierung bewegen?
3. Welche Bauweise würde sich dafür anbieten?
Wäre sowas vom Prinzip eine Möglichkeit? http://www.youtube.com/watch?v=AOtQAhblRps&NR=1

Ich lass es erst mal bei den Fragen. Wenn ihr noch passende Themen aus dem Forum wisst, die dazu passen, könnt ihr sie gerne verlinken.

Vielen Dank schon mal!

Viele Grüße
mirxx

Würdest du dir die sache nicht mit einem Rahmen wie bei einer CNC Fräse wesentlich einfacher machen ?
Ingesamt würde ich bezweifeln dass man als Privatperson das ganze mit vertretbarem Aufwand umsetzen kann.

@mirxx Natürlich kann man nen 3D Drucker mit einem Roboterarm bauen, nur haben die meisten Hobbyroboterarme wenns hochkommt eine Auflösung von 1mm (der in deinem Video hat wenig weil er vorn fast kein Gewicht trägt, aber die Servos und Strukturelemente sind schon recht solide ausgeführt).

Deine Annnahme den Druckkopf einfach auf 200g reduzieren zu können ist aus der Luft gegriffen, oder?

Wie auch immer 200g schafft ein ynxmotion Roboterarm nicht mehr präzise herumzuwuchten, außer man nimmt Servos mit Metallgetriebe (kostenpunkt 30€ aufwärts, bei sieben Gelenken 210€). Dazu noch eine solide Struktur mit Gegenlagern und Aluminumteilen 150€. Elektronik und kleinkram dazu und es könnte knapp unter 400€ bleiben, ohne Garantie damit die nötige Auflösung zu erreichen. Vermutlich wäre das Ergebniss eher zufriedenstellend als gut.
Soweit ich weis ist bei den 3D Druckern nicht die Mechanik teuer sondern vielmehr das Material mit dem das ganze gedruckt wird.

Grundsätzlich ist der Bau eines solchen Roboters, mechanisch sehr anspruchsvoll und steuerungstechnisch mindestens genaus, daher würde ich es einem erfahrenen Roboterbauer zutrauen aber mitnichten einem Anfänger (der muss sich erst über viele Monate, vielleicht Jahre hinweg, das nötige Wissen aneignen mit den entsprechendem "Lehrgeld").

Vielen Dank für eure Antworten.

Ich muss wohl zugeben, dass das doch eher eine Schnapsidee war. Dennoch war ich nicht betrunken, als ich darauf gekommen bin :-)

Der Druckkopf könnte sogar noch weniger wiegen. Der RepRap Mini Mendel verwendet die passende Technik dazu. Man benötigt einen Vorschub für den Kunststoffdraht und eine geheizte Röhre zum verflüssigen. Das schwere ist also der Motor für den Vorschub. Dieser kann aber extern angebracht werden und über eine Art Bowdenzug den Draht zur Heizröhre transportieren. Dadurch wird der eigentliche Druckkopf verhältnismäßig leicht.

Nach meiner Auffassung würden 3 Drehachsen ausreichen. Zum Beispiel ein Drehteller, darauf eine horizontale Drehachse + 1 Glied + 1 horiz. Achse + 1Glied. + Druckkopf
Da der Extruder immer senkrecht zur Oberfläche stehen sollte, wäre natürlich ein parallel Koppelgetriebe o. ä. von nöten.

Die Programmierung, inverse Kinematik usw. wär das geringere Problem.
Aber wenn ihr sagt, dass die Genauigkeit mit solch einer Konstruktion nicht zu erreichen ist, dann lass ich das aber mal lieber.

Gruß
mirxx

Konstruier die Idee doch erstmal genau durch, dann ist schonmal klar was der genaue Preis ist (für den Fall dass alles sofort funktioniert)
Dann kannst du außerdem über die gewünschte Positionsgenauigkeit rückrechnen, welche Stellgenauigkeit deine Aktoren brauchen... ich denke erst dann kann man gut sagen ob das durchführbar ist oder nicht.
Ich finds ajf ne interessante Idee, auch wenn ich mal vermuten würde, dass es billiger wäre, das einfach als Portalroboter zu bauen, nur eben mit den kleineren Verfahrwegen.

Ein XYZ-Aufbau ist auf jeden Fall *viel* billiger. Aber der Arm sieht natürlich cooler aus. Ich schlage vor, Du besorgst Dir einen gebrauchten Industrieroboter. Der kann dann auch die 500g des Extruders tragen ;-). Den Extruder kannst Du natürlich and jeder beliebigen CNC-Fräse anbringen.

Ich habe den Makerbot CupCake gebaut. Funktioniert prima. Schön simpel.

einen einfachen 3D Roboter als Roboterarm findest Du als "ROBOTERARM BAUSATZ MIT USB-ANSCHLUSS /KSR10" im Internet Handel für ca. 55-80 €. Er ist auch per PC programmierbar. Ich habe ihn für meine Zwecke umgebaut, statt der Greifereinheit verwende ich einen Laserkopf zum Gravieren und Schneiden. Das beigefügte Programmierpaket ist leider ungeeignet, um feine Bewegungen auszuführen. Wenn man jedoch selbst per Tastendrücke der Tastatur die Motoren ansteuert, sind durchaus feinere Bewegungen (ab ca. 0.2 mm) drin. Ich habe einen eigenen Interface programmiert, so dass ich mit einer Imitation der kurzen Tastendrücke eine akzeptable Präzision bei der Motorenansteuerung / Roboterbewegung erziele. Der Roboterbausatz ist ein Low-Level Produkt, d.h. man muss daran viel über das angebotene Paket hinaus basteln und programmieren, um es für seinen Zweck nutzbar zu machen. Aber für rund 60€ für Roboter, Fernbedienung, USB Schnittstelle und Steuerprogramm darf man doch nicht mekern, oder?

hallo c0lumbus,
könntest Du mir schreiben, ob in dem Arm Schrittmotoren oder DC-Motoren verbaut sind? Besten Dank!

hallo Rheinruhr, sorry für die späte Antwort. Es sind normale DC Motoren.

Wobei man das alles auch gar nicht so verkomplizieren muss. Nach welchem Prinzip soll der Roboter denn funktionieren? Wie es scheint soll es einer von diesen Plastikwurstabdrückern sein. Um da dem zu großen Gewicht des Druckkopfes entgegenzuwirken gibt es zwei Lösungen: entweder du baust den Arm als Scara-Roboter auf (am besten wären wohl 2 Achsen zur Positionierung und die Z-Achse ist an der Platte vom Werkstück verstellbar) oder du benutzt Gegengewichte (welche sich bei Parallelogrammkinematiken auch gut anzusetzen sind). Für die Positioniergenauigkeit bin ich auch noch ein wenig am Testen, am besten man nimmt einen Motor mit guter Auflösung (Schrittmotor oder Servo-Motor) und gibt ihm eine sehr hohe Übersetzung (zB. Schneckenrad). Ich weiß jetzt nicht, wie wichtig die Geschwindigkeit bei diesem Wirkprinkip mit dem geschmolzenem Kunststoff ist, müsste man gucken. Zur Einstellung des Spiels müsste man dann aber die Schnecke irgendwie leicht verstellbar (zB. mit Schrauben) lagern, sodass man sie vorsichtig bis zum Anschlag in den Zahnradeingriff stellen kann. Mit Servos sollen allerdings auch hohe Genauigkeiten möglich sein, wenn man ihnen einen ordentlichen Winkelsensor verpasst, sieht man hier zB. ganz gut. Allerdings ist eine kleine Portaleinheit sicherlich doch praktischer ;)

Zitat:

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Zitat von c0lumbus

einen einfachen 3D Roboter als Roboterarm findest Du als "ROBOTERARM BAUSATZ MIT USB-ANSCHLUSS /KSR10" im Internet Handel für ca. 55-80 €. Er ist auch per PC programmierbar. Ich habe ihn für meine Zwecke umgebaut, statt der Greifereinheit verwende ich einen Laserkopf zum Gravieren und Schneiden. Das beigefügte Programmierpaket ist leider ungeeignet, um feine Bewegungen auszuführen. Wenn man jedoch selbst per Tastendrücke der Tastatur die Motoren ansteuert, sind durchaus feinere Bewegungen (ab ca. 0.2 mm) drin. Ich habe einen eigenen Interface programmiert, so dass ich mit einer Imitation der kurzen Tastendrücke eine akzeptable Präzision bei der Motorenansteuerung / Roboterbewegung erziele. Der Roboterbausatz ist ein Low-Level Produkt, d.h. man muss daran viel über das angebotene Paket hinaus basteln und programmieren, um es für seinen Zweck nutzbar zu machen. Aber für rund 60€ für Roboter, Fernbedienung, USB Schnittstelle und Steuerprogramm darf man doch nicht mekern, oder?

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Ich rate dir von diesem Roboterarm ab. Ich habe ihn auch und er ist völlig nutzlos. Das ganze ist aus schlechtem Plastik, die Motoren sind extrem schwach, alles hat extrem viel Spiel, man hat damit kaum eine Freude.

Beim Conrad gibt es in der Preisklasse von 100€ einen Roboterarm, der wenigstens mit Servos angesteuert wird.
Ich liebäugle mit der 300€ Variante, ebenfalls Seervos, mit I2C Schnittstelle.

Natürlich kann man nie wissen ob man ein Montagsprodukt hat, ich kann mir sehr gut vorstellen, dass die Produktionstoleranzen sehr hoch sind und es sehr vom Glück abhängt wie gut der KSR10 ist...

Ich kann mich nur wiederholen und sagen, dass ich von dem Teil echt enttäuscht wurde...

Und 60€ und nicht meckern:
Der Materielle werd des Arms übersteigt keine 10€ und Entwicklungsknow-how ist da nichts drinnen, vielleicht die Kombination USB->Motoransteuerung aber das ist ejtzt auch nicht das super Know-How. Nichteinmal Schalter konnten sie reintun um die Motoren bei Anschlag abzuschalten... lieber lassen sie das Plastikgetribe knacksen und rattern und leiden.

Bei 30€ okay aber 60€ ist wirklich lächerlich und ich habs bereut.

Hallo Mirxx,

wenn du solch einen 3D-Drucker mit einem Roboterarm bauen willst, gibt es in meinem Augen nur 3 Ansätze:

- 3 translatorische Achsen (X,Y,Z), aufgebaut wie eine CNC Fräse
- 3 rotatorische Achsen, Delta-Roboter mit Parallelkinematik
- 2 rotatorische, 1 translatorische Achse -> Scara Roboter ohne Drehgelenk der Handachse

Im Prinzip muss du nur deine Anforderungen bewerten und entscheiden, welche die beste Variante ist.

Aus deinen Posts entnehme ich folgende Anforderungen:

- Benötigter Arbeitsraum ca. 10cm x 20 cm
- Handlingsgewicht maximal 500g
- Positioniergenauigkeit <0,1 mm
- Wiederholgenauigkeit <0,1 mm

Für diese Anforderungen funktionieren alle 3 Prinzipien, es kommt halt nur darauf an, welche finanziellen Mittel man hat und investieren möchte.

Am billigsten ist sicherlich der Portalaufbau über Schrittmotoren/Spindeln. Hier spielt auch keine Rolle wenn sich dein Arbeitsraum vergrößert oder das Gewicht des Druckkopfes ansteigt. Nachteil ist hier die geringe Verfahrgeschwindigkeit, was aber in deinem Falle nichts ausmachen sollte.

Der größter Vorteil des Delta Roboters ist die mögliche Geschwindigkeit des Roboters wegen der geringen Massen, diese kannst du aber bei dem Druckkopf sowieso nicht nutzten. Daher ist dieses Prinzip eher ungeeignet.

Die teuerste Variante ist der Scara-Roboter, da hier neben den hochgenauen Antrieben zusätzlich noch ordentlich in die Mechanik investiert werden muss. Im Vergleich zum Delta Roboter können hier doch deutlich höhere Traglasten realisiert werden.

Gruß Joe

Hallo Mirxx,

deine Postioniergenauigkeit ist für Hobby Projekte extrem hoch.

Je nach Antrieb kann das nur folgendermaßen funktionieren:

- Antrieb, entweder Schrittmotor oder DC-Motor mit Inkrementalgeber
- Spielfreie Untersetzung, möglichst hoch (> 50) (Zahnriemen, Spindel, Plantengetriebe)

Ausgehend von deinem Ausleger von 150 mm benötigst du eine Winkelauflösung von 0,038 Grad für eine Positioniergenauigkeit von 0,1 mm. Ausgehend von der Basis das du auf diese Winkelauflösung nicht genau positionieren kannst, (z.B. bei einem Impulsgeber wird immer auf mehrere Impulse 2-3 genau positioniert), sollte diese wohl noch etwas höher sein.

Was definitiv nicht funktionieren wird:

- Modellbau-Servos mit alternativem Geber, selbst die hochwertigen Servos mit Metallgetrieben haben Spiel im Bereich von schätzungsweise 30 Winkelminuten. Ausgehen von deinem Ausleger mit 15 cm Länge hast du hier schon 1,3 mm Umkehrspiel
- Kostengünstiger Antrieb und einen hochwertigen Geber direkt an die Drehachse setzten, selbst mit extrem höchsten Auflösungen muss dein Getriebespiel im Antrieb ausgeregelt werden -> Schwingungen am Endeffektor über deinem Vorgabemaß

Gruß

Ich würde die Kinematik auf kartesisch aufbauen, also wie eine "normale CNC", das hat mehrere Vorteile:
- Die Steuerung ist einfach, keine Koordinatentrafo benötigt
- während dem Drucken wird die Z-Achse nicht bewegt, bei einem Flexpicker mit parallelkinematic ist es extrem schwer die Z Position immer konstant zu halten, ausserdem kostet es unnötig Energie da immer alle 3 Motoren laufen müssen
- Bei einem Scara bot müsssen auch immer beide Motoren laufen obwohl du beim drucken meist nur gerade linien (Füllmaterial drucken) fährst, die du so ausrichten kannst dass immer nur eine Achse läuft.

Was gegen den kartesischen Aufbau spricht, ist dass es halt langweilig ist, alleridngs macht es hier wirklich Sinn und auch die Genauigkeiten von 0.1mm im Raum PV sind so gut erreichbar.