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Gebaut mit Laser und 3D-Druck

Mittwoch, 26.05.2021 von Jonas Dietrich Gebaut mit Laser und 3D-Druck

Anbaukehrmaschine im Maßstab 1:16

Ist es möglich, ein komplettes Funktionsmodell nahezu ausschließlich mit einer Rapid Prototyping Methode, auch als 3D-Druck bezeichnet, herzustellen? Und benötigt man dazu einen eigenen 3D-Drucker? Diesen Fragen bin ich in meinem aktuellen Projekt nachgegangen. Am Beispiel einer Anbaukehrmaschine für Modelle im Maßstab 1:16 möchte ich neue Lösungen für Hobbyanwender vorstellen. Sämtliche Teile des Modells wurden nicht mit eigenen Maschinen hergestellt, sondern bei Dienstleistern in Auftrag gegeben.

 

Konstruktion

Das Thema Digitalisierung macht auch vor dem Modellbau nicht Halt. Daher ist es zu Beginn eines solchen Rapid-Prototyping-Projekts Grundbedingung, über eine gute CAD-Software zu verfügen. So wird das Modell zunächst mit allen Details am Computer konstruiert und immer wieder angepasst.

Vorbild für das Modell ist eine Anbaukehrmaschine VKS der Firma Schmidt. Es ist aber kein originalgetreuer Nachbau entstanden, da der Fokus auf Funktion und Umsetzbarkeit lag. Lediglich anhand von Fotos und ohne Originalmaße konstruierte ich das Modell. Das liegt nicht zuletzt an der zugekauften Bürste, die ohnehin die Maße vieler anderer Teile beeinflusst. Solch eine Bürste zu finden, war gar nicht so einfach. Eine ausreichend breite und lange Bürste in der perfekten Farbe fand ich nach langer Suche bei der Firma Vikan (Rohrbürste mit Stiel, 40 mm). Dann erst konnte die Konstruktion richtig losgehen. Damit die fertigen Teile nicht nachgearbeitet oder neu hergestellt werden müssen, sollte man das Modell sorgfältig Stück für Stück am Computer entstehen lassen. Das zahlt sich meist später mit passgenauen Teilen aus. Durch die CAD-Software lässt sich das spätere Modell außerdem sehr gut darstellen und die Funktion beweglicher Baugruppen lässt sich überprüfen oder simulieren.

Wichtig beim Konstruieren für einen späteren 3D-Druck ist es, die Konstruktionsrichtlinien für das entsprechende Druckverfahren bzw. den entsprechenden Drucker einzuhalten. Diese können über den 3D-Druck-Dienstleister bezogen werden. Es lassen sich Angaben beispielsweise zu Toleranzen, Wandstärken, Spaltmaßen und Passungen finden. Besonders achte ich auf die Wandstärken im Hinblick auf die Stabilität und auf Spaltmaße bei beweglichen oder zusammengefügten Teilen. Dabei gibt es keine wirkliche Formel, sondern mehr das Motto: So viel wie nötig und so wenig wie möglich. Praktische Erfahrung aus anderen Projekten hilft hier weiter.

 

Aufbau

Eine wichtige Rolle spielt das 8×8-mm-Vierkantprofil, das mit den beiden Seitenteilen den Rahmen für die Bürste bildet und außerdem Träger für fast alle anderen Teile ist. Um eine hohe Stabilität zu erzielen ist diese Stange aus Aluminium.

Die Verbindung zwischen dem Bürstenrahmen und dem Frontkraftheber bildet ein Sockel. An diesem befestigt sind der Dreipunktanbau und die beiden Schwenkzylinder. Das Gabelgelenk lässt die Bürste nach rechts und links schwenken und impliziert ein Gelenk für die Drehung um die Längsachse. So passt sich die Bürste dem Boden an. Da die Bürste beim Modell, wie auch beim Original, im angehobenen Zustand immer zur schwereren Getriebeseite kippt, ist bei diesem Gelenk ein Verdrehanschlag zwingend notwendig. Der zentrale Sockel trägt außerdem das Servo, welches als Schwenkantrieb fungiert. Für den Schwenkantrieb verwende ich einen Seilzug aus einer nicht dehnbaren Dyneema-Schnur. Über eine auf dem Servoteller sitzende Rolle wird das Seil geführt. Es ist wiederum mit einer Augenschraube an den beiden Kolbenstangen verknotet und gegen Durchrutschen mit der Rolle verknotet. Den Rollendurchmesser habe ich anhand des notwendigen Kolbenweges zuvor mit der Umfangsformel eines Kreises ausgerechnet. Eingebaut ist ein Turnigy TGY-R5180MG 180°-Servo.

Für den Antrieb der Bürste musste jene erst einmal gelagert werden. In beiden Seitenteilen befinden sich 10×15×4-Kugellager, die im Schraubstock hervorragend in den Kunststoff eingepresst werden konnten. Aufgrund des gewendelten Bürstenstabs mit unterschiedlichen und „krummen“ Durchmessern auf beiden Seiten, benötigte ich zwei 3D-gedruckte Distanzringe, die auf den Bürstenstab aufgepresst sind. Im Kugellager sind sie mit einem Tropfen Sekundenkleber fixiert. So kann die Bürste jederzeit gewechselt werden.

Motorisiert wird die Bürste mit einem PGM-16 Getriebemotor mit 12-V-Betriebsspannung und 200 Umdrehungen/Minute. Motor und Bürstenstab sind über eine Kette miteinander verbunden. Diese Lösung ist sehr einfach, funktioniert aber tadellos. Die Kette ist aus dem Sortiment von Conrad mit der Teile-Nr.: 297429. Das Motorritzel stammt von HPI Racing (Art.-Nr. 108267). Es war allerdings zu breit, weshalb es abgedreht wurde. Das würde zur Not auch an der Schleifmaschine oder mit einer Feile gehen. Die Wellenbohrung war mit 1/8 Zoll ebenfalls zu groß für die 3-mm-Welle des Motors. Mit ein wenig Alufolie konnte ich dort gut nachhelfen und den Spalt füllen. Für die zu erwartenden Kräfte und Umdrehungen ist diese Methode ausreichend. Auf dem Bürstenstab befindet sich ebenfalls ein Ritzel von Conrad (Teile-Nr.: 330099). Ich bohrte es auf und ergänzte eine Madenschraube. Durch die Wendelung des Bürstenstabes hatte diese aber trotz Abflachung kaum Halt auf der Wendelung und drehte sich bei Belastung nach außen ab. Deswegen befindet sich das Getriebe nun rechts, damit das Ritzel durch den immer gleichen Drehsinn gegen den Distanzring und das Kugellager gedrückt wird.

Nicht zu vergessen sind die beiden Räder, die der Bürste eine bessere Führung geben. Sie sind außerdem über eine Schraube mit Kontermutter stufenlos höhenverstellbar, wodurch der Abstand der Borsten zum Boden variabel ist. Die Reifen sind unter Art.-Nr.: 3800 erhältlich bei www.flugmodellbau-shop.eu.

Um das Trägerfahrzeug vor Verschmutzungen zu schützen, gibt es ein Hauptschutzblech und eines, das mit einer Kette im Winkel verstellt werden kann. Damit die originalgetreue metallische Oberfläche bzw. Farbe identisch ist, habe ich dieses Blech nicht 3D-drucken lassen, sondern per Laser zuschneiden und CNC-Biegen lassen.

 

Herstellung

Nach der eingangs beschriebenen Konstruktion, können die Teile hergestellt werden. Genauer gesagt werden sie online bestellt. Ich habe gute Erfahrungen mit der Firma Trinckle als 3D-Druckerei gemacht (www.trinckle.com). Die fertigen Teile werden als STL-Dateien einfach auf der Webseite hochgeladen. Dann kann das Druckverfahren ausgewählt werden. Hier habe ich mich bei allen Teilen für das selektive Lasersintern (SLS) entschieden. Bei dem Verfahren werden ständig sehr dünne Schichten eines Kunststoffpulvers aufgetragen und an den entsprechenden Stellen per Laser verschmolzen. Das Verfahren zeichnet sich durch sehr gute Maßhaltigkeit, eine hohe Oberflächengüte und Stabilität sowie ein attraktives Preis-Leistungs-Verhältnis aus. Nach dem Hochladen wird der Preis direkt angezeigt und mögliche Konstruktionsfehler werden grafisch dargestellt. Bei vielen kleinen Einzelteilen ist es oftmals günstiger, diese miteinander verbunden drucken zu lassen. Man kann die Teile auch gleich in verschiedenen Farben lackieren lassen. Dazu werden sie in eine Farblösung getränkt. Ich habe versuchsweise die Farbe Orange gewählt und bin mit dem Farbton äußerst zufrieden. Bisher wurden die Teile farblich nicht weiterbearbeitet, obwohl es natürlich schöner wäre, erst die Oberfläche glatt zu schleifen und dann zu lackieren. Ähnlich funktioniert die Bestellung der Bleche. Diese bestelle ich gerne bei der Firma LTO (www.laserteileonline.de). DXF-Dateien können auch hier direkt online hochgeladen werden und nach der Auswahl des passenden Materials findet eine sofortige Preisberechnung statt. Andere Dateiformate, wie z.B. STEP-Dateien, können per Mail angefragt werden. Positiv ist die große Materialauswahl. Bei den hier beschriebenen Blechen verwende ich 1 mm starkes Aluminium.

 

Zusammenbau

Der spannendste Moment eines solchen Projektes ist dann, wenn alle Teile nebeneinanderliegen und zum ersten Mal provisorisch zusammengefügt werden. Dann entscheidet sich, ob man bei der Konstruktion wirklich nichts übersehen hat und ob der 3D-Druck erfolgreich war. Es ist auch ein tolles Gefühl, die selbst geplanten Teile fertig in den Händen zu halten. Bei diesem Projekt war der Zusammenbau vergleichbar mit einem Bausatz. Die Teile passten hervorragend und mussten nur noch zusammengeschraubt werden. Fast, denn Gewinde müssen per Hand geschnitten werden und Bohrungen unter 3 mm müssen generell aufgebohrt werden. So erhält man schnell eine funktionsfähige Kehrmaschine. Natürlich ist es noch ein Prototyp, an dem man immer eine Verbesserungsmöglichkeit sieht. Zum einen wäre das eine professionelle Lackierung. Zum anderen ist es der Antrieb. Hier schwebt mir ein Riemenantrieb vor. Fraglich ist, inwiefern käufliche Teile auf Wellendurchmesser etc. angepasst werden müssten. Bewusst habe ich mich zunächst für den eher spartanischen Kettenantrieb entschieden, da dieser einfach und auch ohne Drehbank und co. nachzubauen ist. Trotzdem funktioniert dieses Funktionsmodell einwandfrei und kehrt kraftvoll jeglichen Schmutz zusammen. Ich hielt anfangs nicht für möglich, welchen Spielwert und Nutzen dieses kleine, aber feine Gerät bietet.

 

Fazit

Bezugnehmend auf die eingangs gestellte Frage ist es also möglich, ein Funktionsmodell fast ausschließlich mit einem Rapid-Prototyping-Verfahren herzustellen. Und das ganz ohne einen eigenen 3D-Drucker. Meinem Erachten nach sind 3D-Druckereien eine gute Alternative zu einem eigenen Drucker, zumal es noch keine SLS-Maschinen für private Zwecke gibt. So können auch andere Materialien wie z.B. Silikon gewählt werden, die mit dem Gerät für den Heimgebrauch nicht verwendet werden können. Außerdem handelt es sich um sehr genaue und hoch entwickelte industrielle 3D-Drucker, die in vielerlei Hinsicht bessere Ergebnisse als günstige Einsteigergeräte liefern. Und man umgeht mit geringen Kosten für einzelne Bauteile die hohen Anschaffungskosten eines eigenen 3D-Druckers. Einziger Nachteil ist die Wartezeit auf das fertige Produkt. Hier ist man mit einem eigenen Gerät deutlich flexibler. Mit den von Trinckle gelieferten Teilen bin ich sehr zufrieden. Meist sind die Maße bis auf hundertstel Millimeter genau. Die Oberfläche ist zwar typisch für das SLS-Verfahren rau, jedoch lassen sich nur an wenigen schrägen Flächen die einzelnen Schichten erkennen.

Interessant für den Modellbau ist auch die Möglichkeit, Bleche nach genauen Vorgaben zuschneiden und biegen zu lassen. Da die Konstruktion sehr ähnlich wie beim 3D-Druck ist, lässt sich beides hervorragend vereinen. Auch die Teile von LTO sind passgenau mit modernen Maschinen gefertigt.

Insgesamt war es ein sehr interessantes und kurzweiliges Projekt, bei dem auch die Kosten von rund 250,- € (150 € 3D-Druck, 50 € Bleche, 50 € Sonstiges) im Rahmen geblieben sind.

  • Gesamtansicht des Modells in der 3D-CAD-Konstruktion

  • Schnittansicht des gesamten Modells

  • Getriebeseite in der Konstruktion

  • Sämtliche 3D-Druck Teile von der Firma Trinckle und Bleche der Firma LTO.

  • Das Gabelgelenk lässt die Bürste nach rechts und links schwenken. Enthalten ist ein Gelenk für die Drehung um die Längsachse

  • Die Einzelteile des Seilzugs zur Schrägstellung der Bürste

  • Detailaufnahme eines Laufrades. Durch die Schraube mit Kontermutter ist es stufenlos höhenerstellbar

  • Die Seitenteile mit den eingepressten Kugellagern

  • Gesamtaufnahme der Bürste mit den Distanzhülsen

  • Distanzhülse nicht getriebeseitig

  • Distanzhülse getriebeseitig

  • Das Kettengetriebe

  • Gesamtansichten des fertigen Modells

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