In der Maker-Szene sind 3D-Drucker besonders beliebt. Sie funktionieren als Kunstoffextruder, der das Werkstück Schicht für Schicht aufbaut.

In der Maker-Szene sind 3D-Drucker besonders beliebt. Sie funktionieren als Kunstoffextruder, der das Werkstück Schicht für Schicht aufbaut.Trinamic

Rund um die CNC-basierte Fertigung hat sich in letzter Zeit eine lebendige Szene entwickelt. Die sogenannte Makerbewegung tauscht und diskutiert online Baupläne für 3D-Drucker, Fräsen und Laserschneider. Auf Anfrage liefern die Aktivisten auch Einzelteile, die sie auf ihren selbst erstellten Maschinen fertigen. Ein 3D-Drucker für brauchbare Ergebnisse lässt sich so für unter 1000 Euro zusammenbauen. Die Steuerung für diese Geräte basiert meist auf Open-Hardware-Projekten wie dem Arduino oder dem Beaglebone, zusammen mit Open-Source-Software.

Embedded-Hardware mit hoher Performance

Problematisch daran ist die beschränkte Hardwareleistung. Um eine anspruchsvolle Bahnsteuerung zu realisieren braucht man einen Prozessor, der aus sogenanntem G-Code, einer numerischen Beschreibungssprache für die Steuerung von CNC-Maschinen, synchrone Bewegungen von drei oder mehr Achsen in Echtzeit berechnet. Bei vielen Lösungen übernimmt daher ein Steuer-PC die komplexeren Berechnungen und sendet nur einfache Steuerungsbefehle an die Hardware im Drucker. Das geht aber nur gut, so lange keine Kommunikationsprobleme zwischen PC und Steuerung auftreten – bei einem kleinen Fehler wird das Werkstück meist unbrauchbar. Außerdem kann solch ein Gerät nicht ohne PC arbeiten.

Auf einen Blick

Ein 3D-Drucker muss seine Achsen sehr exakt steuern. Simple Embedded-Boards sind von der Aufgabe überfordert. Während des langwierigen Druckprozesses immer am Nabel eines ausgewachsenen PCs zu hängen ist auch nicht ideal. Ein Entwicklerteam kombiniert unter dem Projektnamen T-Bone daher ein Beaglebone mit zusätzlicher Steuer-Hardware, die die MCU entlastet und die Achsen sehr exakt steuert.

Leistungsfähigere Prozessoren wie der im Beaglebone verwendete ARM-Controller ermöglichen es aber, die Berechnung komplett in der Steuerung zu realisieren. Auch diese Lösung hat ihre Tücken, da die auf Beaglebone und Co. vorinstallierten Betriebssysteme nicht für Echtzeitprogrammierung ausgelegt sind. Zudem sind die hardwarenahen Routinen immer nur auf einer bestimmten Plattform lauffähig, die Idee von universell verwendbarer Software ist so kaum zu realisieren. Als Alternative bieten sich Controllerplatinen mit leistungsfähigem Prozessor an. Aber auch hier muss die Software speziell angepasst werden, man legt sich so auf einen bestimmten Hardwareanbieter fest und kann nicht mehr so leicht von Weiterentwicklungen oder dem vorhandenen Softwarepool der offenen Plattformen profitieren.

T-Bone kombiniert die Vorteile

Die T-Bone-Entwickler wollen nun die Vorteile der genannten Lösungen vereinen. Als Basis dient die leistungsfähige Prozessorplattform Beaglebone Black. Künftig sind Varianten für den im Frühjahr erscheinenden Arduino TRE oder auch eine Variante mit integrierter Arduino-Hardware geplant. Diese Boards verfügen über einen leistungsfähigen ARM-Controller der die komplexen Berechnungen und die Schnittstelle zur Außenwelt übernimmt. Darauf aufsetzend entwickelt das Team eine spezielle Steuerplatine. Diese enthält eine optimierte Elektronik, um die koordinierte Ansteuerung der Druckerachsen zu übernehmen.

Das T-Bone-Team kombiniert ein Beaglebone mit einer eigenen Steuerungseinheit für die Schrittmotoren.

Das T-Bone-Team kombiniert ein Beaglebone mit einer eigenen Steuerungseinheit für die Schrittmotoren.Trinamic

Übliche in der Makerszene verwendete 3D-Drucker nutzen Kunstoffextruder, die Ebene für Ebene des Objektes mit verflüssigtem Kunststoff drucken. Das Ganze ähnelt dem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers, der eine gleichmäßig ausgedrückte Zahnpasta-Tube bewegt. Die Bahnsteuerung erzeugt dabei eine möglichst gleichbleibende Bewegung in zwei Dimensionen, die bei gleichmäßig zugeführtem Material eine annähernd gleichmäßige Schichtdicke aufbaut. Eine höhere Auflösung und damit feinere Strukturen ließen sich erzielen, wenn man die Bahnsteuerung zusätzlich mit der Materialzufuhr synchronisiert. Im Bild der Zahnpasta gesprochen müsste der Drucker je nach aktuellem Druckbild unterschiedlich stark auf die Zahnpaste-Tube drücken. Anders formuliert: Es ist eine mindestens dreidimensionale Bahnsteuerung nötig. Mehrfarbige Druckergebnisse benötigen mehrere Extruder, wieder ähnlich dem Prinzip des Tintenstrahldruckers. In dieser mehrdimensionalen Steuerung liegt eine große Herausforderung, aber auch das größte Optimierungspotenzial für künftige Druckergenerationen.

Entscheidend für das Resultat ist die Achsensteuerung: Sie muss den Druckkopf exakt positionieren und die Kunstoffmenge genau steuern.

Entscheidend für das Resultat ist die Achsensteuerung: Sie muss den Druckkopf exakt positionieren und die Kunstoffmenge genau steuern.Trinamic

Schrittmotoren steuern

Für die Achsensteuerung sowie für die Extruder kommen üblicherweise Schrittmotoren zum Einsatz. Diese können sehr präzise Bewegungen ausführen und damit die Anforderungen bezüglich Auflösung und Koordination erfüllen. Zudem sind sie vergleichsweise günstig. Allerdings stellen sie hohe Ansprüche an die Steuerung: sie muss die Bestromung und Beschleunigung für das gewünschte Drehfeld des Motors als Funktion der gewünschten Bewegung berechnen. Dies kann selbst einen leistungsfähigen Embedded-Prozessor an seine Grenzen bringen, ganz zu schweigen von einem einfachen 8-Bit-Controller. Deshalb verwendet das T-Bone spezielle Motion-Controller, die diese Aufgabe komplett übernehmen und den Prozessor von diesen Aufgaben entlasten, ohne die Systemkosten unnötig in die Höhe zu treiben.

Die üblicherweise verwendeten Schrittmotoren haben einen Schrittwinkel von 1,8°, können also eine Motorumdrehung in 200 Vollschritte auflösen. Um die Auflösung zu erhöhen, kann der Treiber einen Vollschritt in Mikroschritte unterteilen. Übliche Schrittmotortreiber bieten eine 16-fache Unterteilung, die beim T-Bone eingesetzten Treiber schaffen sogar 256 Mikroschritte und erreichen damit eine deutlich feinere Auflösung.

Das Blockschaltbild zeigt, wie das Beaglebone mit einem Atmel-Mikrocontroller, drei Motion-Controllern und speziellen Schrittmotortreibern zusammenarbeitet.

Das Blockschaltbild zeigt, wie das Beaglebone mit einem Atmel-Mikrocontroller, drei Motion-Controllern und speziellen Schrittmotortreibern zusammenarbeitet.Trinamic

Open-Source-Hardware für die Macher

Da sich das Konzept hauptsächlich an die Makergemeinde richtet, wird es weitestgehend als Open-Source-Projekt realisiert. Neben dem Beaglebone oder der Arduino TRE greift das Team auch für die Software so weit möglich auf existierende Komponenten zurück. Was im Rahmen des Projektes neu entsteht – Hardware wie Software – wird später unter freier Lizenz der Allgemeinheit zur Verfügung gestellt. Die Kosten für die Hardwareentwicklung soll eine Crowdfunding-Kampagne abdecken. Hierbei präsentieren die Macher auf einem Onlinemarktplatz wie kickstarter.com oder Indiegogo potenzielle Projekte und diskutieren sie mit den Nutzern. Gefällt das Projekt, können Unterstützer Geld für die Realisierung dazugeben.

Im Gegenzug erhalten die Unterstützer eine Belohnung. Dies kann bei entsprechendem Betrag das fertige Produkt sein, bei kleineren aber auch ein speziell gestaltetes Dankeschön oder eine Erwähnung als Unterstützer. Mit diesem Prinzip lassen sich Projekte auch ohne große Vorfinanzierung umsetzen und durch das direkte Feedback der potenziellen Kunden fließen deren Wünsche direkt in den Entstehungsprozess ein. Bisher wird dieses Konzept hauptsächlich für Endkundenprodukte genutzt. In jüngster Zeit werden aber auch B2B-Produkte so finanziert. Es ist anzunehmen, dass dieser Trend zunehmen wird und sich Teile der Produktdefinition, aber auch der Entwicklung von Hardwarekomponenten zunehmend ins Internet verlagern – so wie es die Softwareentwicklung seit einigen Jahren vorlebt.

Das T-Bone-Team plant die aktive Phase der Crowdfunding-Kampagne Anfang März zu starten. Unter www.indiegogo.com/at/t-bone kann man dann eine genaue Beschreibung, erste Prototypen von Hard- und Software ansehen und bei Interesse gleich eine Vorbestellung für das fertige Board platzieren. Zudem kann jeder dort Wünsche und Anregungen für den weiteren Projektverlauf loswerden. Ziel ist es das fertige System auf der Design-West in Kalifornien zu präsentieren.

Weitere Hintergründe verraten die Macher in folgendem englischsprachigen Video: