Zeitraffer Aufnahmen mit dem RaspberryPi und einer PiCam

Es hat etwas faszinierendes dem 3D-Drucker dabei zuzuschauen, wie er Schicht für Schicht ein Teil erstellt. Allerdings ist der Prozess ein zeitintensives Unterfangen. Kleine Drucke sind in einigen Stunden gedruckt, größere Drucke dauern hingegen gerne mal etwas länger. 7 Stunden sind für einen mittelgroßen Druck eine realistische Zeit. Um den Prozess in seiner ganzen Faszination abzubilden können Zeitrafferaufnahmen gemacht werden. Dabei wird die Zeit, die benötigt wird auf ein einstellbares Minimum reduziert und die Entstehung des Objektes in seiner ganzen Pracht gezeigt. Das Hilfsmittel meiner Wahl ist ein RaspberryPi mit PiCam und die Software RPi-Cam-Webinterface. Die Installation der Software ist mit wenigen Eingaben, entweder über die Konsole des Pi's oder über SSH erledigt.

sudo apt-get update
sudo apt-get dist-upgrade
sudo rpi-update
mkdir ~/cam
cd ~/cam
git clone https://github.com/silvanmelchior/RPi_Cam_Web_Interface.git
cd RPi_Cam_Web_Interface
chmod u+x RPi_Cam_Web_Interface_Installer.sh
./RPi_Cam_Web_Interface_Installer.sh install

Jetzt sind alle benötigten Dateien und Programme installiert, sodass mit einem Webbrowser auf die Cam zugegriffen werden kann. Das sehr minimalistische Webinterface ermöglicht eine einfache Konfiguration und die Vorlage für Zeitrafferaufnahmen hat alles für einen schnellen Test bereits eingestellt. Wir wählen also unter 'Load Presets: Stf FOV, x30 timelapse' aus. Ein simpler Druck auf 'record video start' startet die Aufnahme.

RaspberryPi mit PiCam

Nach einiger Zeit hat sich auf Grund der hohen Auflösung der Kamera eine beachtliche Datenmenge angesammelt. Mein aktueller Druck läuft seit 4:30 Stunden und die dazugehörige Filmdatei ist bereits 3,6GB groß. Meine Speicherkarte wird also demnächst überlaufen und die Aufnahme abbrechen. Schade, denn der Druck wird noch einige Stunden laufen.

Eine weitere Möglichkeit ist, die Kamera nur Bildaufnahmen machen zu lassen. Eine Aufnahme mit voller Auflösung und 85% Bildqualität führt zu einer ungefähr 3MB großen Datei. Wenn alle 3 Sekunden ein Foto geschossen wird entsteht innerhalb einer Minute 60MB Daten. Eine Stunden sind dann 3,5GB. Auch hier ist uns nicht weitergeholfen. Um hochwertige Aufnahmen für den Zeitraffer zu bekommen werde ich wohl oder Übel den Speicher des RaspberryPi erweitern.

Druckprobleme und -lösungen

Seit meine Rolle weißes PLA von FilamentPrint zu Ende ging habe ich eine 1kg Rolle schwarzes Filament aus China am Drucker hängen. Seit dem hatte ich keine so guten Ergebnisse mehr erzielt. Nach einigen Versuchen habe ich jetzt einige Methoden ermittelt mit denen der Druck dann auch mit dem billigen China PLA zum Erfolg wurde.

PLA darf nicht auf einem zu heißen Druckbett gedruckt werden

Im Gegensatz zu ABS biegt sich PLA auf einem zu heißen Druckbett, was zum Crash mit dem Lüfter führt. Dadurch wird dann der schon gedruckte Körper vom Bett weggerissen. Ein zu kaltes Druckbett führt allerdings zu geringeren Haltekräften auf dem Kaptonband. Daher ist die Einstellung der Temperatur ein klein wenig aufwändig und man muss einige Versuche für verschiedene PLA Rollen durchführen. Aktuell habe ich das Druckbett auf 48°C eingestellt. Was nicht bedeutet, dass das Kapton 48°C heiß wird, denn der Thermistor ist in der Heizplatte lediglich eingeklemmt. Es ist davon auszugehen, dass die Heizplatte etwas wärmer ist. Die Oberfläche der Glasplatte kann allerdings kälter sein. ich habe leider kein Thermometer da um das zu bestätigen.

Langsamer drucken ist für die erste Schichte keine Allgemeinlösung

Die erste Schicht einfach langsamer zu drucken ist für nicht haftende Drucke (zumindest aus PLA) kein allgemein gültiges Heilmittel. Die Zeit, die die Düse auf dem schon aufgebrachten PLA verbringt, führt dazu, dass es zu Biegekräften kommt. Die sind dann ebenfalls für das Hochbiegen von Ecken und Kanten verantwortlich. Eine für mich erfolgreiche Geschwindigkeitsreduzierung ist 50% Druckgeschwindigkeit für die erste Schicht mit innernen Kanten zuerst, dann Äußere Kante und dann Füllung. Die so erzielten Druckergebnisse sind sehr zufrieden stellend.

Z-Achen Refernez und Druckbettausgleich

Der Abstand der Z-Ache zum Druckbett sollte im Bereich von 0,1mm sein. Der Druckkopf darf auf keinen Fall mit Kraft auf das Druckbett drücken, wenn er auf Z=0 gefahren ist. Da das Druckbett des Ormerod Druckers nicht parallel zur X-Achse verläuft ist eine Kompensation notwendig. Diese wird auf Grund des etwas klapprigen Y-Tisches nach jedem Start und beim Referenzieren der Z-Achse ausgeführt. Diese Kompensation führt zwar zu einem erhöhten Betrieb der Z-Achse, führt aber zu wesentlich besseren Druckergebnissen als ohne. 

Schiefes Druckbett des Ormerod Druckers

Die stärkere Belastung der Z-Achse ist nicht schlimm, da in meinem Drucker die M5 Gewindestange gegen eine gut geschmierte Tr10x2 Gewindestange getauscht wurde. So ist es immer wieder schön zuzuschauen, wie die Z-Achse mit verfährt um eine Ebene zu schaffen, die Schräg zur X-Achse liegt.

Das unendliche Projekt

Warum gibt es 3D Drucker für 2000€ wenn man sich einen ähnlichen schon für 500€ selbst bauen kann?

Diese Frage hat mich in der letzten Zeit beschäftigt. Einerseits sind die offensichtlichen Punkte einen fertig montierten Drucker zu kaufen offensichtlich. Er muss nicht mehr zusammengebaut werden. Andererseits ist das auch eine Aufgabe, die ich persönlich als sehr faszinierend empfinde.

Nach einigen Wochen der regelmäßigen Benutzung meines Ormerod 1 Druckers kann ich allerdings die Kaufentscheidung für einen fertig montierten und in Betrieb genommenen Drucker verstehen. Die meiste Zeit ist mein Drucker nämlich nicht mit drucken beschäftigt. Es ist leider nicht möglich direkt nach dem Einschalten loszudrucken. Die Mechanismen, die den Druckkopf zum Druckbett referenzieren sollen sind leider (noch) nicht in der Lage an verschiedenen Tagen gleiche Ergebnisse zu liefern. Weiterhin muss ich nach jedem beendeten Druck den Drucker resetten und die Z-Achsen Referenzierung durchführen. Somit kann ich den Drucker leider nicht wie erhofft von einem entfernten Rechner mit Daten füttern, die er dann gedruckt hat, wenn ich nach Hause komme. Das ist im Moment das angestrebte Ziel.

Bis es soweit ist sind mir noch einige Dinge Aufgefallen, die eine Verbesserung verlangen:

• Das Druckbett ist aus 3mm MDF und alles andere als Stabil. Einige Unfälle haben dazu geführt, dass die Ecken deutlich wegsacken. Noch sind sie leicht oberhalb der Y-Achse, wenn sie allerdings weiter absinken, wird das unweigerlich zum Crash am Ende der Achse führen. Hier muss also eine Stabilisierung eingebaut werden.
• Die M5 Gewindestange der Z-Ache ist mittlerweile eine 10mm Trapezgewindespindel. Das hat zu einem sehr ruhigen Lauf der Z-Achse und wunderschönen Ergebnissen der Schichten geführt. Allerdings passt der Abstand der Achse noch nicht zur Spindel und so neigt sich die Spindel, je tiefer die Z-Achse steht. 
• Der kapazitive Sensor der Z-Achse hat eine Reproduziergenauigkeit von 4% das sind bei den Einstellungen zur Zeit ca. 0,3mm und somit ausschlaggebend, ob ein Druck gelingt, oder von vornherein zum Scheitern verurteilt ist.

Allerdings hat sich in der letzten Zeit auch einiges Positive entwickelt. Ich habe den Drucker auf Vibrationsdämpfern stehen. Jetzt kann man sich in dem Raum auch wieder unterhalten, wenn der Drucker aktiv ist. Ich habe außerdem eine Rollenhalterung gedruckt, die die Filamentrolle für den Feeder bereit hält. Auch das funktioniert hervorragend.