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3D-Drucker Speedtuning

Zielsetzung des Projekts
Das Projekt Flsun Q5 beschäftigt sich grundlegend damit so kostengünstig wie möglich einen Delta 3D Drucker zu bauen bzw. zu verbessern. Das finale Ziel ist es, eine allgemein wirksame Möglichkeit zur Verbesserung eines Deltas zu definieren. Dabei gelten Verbesserungen als Verbesserungen, wenn Geschwindigkeit und Genauigkeit des Druckers positiv beeinflusst werden. Da ich zum Start des Projektes einen Flsun Q5 (günstiger Delta 3D Drucker) zur Verfügung hatte, gilt dieser als Ausgangslage zur Weiterentwicklung. 

Projektablauf
Im ersten Teil des Projektes wurde sich zunächst mit der mechanischen und technischen Verbesserung des Druckers beschäftigt. Dabei wurden Teile wie der Druckkopf und das kinematische System zur akkurateren Bewegung des Druckkopfes angepasst. Der Druckkopf beinhaltet das Hotend, welches zum Schmelzen des Plastiks und der korrekten Auftragung dessen zuständig ist. Diese Verbesserungen waren großteils qualitativer Natur und somit nur auf diesen einen Drucker anzuwenden. 
Der zweite Teil des Projektes soll sich nun mit Bestimmung quantitativer Verbesserungsmöglichkeiten an Delta Druckern beschäftigen. Dies geschieht auf Basis des vorher verbesserten Flsun Q5 durch den Einsatz von Resonanz-Messung mit einem Accelerometer (IMU). Dabei soll die Effektivität einzelner Veränderungen am Drucker beobachtet werden, umso optimale Verbesserungen am Drucker vorzunehmen. Hierbei ist das Accelerometer zunächst die beste Möglichkeit, klare Ergebnisse zu erhalten. Das Ergebnis ist die power spectral density bei einer bestimmten Frequenz über einen Frequenzbereich von 
0-130Hz. Diese kann dann im Anschluss interpretiert werden, was dann über die Effektivität einzelner Verbesserungen entscheidet. Als allgemeine Regel lässt sich sagen, dass eine geringe PSD über alle Frequenzen hinweg angestrebt wird, jedoch bestimmte Ausschläge immer existieren werden.  Das Ergebnis soll vor allem zu einer höheren Beschleunigung (acceleration) und einer höheren Geschwindigkeit bei gleicher Qualität mit dem Einsatz eines input shapers führen. Das angepeilte Ziel liegt bei einer Geschwindigkeit von 250mm/s und einer acceleration von 20000mm/s2. Dabei sollte der begrenzende Faktor nicht das Hotend und dessen Flow, das Mainboard und die Motortreiber oder die Kühlung sein, da diese alle im ersten Teil des Projekts für die gewünschte Geschwindigkeit angepasst wurden.

Ergebnisse 
Der zweite Teil des Projektes befindet sich noch am Anfang jedoch gab es schon ein paar Ergebnisse, die zwar noch verfeinert werden müssen, aber schon zur Verbesserung der Testergebnisse selbst und auch der des Druckers beitragen. Aus den vorgenommenen Testreihen lässt sich zunächst schließen, dass ein Test ohne „stabiliser“ (Federn, die die verschiedenen Arme des Druckers verbinden) zu ungültigen Messergebnissen führt, da die Arme des Druckkopfes die Resonanz des Gesamtsystems herausfiltern und somit nur die Resonanz der Arme selbst zeigt. Was im Kontext des Gesamtsystems zu einem schlechten input shaper führt, da die Resonanz des Gesamtsystems für den input shaper benötigt wird. Im Weiteren sind bestimmte Charakteristika durch die Anbringung von Füßen und Noppen an der Unterseite des Druckers zu erkennen gewesen. Ersteimal wurde die These, dass der Anfangsuntergrund (Holzbrett über einem Hohlraum) zu einer Verschlechterung der PSD-Ausschläge geführt hat, bewiesen und somit ein neuer festerer Untergrund gefunden, was zu einer leichten Verbesserung der Ergebnisse geführt hat. Danach wurden federähnliche Füße verbaut. Wie sich herausstellte, sorgen diese für eine allgemeine Verringerung der Stärke von PSD-Ausschlägen; ebenfalls wir durch sie der gesamte Bereich um 50Hz herausgedämpft. Ein weiterer Test wurde mit Gummi/Filz-Noppen durchgeführt. Dieser ergab, dass Noppen zu einer vollständigen Dämpfung des 75Hz Bereichs führen und ebenfalls stärkere Ausschläge der PSD verringern. Wobei diese Wirkung hier nicht so stark zu erkennen war, wie bei den Füßen. Über alle Tests hinweg, bei denen die „stabiliser“ installiert waren, war zu erkennen das die y-Achse des Druckers sich nicht wie erwartet mit der x-Achse des Druckers vergleichen ließ und wenig auf die Veränderungen während den Experimenten reagiert hat. Die y-Achse zeigte, während den Tests eher einen PSD-Ausschlag, der bei einer kaputten Linearschiene auftritt, was jedoch in keinster Weise mit der x-Achse bestätigt werden konnte. Die Erklärung für dieses Phänomen ist der Aufbau des Deltas. Bei diesem befindet sich auf der y-Achse eine Linearschiene, die durchaus einen Fehler aufweisen kann. Diese Linearschiene gibt es auf der x-Achse nicht, somit ist diese frei in ihrer Bewegung, wodurch man auch keinen Fehler in den linearschienen auf der x-Achse erkennen kann. 

Nächste Schritte
Im weiteren Verlauf des Projekts werden zunächst die Linearschienen repariert. Im Anschluss werden weitere Testreihen zu unterschiedlichen Verbesserungsmöglichkeiten folgen. Bis jetzt geplant ist die Testung unterschiedlicher „stabiliser“ und deren Positionen auf den jeweiligen Armen sowie die Testung von Kabeln und deren Position die zum Druckknopf laufen, die Testung von verschiedenen Armen und Kugellagern, die Testung des Einflusses der Befestigung des Hotends am Druckkopf und die Testung der Auswirkungen stabilisierender Elemente auf das Gesamtsystem. Ebenfalls möchte ich eine bessere Möglichkeit zur Messung der PSD finden, die nicht auf ein Accelerometer angewiesen ist, da diese eher fehleranfällig ist und somit schnell falsche/schlechte Ergebnisse aufkommen. Eine Idee ist das Auslesen der Belastung der Motoren, was zu einem genaueren Ergebnis führt, da nicht vollständig am Drucker befestigte Teile das Ergebnis nicht mehr verfälschen.

grafische Auswertung der Resonanzfrequenzen
grafische Auswertung der Resonanzfrequenzen