Implementierung eines Piezosensorsystems in den 3D-Drucker der Pilotfabrik Industrie 4.0

Abstract

„Fused Filamant Fabrication“, (FFF)-3D-Drucker müssen sich mit ihrer innovativen Fertigungsstrategie im kompetitiven Umfeld der Werkzeugmaschinen etablieren. Damit dies gelingt werden hohe Präzision und Reproduzierbarkeit von Erzeugnissen verlangt. Diese Eigenschaften, sowie qualitativ hochwertige Ergebnisse basieren bei der FFF-Technologie zu großen Teilen auf der ersten aufgetragenen Schicht, da alle weiteren Schichten auf dieser aufbauen. Bei einer typischen Schichtdicke von 0,2mm haben wenige Hundertstelmillimeter Unterschied in der Düsenhöhe, also der Distanz der Düsenspitze zum Druckbett, bereits sichtbaren Einfluss auf die Adhäsion der ersten Schicht und damit auf die Qualität des gesamten Drucks. Im 3D-Drucker der Pilotfabrik Industrie 4.0 hängt die Qualität der ersten Schicht, abgesehen von der Mechanik, von dem verbauten Induktionssensor und der damit durchgeführten manuellen Kalibrierung ab. Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt in der Implementierung eines Piezosensorsystems für die z-Achse und damit die Ersetzung des aktuell verbauten Induktionssensors. Es soll ein System entwickelt werden, das vollständig kompatibel mit dem 3D-Drucker Version 2 (V2) der Pilotfabrik Industrie 4.0 ist. Dabei sollen die aktuellen Problemstellungen des Induktionssensors verbessert, oder gar beseitigt werden. Daraus ergeben sich die folgenden Ziele für das zu entwickelnde Piezosensorsystem: --- Kompatibilität zu Druckbetten jeglichen Materials --- Vermeidung eines xund y-Offsets zur Düse --- Höhere Messpräzision bei Umgebungsund Betriebstemperatur --- Konsistente Einstellbarkeit der korrekten Düsenhöhe --- Beibehaltung der Bedienbarkeit des aktuellen Systems --- Kompatibilität mit der aktuell verwendeten Mechanik, Elektronik und Software

„Fused Filament Fabrication“, (FFF)-3d-printers have to compete with their innovative manufacturing strategies in a traditional manufacturing environment. To succeed, high precision and repeatability of produced goods is expected. Within the FFF-technology these properties and high quality results base highly on the first laid down layer, because every following layer builds up on it. At a typical layer height of 0,2mm just a few hundreds of a millimeter difference between the distance of the nozzle to the printing surface reduce the quality of bed adhesion and therefore reduce the quality of the whole print. The first layer quality of the 3d-printer of the “Pilotfabrik Industrie 4.0” depends, apart from the mechanics, on the built-in inductive sensor and the manual calibration which is assisted by it. The objective of this thesis is the implementation of a piezo based sensor system for the z-axis and therefore the replacement of the currently used inductive sensor. A system shall be developed which is completely compatible with the 3d-printer version 2 of the “Pilotfabrik Industrie 4.0”. The current problems which arise by using an inductive sensor shall be improved or even completely solved. The piezo based sensor systems should achieve the following goals: --- Compatibility with every material used for the print bed surface --- Elimination of the xand y-offset between the sensor and the nozzle --- Higher precision in ambientand operating temperature --- Consistent calibration of the nozzle height --- Maintaining the current operability of the system --- Compatibility with the currently implemented mechanics, electronics and software