BAM&DICE: Steuerungs- Elektronik für 3D-Drucker

2PrintBeta ist ein deutsches Startup aus Konstanz, welches seine Kernkompetenzen im 3D Druck, Laserschneiden von Kunststoffen, Designservice und der Entwicklung von Elektronik und im Bereich Informatik hat. Derzeit befindet sich das Unternehmen in der Entwicklung einer leistungsstarken Steuerungselektronik für 3D-Drucker und andere Geräte.

Die Steuerungselektronik “BAM&DICE” wird auf dem Arduino aufgesteckt und bietet I2C, SPI und RS232 als zusätzliche
Schnittstellen für die Abdeckung vieler Einsatzgebiete, ähnlich der SPS.

2PrintBeta will für die Entwicklung über das Crowdfunding-Portal Indiegogo 10.000 Euro sammeln. Schon ab einem Euro kann man die Entwicklung unterstützen. Nach dem Ende der Kampagne will 2PrintBeta die Entwicklung Open Source machen.

Die Kampagne im Detail:

Verwenden Sie auch das RAMPS aus der RepRap Gemeinde? Wäre es nicht vorteilhaft, eine leistungsstarke und flexible Lösung für 3D Drucker zu haben, die noch stärkere Motoren betreiben kann?

Unser Ziel ist es, eine erste Serie des Beta Arduino Mega (BAM) mit geeigneten Endstufen für 3D-Drucker zu bauen. Sie werden präzise und kraftvoll und in der Lage sein, große und schnelle Maschinen zu betreiben. Die Möglichkeit für eine effiziente Kühlung und die Erweiterbarkeit wird durch die clevere Konstruktion der „Dynamic and Interchangable Controller Extensions“ (DICE) gewährleistet werden. Das Projekt wird komplett Open Source sein und wird als offene Hardware lizenziert werden.

Komplettes BAM Shield mit vier verschiedenen DICE Modulen und einem Arduino Mega.

Neu auf dem BAM Shield sind die Stecker für die DICE Boards, basierend auf der kostengünstigen und platzsparenden PCI-E-Technik. Sie bietet mehr Kontakte und somit können die DICEs mehr Strom beziehen und viele verschiedene Funktionen abdecken. Das Design ist 100% kompatibel mit den RAMPS für RepRap, so dass alle gängigen 3D-Drucker Firmwares unverändert genutzt werden können. Das erste DICE, spezialisiert für den 3D-Drucker, wird der DICE-STK sein, ein leistungsstarkes Modul, das bis zu 3 Ampere (RMS) und bis zu 128-faches Substepping unterstützt.

Bitte helfen Sie uns, die erste Serie dieser bahnbrechenden Erweiterung zu finanzieren. Wir brauchen Ihre Hilfe, um die Mindestmengen zu erreichen und eine günstige Produktion zu ermöglichen.

Für 100 Stück der komplett montierten und betriebsbereiten BAM Shields mit fünf DICE-STKs brauchen wir 10’000 €. Wenn wir diesen Betrag nicht erreichen, werden wir kleinere Mengen produzieren, und in extremen Fällen werden wir sie von Hand löten, um die Herstellungskosten auf ein Minimum zu reduzieren.

Software

Da das BAM Shield vollständig kompatibel zum bekannten und weit verbreiteten RAMPS Board ist, können Sie frei aus der Vielzahl von bereits bestehenden Software-Lösungen wählen. Die Fangemeinde bietet eine Menge Firmware für 3D-Drucker, die Sie ohne Änderungen auf dem BAM Shield mit den Standard-Schrittmotor-DICEs verwenden können.

Für alle anderen DICE Module werden wir Beispiele und Arduino-Bibliotheken bereitstellen, die Ihnen eine schnelle und einfache Integration in Ihre Projekte ermöglichen.

Die Hardware

Wir haben bereits einige funktionale Prototypen gefertigt. Mit dem DICE-STKs sind wir bereit, die erste Serie für 3D-Drucker zu produzieren. Viele zusätzliche DICE-Boards sind in der Entwicklung und es hängt von der Finanzierung ab, wie viel wir davon zusätzlich realisieren können.

Werfen Sie einen Blick auf die unten aufgeführte Hardware. Wir freuen uns über Ihre Kommentare und Anregungen.

Das BAM-Shield

Auf dem BAM Modul sind – ähnlich dem RAMPS – drei Temperatureingänge für NTCs, sechs digitale Eingänge für End-Schalter und die Hochstromschalter integriert. Andere Optionen (z. B. Anschlüsse für Displays, SD-Karten-Erweiterungen und Bluetooth-Module) können angelötet werden, abhängig von der geplanten Verwendung. Die Platine selbst ist aus FR4 mit vier Lagen Kupfer, die jeweils 35 um dick sind.
Spezifikation:

• Versorgungsspannung: 7 V – 32V
• Max. Primärstrom für alle DICEs: 15A
• Max. Sekundärstrom für Hochstromschalter: 10A

DICE-Schnittstelle (X-Achse) auf dem BAM-Shield:

Für die Standard-DICEs, DICE-STK und DICE-A4988 werden acht I/O-Signale verwendet.

Das EN-Signal für den jeweiligen Steckplatz wird auch für das Chip Select Signal der SPI-Anwendungen verwendet. Die Adresse eines I²C-angesteuerten DICE wird von den, ansonsten für die Konfiguration des Substepping verwendeten, MS1 bis MS3-Eingängen eingestellt.

Zwei Feedback-Kanäle dienen speziellen Anwendungen der erweiterten DICE Module und können individuell auf die Bedürfnisse der Nutzer angepasst werden. Mit den Kommunikationssignalen (I2C, SPI, serielle Schnittstelle) auf dem PCI-E-Steckerkann man ICs für viele gängige Anwendungen ansteuern, wodurch vielseitigste Möglichkeiten entstehen.

Die DICE Module

Für eine optimale Anordnung stehen die DICE Module aufrecht im BAM Shield. Dies ermöglicht eine äußerst effiziente Kühlung, wenn ein zusätzlicher Lüfter quer dazu angebracht wird.

Für alle Module sind die Montagebohrungen an der gleichen Stelle vorgesehen, sodass eine einheitliche Verschaubung mit der umgebenden Mechanik gewährleistet ist. Die maximale Dicke eines DICE beträgt 11.2mm (inkl. PCB), sodass die Module sich nicht gegenseitig behindern.

Für die Integration eigener Schaltungen werden wir in einem ersten Schritt zwei verschiedene PCB-Größen als Eagle-Library zur Verfügung stellen.

DICE-STK

Das DICE-STK enthält den hoch integrierten Schrittmotor-Treiber-Baustein STK682-010-E, der 128-faches Substepping unterstützt. Ausserdem enthält das Modul zwei Trimmer für die Strom-Einstellung und Decay-Kontrolle der Motorenentmagnetisierung. Um verschiedene Motoren anzuschließen benötigen Sie keine speziellen Anschlüsse, da ein praktischer Stecker auf allen DICE Boards integriert ist. Er ermöglicht den direkten Anschluss von starren Leitern und Litzen der Durchmesser AWG18 bis AWG24.

Für anspruchsvolle Anwendungen kann am IC ein Kühlkörper montiert werden.

Spezifikationen:

• Logik Spannung: 5V
• Versorgungsspannung: 9V – 35V
• Strom: 2.4A RMS (3A max.)
• Größe: 51 x 43 mm

DICE-A4988

Dieses DICE enthält den berühmten Allegro A4988, der auch auf den Pololu-Treibern verwendet wird. Aufgrund der größeren Leiterplatte mit rückseitigen Kühlbereich kann das DICE Modul größere Ströme bieten und ist weniger fehleranfällig.

Spezifikation:

• Logikspannung: 5V
• Versorgungsspannung: 8V – 35V
• Strom: 1,4 A RMS (2,1 A max.)
• Größe: 51 x 30 mm

DICE-L6470PD

Der IC vom Typ L6470 in leistungsfähiger POWERSO36-Bauform auf diesem DICE wird über SPI gesteuert und ist, ähnlich wie DICE-STK, in der Lage, hohe Motorströme zu liefern, ebenfalls mit 128-fachem Substepping. Das Modul verfügt über einen zusätzlichen Ausgang für die Erkennung von Schrittverlusten und unterstützt vielseitige Optionen für die intelligente Ansteuerung von Schrittmotoren. Durch die Vielseitigkeit des IC sind den Möglichkeiten hier kaum Grenzen gesetzt.

Spezifikation:

• Logikspannung: 5V
• Versorgungsspannung: 8V – 35V
• Strom: 3A RMS (7A max.)
• Größe: 51 x 44 mm

DICE-9555

Das I/O-Erweiterungsmodul wird über den I²C-Bus gesteuert und bietet 16 zusätzliche I/Os. Das Interrupt-Signal für Eingangssignaländerungen ist auf die Schnittstelle geführt, um interaktiv Signaländerungen mit der angeschlossenen Steuerung zu kommunizieren. Der 20pin-Harting-Stecker erleichtert den Anschluss von zusätzlicher Elektronik über Flachbandkabel.

Spezifikation:

• Logikspannung: 5V
• Strom: max. 200mA
• I²C-Adressen: 32d – 39d (100000b – 100111b)
• Größe: 51×31 mm

DICE-Adapter

Der DICE-Adapter ermöglicht die einfache Verwendung und Prüfung der DICE Module auf einem Prototypen-Board. Verbunden mit einem Arduino oder mit einem dedizierten Controller Ihrer Wahl ermöglicht er auf einfache Weise, die volle Leistungsfähigkeit aller verfügbaren DICEs zu nutzen.

Spezifikation:

• Größe: 49 x 30 mm
• Anschlüsse: 2.54mm (0.1 inch)

DICE-VN

Das Herz des DICE-VN ist der VN808CM-E von ST. Das DICE wird über den I²C-Bus steuerbar sein und wird den Anschluss von bis zu acht Ventilen oder anderen Lasten ermöglichen. Die Platine ist momentan noch nicht bestückt, das Design ist aber schon in anderen Anwendungen erfolgreich getestet worden. Wir werden Ihnen so schnell wie möglich ein Update bereitstellen.

Spezifikation:

• Logikspannung: 5V
• Versorgungsspannung: 10,5 – 35V
• Strom: 0,7 A pro Last (ca. 5A in Summe)
• I²C-Adressen: 112d .. 115d (111000b .. 111011b)
• Größe: 51 x 44 mm

DICE-TC

Der DICE-TC ist dafür gedacht, Thermosignale zu verstärken, in digitale Daten umzuwandeln und per SPI zur Verfügung zu stellen. Da der Platz begrenzt ist, können wir die schlussendliche Anzahl der möglichen Thermoelemente pro DICE im Moment nur schätzen. Wir beabsichtigen bis zu vier Thermoelementanschlüsse in ein DICE-Board zu integrieren. Da dieses DICE-Modul noch in der Entwicklung ist, geben wir Ihnen ein Update über die Spezifikationen, wenn wir weitere Fortschritte zu verzeichnen haben.

DICE-PSD

Um Abwärtskompatibilität zu gewährleisten, wird dieses DICE in der Lage sein, die bestehenden Pololu-Schrittmotortreiber über das BAM Shield anzusteuern. Es ist im Moment noch nicht hergestellt, daher können wir momentan nur das geplante Bord als Auszug aus dem Eagle-Layout zeigen.

Gemeinsam in die Zukunft

Gemeinsam können wir dieses Projekt zu einem großen Erfolg machen und die BAM Shields zusammen mit den DICE Boards realisieren.

Das Produkt gibt der Maker-Community die Möglichkeit, Maschinen mit einem kostengünstigen und flexiblen Controller auszustatten. Die einfache Installation, Programmierung und Wartung stehen dabei im Vordergrund. Ausserdem werden die Produkte auch unerfahrenen Benutzern helfen, damit leistungsstarke und präzise Maschinen zu verwenden und anzusteuern. Techniker, Bastler, Ingenieure, kleine Unternehmen und andere Hersteller werden davon profitieren.

Darüber hinaus wollen wir unser Wissen und unsere Erfahrungen mit dieser Kampagne teilen. Alle Schaltpläne und Layouts werden wir für die ganze Welt unter einer Open-Hardware-Lizenz zur Verfügung stellen. Sämtliche Software und der zugehörige Quellcode werden als kostenloser Download vorhanden sein.

Die tatsächlichen Anwendungsmöglichkeiten für das BAM-Shield mit den DICE-Boards sind in erster Linie 3D-Drucker, CNC-Fräsen, Laserschneider und Pasten-Drucker.

In Zukunft werden wir auch Entwicklungen neuer DICE-Boards, wie analoge Module und Bus-kompatible Erweiterungen, voran treiben, um eine möglichst große Auswahl zu erhalten.

Der zukünftige Fokus liegt in der Anbindung von Robotik, Pick&Place-Maschinen, Ventil- und Klappensteuerungen, Liquid Handling und anderen Anwendungen.

Mit unseren bisherigen Entwicklungen (z.B. dem Echinus-Board → www.echinus.org) und unserem kontinuierlichen Engagement in der RepRap-Community seit 2010 sind wir perfekt qualifiziert und höchst motiviert, Ihnen hervorragende Produkte in diesem praktischen System zu bieten.

(C) Pictures: 2PrintBeta/IndieGoGo