Neue Kalibrierungsmethode verspricht präziseren 3D-Druck

Der Erfolg des 3D-Drucks hängt von vielen Faktoren ab – von der Qualität der Hardware und der Materialien bis hin zur genauen Einstellung der Parameter. Die genaue Kalibrierung der Achsen spielt eine entscheidende Rolle, um optimale Druckergebnisse zu erzielen. Der Mechatronik-Ingenieur Vincent Bénet hat eine neue Methode entwickelt, um die automatische Kalibrierung der X-, Y- und Z-Achsen deutlich zu verbessern. Die Grundidee hinter Bénets Lösung ist relativ einfach, aber sehr effektiv. Sein selbst entwickelter 3D-Drucker verfügt über zwei unabhängige Motoren pro Achse.

Herkömmliche 3D-Drucker haben in der Regel nur einen Motor pro Achse und weisen bei der X- und Y-Positionierung eine Hysterese auf, die auf das Spiel und die Elastizität von Teilen der kinematischen Kette zurückzuführen ist. Das Spiel einer Achse kann bei einem Standard-3D-Drucker nicht kompensiert werden. Das liegt daran, dass der Luftwiderstand des unmotorisierten Schlittens die Achse in Schräglage bringt und die Größe der Hysterese von der Position der anderen Achse abhängt.

Durch die Verwendung von zwei motorisierten Achsen ist die Achse steifer und hat weniger Positionsfehler und nur eine feste Hysterese, die in der Firmware vollständig kompensiert werden kann. Es erfordert jedoch eine Achsenkalibrierung vor jedem Druck. Es gibt noch keine Lösungen für die Kalibrierung der Orthogonalität der Achsen.

Diese neue Architektur ist nicht mit bestehenden 3D-Druckern kompatibel, ohne dass die Hardware verändert werden muss, und kann nur mit einer neuen Kalibrierungsmethode vor jedem Druck realisiert werden. Aus diesem Grund hat Vincent Bénet eine Lösung zur Kalibrierung der Orthogonalität der Achsen für seinen Entwurf entwickelt.

Seine 3D-Druckerarchitektur ermöglicht es ihm, die Druckplattform mit 4 Motoren gezielt um die X- und Y-Achse zu kippen. Mit einem Bettnivellierungssensor misst er nun die tatsächlichen Positionen auf der gekippten Plattform. Da er die geplanten Positionen kennt, ergibt sich eine Differenz zu den gemessenen Werten. Aus dieser Abweichung lässt sich der Winkel berechnen, in dem die X-, Y- und Z-Achse, die eigentlich rechtwinklig zueinander stehen sollten, zum Ausgleich positioniert werden müssen.

Die exakte, rechtwinklige Ausrichtung der Druckachsen ist für den korrekten 3D-Druck extrem wichtig. Schon minimale Abweichungen vom idealen 90-Grad-Winkel können sich aufgrund des schichtweisen Aufbaus negativ auf die Oberflächenqualität der gedruckten Objekte auswirken.

“Ich verwende einen kontinuierlichen Minimierungsalgorithmus, um die tatsächliche Achsenausrichtung zu bestimmen und so Fertigungstoleranzen auszugleichen”, erklärt Bénet die Funktionsweise. Anstatt starre Annahmen über eine perfekt gerade Mechanik zu treffen, kann sein System die realen Gegebenheiten jederzeit berücksichtigen.

Die Vorteile liegen für den Entwickler auf der Hand. Neben einer präziseren Kalibrierungsmöglichkeit, auch für großvolumige 3D-Drucker, sinken die Toleranzanforderungen und damit die Produktionskosten. “Man kann etwas gröbere, kostengünstigere Baugruppen verwenden und die falschen Winkel in der Software korrigieren”, sagt Bénet.

Bislang existiert die Lösung noch als Prototyp mit einigen Teilkomponenten. Der nächste Schritt ist die vollständige Integration in die Open-Source-3D-Druck-Firmware Klipper. Die Technologie ist quelloffen und kann unter https://gitlab.com/vincentBenet/square_printer eingesehen werden.