Das schmuffligste Blog der Welt

Nachdem der Drucker nunmehr alle Teile ausgespuckt und der Zoll die Bestellung vom Hobbyking freigegeben hat, kann es nun an die Montage gehen.Es sollten diese Rahmenteile vorliegen:
– Platte unten (die mit den Ösen und der Servohalterung)
– Platte oben
– Vier Arme (ggf. plus vier Füße)
– Gehäuse für HKpilot (zwei Teile)
– Gehäuse für GPS (zwei Teile)

Rahmen montieren
Als Flugrichtung „nach vorne“ habe ich die Seite festgelegt, wo später irgendwann die Kamera befestigt wird. Also ist „hinten“ bzw. „rückwärts“ die Seite der Platten, die die rechteckigen Elemente enthält:

Die Montage ist ganz simpel. Untere Platte auf den Tisch legen (Servohalterung zeigt nach unten!), Arme auf die jeweiligen Löcher ausrichten, obere Platte auflegen und mit jeweils zwei der M4x50 Schrauben durch die beiden äußeren Löcher befestigen. Unter die Mutter eine Scheibe legen:

Elektronik vorbereiten
Auf dem HKpilot JP1 entfernen und gut aufheben, da wir bis auf die Servos alles mit dem Power Module versorgen sollte der offen sein. Dann ins Gehäuse einbauen. Dabei darauf achten, dass die Eingänge (Input) nach vorne, also in Flugrichtung zeigen werden. In das kleine „Kästchen“ im Gehäuse sollte man etwas Watte, Schaumgummi oder ähnliches stecken, damit der Drucksensor etwas abgedeckt ist. Das Gehäuse einfach mit ein paar Kabelbindern zuziehen. Anschließend das GPS ins Gehäuse einbauen, damit es nicht so drinnen herumklappert, einen Tropfen Heisskleber nehmen und die beiden Platinen sichern. Die Antenne muss logischer Weise nach oben Zeigen 🙂 Das Gehäuse kann mit Heisskleber oder ein paar Tropfen Sekundenkleber verschlossen werden.

Der HK Pilot wird nun schon einmal mit den Empfängerkabeln bestückt. 5 Stück lagen der Turnigy 9x bei, also die Eingänge  1-5 dafür verwenden. Masse (schwarzes Kabel) zeigt dabei nach außen/vorne. Wenn ihr die Turnigy 9x auf openTX umflasht, könnt ihr die Kanäle am Sender frei belegen. Wenn ihr das nicht vorhabt (wieso auch immer, lohnt sich aber!), dann müsst ihr die Inputs ggf. später nochmal tauschen, damit alles passt.
Danach stellen wir den HKPilot erst mal zur Seite.

Motoren montieren
Nun geht es an die Montage der Motoren. Jeder Motor wird mit dem zugehörigen Accessory Pack für die Aufnahme der Propeller vorbereitet.
Danach das silberne Kreuz oben auf die Arme legen und zwar so, dass die Löcher passen 😉 Ich verwende das Kreuz in der Hoffnung, dass es ggf. entstehende Wärme der Motoren aufnehmen kann. Denn ab 40-50°C wird das PLA weich 😉 Außerdem wird so die Auflagefläche der Motoren vergrößert.
Anschließend werden von unten die M3x8 Schrauben reingedreht, bis sie gerade so oben wieder rausschauen. Dann den Motor aufsetzen. Wenn man von oben auf den Arm sieht, steht das Kabel auf 11 Uhr:

Dann vorsichtig von unten festschrauben. Achtung, nicht überdrehen! Nach fest kommt ab!
Alle Motoren sollten beim oben drauf schauen nun in derselben Position befestigt sein.

Controller montieren
Alsdann können die Motorcontroller (ESCs) befestigt werden. Je nach Geschmack kann das auf oder unter den Armen erfolgen, ich habe das unten drunter erledigt.
Beim Anschluss der Motoren an die Controller muss beachtet werden, dass zwei Motoren im und zwei gegen den Uhrzeigersinn drehen müssen. So werden die Drehmomente ausgeglichen und der Copter fliegt später stabil. Das kann man entweder über ein umflashen der ESCs erreichen (KK Multicopter Flashtool) oder ganz einfach über das vertauschen der schwarzen und gelben Anschlusskabel. Das Drehstrom-Wechselfeld ist dann nämlich einfach andersrum polarisiert und der Motor dreht in die andere Richtung. Welche Motoren müssen wie rum drehen? Dazu gibt es im Arducopter Wiki ein schönes Bild. Wir haben einen X-Frame, also müssen (wenn man von oben in Flugrichtung schaut) die Motoren 3 und 4 im Uhrzeigersinn drehen. Also bei diesen die gelben und schwarzen Anschlusskabel vertauschen. Wenn ihr das verwechselt ist nicht schlimm, das kann man später im Testlauf noch korrigieren. Dazu dann die Kabelbinder vlt. nicht ganz so fest ziehen 😉

Spannungsversorgung einbauen
Die Controller werden dann ganz einfach an das Quadcopter Power Distribution Board angeschlossen. Das legt man mit der gummierten Seite erstmal unten in den großen Zwischenraum rein und macht die Anschlüsse. Dabei auf richtige Polarität achten. Wenn man von oben in Flugrichtung draufschaut, dann sollte der Eingang des Boards auf vier Uhr an der Seite liegen. Hier wird dann nämlich gleich das Power Module angeschlossen (ich habe es eingeschrumpft, damit nichts passiert) und auf dem Arm vorne rechts mit Kabelbinder fixiert. Man kann das Stromverteilerboard noch mit Kabelbindern auf der unteren Platte fixieren, es hält aber durch die ganzen Kabel auch so ganz gut. Man muss halt schauen ob es dann ohne Kabelfinder ggf. zu stark vibriert und sich etwas abscheuert.
Den DF13 Stecker des Power Modules führen wir hinten raus, da kommt später der HKpilot dran. Ebenso verfahren wir mit den Kabeln die von den Controllern kommen.

HKpilot, Empfänger und GPS einbauen
Jetzt wird alles an den HKpilot angeschlossen. Das DF13 Kabel vom Power Module unten links, die Kabel vom Empfänger rechts (schwarz ist Masse und ganz nach außen), die Kabel von den ESCs/Motor Controllern links (braun ist Masse und wieder nach außen). Die GPS Maus wird mit dem DF13 rechts unten angeschlossen.
Hier eine Ansicht als Bild:

Der HKpilot im Gehäuse wird auf die Bodenplatte montiert und erstmal mit einem Kabelbinder fixiert. Die Kabel zum Empfänger werden durch das Loch in der oberen Platte geführt und mit dem Empfänger verbunden. Ebenso das dem Kabel der GPS Maus. Die Maus stellt man auf den Empfänger und zieht das ganze Paket mit einem Kabelbinder fest. So könnte das am Ende aussehen:

Die Antenne des Empfängers einfach unten mit einem Kabelfinder befestigen, damit sie nicht in die Propeller gerät.

Montage der Batterie
Bei den meisten Quadcoptern die man so sieht, ist die Batterie immer unter der Bodenplatte befestigt. Darüber kann man diskutieren. Ich finde die Vorstellung, dass  sich bei einer Bruchlandung, wenn die Füße oder Arme brechen, die Batterie in den Boden bohrt, nicht so erbaulich 🙂
Daher montiere ich meine Batterie auf der oberen Platte. Von oben in Flugrichtung betrachtet, wird die Batterie mit den Anschlüssen nach links oben montiert. Einfach ein paar Kabelbinder durch die obere Platte und die Batterie sachte fixieren. Hier kann je nach Gusto noch etwas Mossgummi mit eingebaut werden, damit sich nichts abscheuert und die Batterie schön gedämpft ist. Mit der Positionierung der Batterie kann man auch den Schwerpunkt des Copters gut ausbalancieren! Hinten zu schwer? Dann Batterie weiter nach vorne schieben. Erklärt sich eigentlich von selbst.
Ganz vorne auf der oberen Platte machen wir dann noch den Lipowarner mit einem Kabelbinder fest.

Fertig
Wenn alles montiert und fürs Erste fixiert ist, sollte der Quadcopter ungefährt so aussehen (Achtung: Propeller habt ihr noch keine drauf!):

Im nächsten Kapitel folgt das Einrichten vom HKpilot mit dem Mission Planner, das kalibrieren der Funke und der Motoren.

Im Gegensatz zur Zusammenfassung aus Teil 0 geht es hier nun richtig los! Am Ende dieses Beitrages werden alle Rahmenteile fertig vorliegen, die Elektronik etc wird bestellt sein.Wer (noch 😉 ) keinen 3D Drucker sein Eigen nennt, für den gebe ich einen zusätzlichen Link zum Kauf eines Rahmens an. Keine Angst, ein Rahmen für einen Quadcopter kostet kein Vermögen, mit ca. 20 EUR ist man für sehr gute Modelle dabei. Wenn allerdings etwas abbricht, dann hat man ggf. ein Problem und kann nicht einfach den 3D Drucker starten und hat 4h später einen komplett neuen Arm oder eine Bodenplatte.

Los gehts. Zuerst brauchen wir die 3D Modelle für den Ausdruck. Dank Thingiverse.com gibt es da inzwischen ja zahlreiche Möglichkeiten und einige Leute haben schon Teile für Quadcopter konstruiert und gratis veröffentlich. Am besten finde ich den „Crossfire“. Der ist klassisch. Die Abstände zwischen den Beinen sind identisch, es ergibt sich eine stabile, quadratische Grundform. Leider ist der „Stauraum“ zwischen oberer und unterer Platte recht gering. Das kann – je nachdem was man später noch einbauen möchte – ein Problem werden. Zum Glück hatte schon jemand ähnliche Bedenken und den Crossfire Arm etwas verändert. Im „Spyda 500“ finden wir einen Arm, der uns mehr Stauraum gibt.
Leider gibt es bei diesem Arm ein – meiner Ansicht nach – riesiges Problem. Das optisch ansprechende, sehr elegante Füßchen bricht extrem leicht ab, wenn man mal schief oder etwas härter landet. Ich habe daher diesen Arm mit einem CAD Programm (FreeCAD) nochmals verbessert und den Fuß stabilisiert und bei Thingiverse veröffentlicht: KLICK.

Wir sammeln uns also nun von allen Coptern die besten Teile zusammen und drucken:
4x Crossfire_Arm_thicker_3.0_stable.stl vom Spyda 500 (meine stabilere Version)
1x Top_Plate_Generic.stl vom Crossfire
1x Bottom_Plate.stl vom Crossfire

Für die Elektronik gibt es schöne Gehäuse bei Thingiverse, die laden wir uns auch gleich hier und hier herunter:
1x ARDUPILOT_CASE_BOTTOM.stl
1x ARDUPILOT_CASE_TOP_v2.stl
1x UBLOX_NEO_M6_CASE_BOTTOM.stl
1x UBLOX_NEO_M6_CASE_TOP.stl

Hier alle benötigten STL Files in einer ZIP Datei:  quadcopter_stls.zip

Update 27.01.14:
Als Alternative zu meinem stabileren Arm habe ich hier einen Arm mit austauschbarem Fuß erstellt.

Diese Modelle nun mit dem von euch bevorzugten Slicer sclicen und Drucken. Ich drucke die Gehäuse und Platten in schwarzem PLA, zwei Arme ebenfalls schwarz und zwei Arme in leuchtendem Rot. Auf diese Weise lege ich gleich die Flugrichtung für „Vorwärts“ fest und sehe auch recht schnell, wo beim Copter vorne ist. Das ist ungemein hilfreich 😉
Infill bei den Armen 50%, ggf. kommt man auch mit 33% noch gut weg.

Euer Drucker sollte jetzt drucken und somit können wir an die Bestellung der Teile gehen. Eine akzeptable Lieferquelle ist Hobbyking in China. Der der Kram heutzutage sowieso aus China kommt, kann man sich auch gleich alle Mittelsmänner sparen und direkt in China bestellen. Das kostet zwar 4.7% Zoll auf den Warenwert+Versandkosten (ist leider so) und auf diese Summe nochmal 19% Einfuhrumsatzsteuer, aber es lohnt sich dennoch!

Für den von mir vorgeschlagenen Copter brauchen wir:

1x Fernsteuerung und Empfänger, die Turnigy 9x ist eine 9 Kanal Anlage mit 8 Kanal Empfänger, komplett fertig
ALTERNATIV: Es gibt einen Nachfolger für die Turnigy 9x, die 9XR allerdings müsst ihr euch da selbst um Sendemodul und Empfänger kümmern sowie entsprechende Kabel. Im oberen Paket ist alles für den Start gleich mit dabei.
1x Microservo um damit ggf. später die Kamera zu steuern (kostet nur 2 EUR, direkt mitbestellen also)
1x onBoard Lipoly low voltage Alarm (auch nur 2 EUR und zerquetschte, macht immer Sinn)
3x Propeller 12×6 (1 Ersatzpropeller)
3x Propeller 12x6R (auch wieder 1 Ersatz)
ALTERNATIV: 2x Set mit je 4 12×4.5 Propellern
1x Batterie Adapter von 4mm HXT auf XT-60
1x Quadcopter Verteilerboard
1x NEO-6 GPS Modul
1x Power Modul für HK Pilot
1x HKPilot Modul (das ist ein Ardupilot Klon, baugleich)
4x Afro ESC Brushless Controller 30A
4x Zubehör Pack für Motoren
4x Motor NTM 28-30s 800kV
20x Schrauben M3x8 für Montage des Motors auf den Armen (müssten passen, ich hatte noch eigene)

Damit wären dann schon mal ca. $330 USD im Warenkorb.  Es fehlt noch der Akku, den bestellen wir aber besser im EU Lagerhaus, denn LiPo Versand aus China ist in letzter Zeit etwas unzuverlässig und man munkelt, der Zoll nörgelt da gerne mal wegen RoHS und dergleichen.
Das heisst, diese Bestellung jetzt erst mal so absenden (Paypal, siehe unten!), und als Versandmethode unbedingt DHL Global wählen! Das ist nicht nur günstiger ($40 USD) sondern die halsen euch nicht noch extra Zoll- und Phantasiegebühren für die Zollabwicklung auf. So müsst ihr beim Zollamt nur $330+$40=$370 verzollen. Grob sind das dann ungefähr
270.- EUR plus 4.7% Zoll = 283.- EUR + 19% Einfuhrumsatz = ca. 336.- EUR

OPTIONAL: Wer keinen 3D Drucker hat, kann einen Rahmen mitbestellen, der hier müsste für die 12″ Proppeller gerade so ausreichend sein.
Die Montagelöcher für die Motoren passen, Rest jedoch ohne Gewähr meinerseits 😉
1x Rahmen 500mm mit Landebeinen

Als nächstes bestellen wir den Akku im EU Warehouse:

1x Zippy Flightmax 5000mAh 4s1p Akku

Versand kann dann billigst aus Holland erfolgen, registered ist nicht nötig wenn ihr mit Paypal zahlt. Falls nichts ankommt, ist es über Paypal abgedeckt.

Nicht immer ist alles bei Hobbyking lieferbar, wenn ein Artikel auf Backorder steht, einfach ein oder zwei Wochen abwarten, dann geht die Bestellung in der Regel auch raus. Nach weiteren 1-2 Wochen bekommt ihr Post vom Zoll, dass ihr euer Paket bitte abholen sollt. Dazu dann die Rechnung von Hobbyking ausdrucken, ggf. noch den Paypal beleg und ab zum Zoll. Geld nicht vergessen. Mitunter kann man sich das sparen und dann kassiert automatisch der Postbote an der Tür. Kommt drauf an 🙂

Im Eisenwarenladen eures Vertrauens müssen dann noch besorgt werden:
8x Schrauben M4x50 (kein Senkkopf, am besten Hex oder Flachkopf etc), passende Scheiben und selbstsichernde Muttern.

Kosten alles in Allem: rund 385.- EUR

Weiter geht es in Teil 2 – Montage des Rahmens und Einbau der Elektronik

Ich bin schon seit jüngster Kindheit sehr an ferngesteuerten Modellen interessiert. Angefangen hat alles mit den Autos von früher™, dem Jet Hopper von Dickie oder dem Wildfang von Nikko. Später begann der Einstieg in Flugmodelle mit Verbrenner Motor, dem Robbe Charter oder dem WIK Charly.
Dazu musste man dann einem Verein beitreten damit man die Start- und Landebahn nutzen konnte. Die Plätze liegen immer außerhalb der Ortschaften, sodass das ganze Hobby aufgrund der dazu notwendigen Nutzung des „Taxi Mama“ und der ganzen Vereinsmeierei schnell eingeschlafen ist.

Weiter ging es dann mit einer Besinnung auf die Wurzeln, den RC Autos, und einem Einstieg in die Verbrennerautos mit dem Graupner Mini Impuls 2000. Ein sehr schönes Auto für die damalige Zeit. Aber Verbrenner erfordern Aufwand. Es muss Sprit gekauft werden (teuer), die Karre wird von Rizinusrückständen richtig zugesaut und auch Offroadfahrten hinterlassen ihre Rückstände. Alles in Allem, auch ein relativ großer, wenig erfreulicher Zeitanteil.

Nach etlichen Jahren Pause hat die Batterietechnik mit dem Aufkommen von Lithium-Polymer bzw. -Ionen Akkus wesentliche Fortschritte gemacht. Auch mit den neuen bürstenlosen Motoren kann man jetzt etwas anfangen und dann bin ich wieder eingestiegen. Über Silverlit X-Twin hin zu PicooZ bin ich zu den Hubschraubern gekommen. Da ist es nur noch ein kleiner Schritt bis zu den Quad- oder Multicoptern und ich baue inzwischen selbst.

Ich wollte schon lange einen großen, mächtigen Quadcopter bauen, der nicht nur sehr günstig (ich alter Geizkragen) sondern auch enorme Tragfähigkeiten hat, sodass auch die Ausrüstung mit einer Kamera und großen Akkus kein Problem darstellt.
In dieser Serie stelle ich mein Projekt komplett vor. Mit Bezugsquellen der Elektronik und Akkus, Sender/Steuerung und Empfänger, 3D Modellen zum Druck der Rahmenteile (alternativ Kauf eines fertigen Rahmens) bis hin zum Aufbau und der Konfiguration. Am Ende der Reihe wird ein fertiger, sehr einfach zu fliegender und bereits mit der Fähigkeit zum autonomen Flug vorhandener Quadcopter vor euch stehen.

Technische Details:

– Abmessungen von Arm zu Arm, ohne Rotoren: 52cm
– Höhe bis zu den Propellerspitzen: 14cm
– Gewicht ohne Kamera, inkl. Akku: ca. 1.600g
– Akku 5000mAh, 4s1p
– Flugzeit ca. 20-30min bei gemäßigtem Flug ohne Last usw.
– MTOW, theoretisch maximales Abfluggewicht mit 12×6 Propellern: 4.800g
– Elektronik auf Basis eines Ardupilot Klons mit Gyro, Kompass, GPS, Barometer
– 9 Kanal Sender, 8 Kanal Empfänger
– 4 Bürstenlose (Brushless) Controller 30A mit SimonK Firmware
– 4 Brushless Motoren 300W 800kV
– 4 Propeller 12×6 (12 Zoll Größe, Steigung 6), alternativ 12×4.5
– Bodenplatte mit Aufnahmeplatz für ein Microservo und Buchsen für Kamerahalterung
– Möglichkeit eine weitere Topplatte zu montieren

Preis: <400 EUR

Fotos folgen.

Weiter geht es mit Teil 1, dem Herstellen der Teile und – weil es bis zur Lieferung etwas dauert – dem Bestellen der Elektronik usw.

Da mein Mendel90 in einer recht dunklen Ecke steht, musste ich bislang immer mit einem kleinen Taschenlämpchen meinen Druck kontrollieren.
Mit dem Einbau meiner Melzi Controllerkarte, bietet es sich an, das Druckbett nun zu beleuchten und die Beleuchtung über ebendiese Karte mittels GCodes zu steuern.

Gesagt getan! Meine sehr verehrten Damen und Herrne, ich präsentiere:
Den beleuchteten Mendel90!

Die linken und rechten Clipse sind für LEDs mit 5mm Durchmesser entworfen und halten die LEDs in einem 45° Winkel nach unten. Die oberen Clipse lassen die LEDs direkt nach unten strahlen.
Alle drei Varianten können als STL Datei hier heruntergeladen werden: clipse.zip

Optimaler Weise sind jeweils drei LEDs in Reihe zu schalten und der dafür dann benötigte Vorwiderstand einzubauen (komtm auf die LEDs an). Diese Strings werden dann parallel geschaltet.

In Phase 2 folgt nun der Einbau von LEDs in den X-Carriage-Fan-Duct, damit ich noch mehr Licht auf dem Druckbett habe. Dafür muss ich aber erst warten, bis das ABS da ist 🙂

[Update 17.11.13]
Heute habe ich Phase 2 angefangen umzusetzen. Zuerst habe ich nopheads original X-Carriage-Fanduct in FreeCAD importiert und dort dann die passenden Halterungen für 5mm LEDs sowie entsprechende Kabelführungen angebracht. Nachdem jetzt auch das ABS da ist, habe ich also einen Drucktag eingelegt 😀 Am Ende des Tages lagen zwei Fanducts auf dem Tisch, einer mit KISSlicer gesliced und einer mit Skeinforge50. Das Ergebnis war bei beiden ähnlich, unterm Strich musste ich bei dem Kisslicer Objekt mehr an der Brücke bereinigen. Das Bridging ist bei diesem STL recht extrem, und insgesamt bin ich überrascht, dass das mit Kisslicer überhaupt funktioniert hat.

Somit ist Phase 2 und das Beleuchtungsprojekt abgeschlossen. Das Druckbett und der Bereich um die Düse sind jetzt hervorragend ausgeleuchtet und man kann sogar komplett im Dunkeln drucken und alles hervorragend beobachten.
Hier noch ein paar Schnappschüsse.

Von der Seite

Bild 1 von 4

Download der Fanduct STL Datei: xcarriagefanduct_fixed.zip

Nachdem mein Mendel90 nun ganz vernünftig druckt, war es an der Zeit, die letzten Ressourcen auszuschöpfen und vor Allem den optionalen Lüfter in Betrieb zu nehmen. Dieser ist beim Mendel90 hinten links verbaut und soll nach Ende des Drucks das Druckbett und das hergestellte Werkstück abkühlen.
Nun, wie wird der gesteuert? Auf dem verwendeten Melziboard (Schaltplan hier) sieht man die beiden Pinleisten, einmal den 6poligen ISP Header JP17 (der interessiert uns hier nicht) und unten drunter den 10poligen JP16. Das ist derjenige, der von Interesse ist. Dort sind die Ausgänge A1-4 verzeichnet. A4 ist mit der Debug LED verbunden und daher lasse ich den mal außen vor. Bleiben A1-3 übrig, diese sind direkt mit Prozessorpins verbunden.

Da auf dem Melziboard ein Atmel läuft, können die Pins nichts großartiges mit Strom versorgen, man braucht also einen Treiber dafür. Auf meiner kleinen Add-On Platine verwende ich drei N-Kanal Mosfets IRLZ34N, die steuern schon bei 3.3V Gatespannung nach Masse durch.
Achtung: Laut Schaltplan geht Pin10 des Anschlusses direkt an GND, ich weiss nicht ob das an die Massefläche der Platine geht oder über eine (dünne) Leiterbahn irgendwohin. Also obacht beim versorgen von großen Lasten 😉

Da der Pin Header nur 5V liefert (laut Schaltplan an Pin 9), müssen noch 12V auf das Add-On Board. Das geschieht über das Lötauge neben dem Wannenstecker. Hier kann ein Kabel angelötet werden, dass direkt an den noch freien „FAN+“ Anschluss auf dem Melziboard geht. Dort liegt Dauerplus an.

Über die drei Schraubterminals kann dann die zu steuernde Last angeschlossen werden. Von vorne betrachtet ist links Masse und Rechts 12V.
Und wie steuert man die Ausgänge nun? Das Melziboard beim Mendel90 hat per Default nopheads Marlin Fork installiert. Dort gibt es den GCode Befehl M42 um diverse Pins zu steuern.
Für das Add-On Board wären das:

Ausgang 1AN „M42 S255 P30“
Ausgang 1 AUS  „M42 S0 P30“
Ausgang 2 AN „M42 S255 P29“
Ausgang 2 AUS „M42 S0 P29“
Ausgang 3 AN „M42 S255 P28“
Ausgang 3 AUS „M42 S0 P28“

Die Platine ist großzügig dimensioniert, bietet also genug Platz um ein oder zwei Löcher zu bohren und sie hinten am Mendel90 zu befestigen. Das Flachband- und 12V Kabel sind dann entsprechend lang zu wählen 🙂

Layout und Schaltplan zum Download als zip (Eagle Format): melzi-control

Foto der bestückten Platine

Am Mendel90

3D Drucker werden ja langsam erschwinglich, die ersten Schrottgeräte sind bei den üblichen Elektroniktrödlern erhältlich. Zeit also, sich mal nach einem etwas besseren Gerät umzuschauen und zu sehen, was der „Markt“ bietet. Über den Hinweis eines Freundes bin ich dann auf die Reprap Drucker gestoßen, da gibt es einige sehr interessante Varianten.
Da ich vor habe, damit u.a. Gehäuse für Prototypen und kleine Ersatzteile zu drucken, habe ich mir diese Voraussetzungen ausgedacht:

– Druckvolumen 20cm x 20cm x 20cm
– Erweiterbar auf 2 Extruder
– Kostengünstig
– Eventuell Bausatz

Nach geraumer Zeit der Recherche bin ich dann tatsächlich bei einem Reprap Modell hängen geblieben. Der User „nophead“ bietet im Reprap Forum seine Variante des Mendel Repraps als Mendel90 an. Umgerechnet 750 EUR inkl. Versand soll das komplette Kit kosten und wird direkt mit 0.4mm Hotend und einigen Metern 3mm Filament geliefert. Das Gerät macht optisch einen sehr guten Eindruck und auch die bisherigen Käufer äußern sich nicht negativ. Also habe ich mir den Bausatz mal bestellt 🙂

Bereits wenige Tage nach der Überweisung des Geldes traf das hervorragend(!!) verpackte Kit ein. Ebenso hervorragend war die Beschriftung und Verpackung der einzelnen Baugruppen und Teile, alle Kleinteile in beschrifteten Tütchen! Besser geht es nicht. Die Bauanleitung ist auf Englisch, einzelne Fachbegriffe musste ich ab und an nachschlagen, aber durchaus verständlich.
Insgesamt habe ich ca 20h an dem Mendel90 gebaut. Das Kalibrieren hat mit Messchieber, Messuhr und Wasserwaage dann allerdings recht lange gedauert. Man muss messen, einstellen, Testobjekte drucken und bewerten und dann alles wieder von vorne, wenn man den Drucker bewegt hat. Aber nach einigen  Tagen hat es dann geklappt, und ich habe meinen ersten produktiven Druck gemacht. Ein Raspberry Pi Gehäuse.

Hier habe ich ja schon mal erläutert, wie man eine externe Relaiskarte (zB die K8IO von Pollin) an den Raspberry anschließen kann. Damit habe ich mir eine einfache Alarmanlage realisiert.
Zwischenzeitlich habe ich jedoch festgestellt, dass ich aufgrund der Netzwerkanbindung eigentlich gar keine Relais steuern muss/will. Ich sende mir über ein per USB/RS485 angeschlossenes GSM Modem im Alarmfall SMS und gebe über einen Audioverstärker Alarmsounds (Sirene etc.) aus. Also kein Bedarf, per Relais eine Hupe oder ein Blinklicht zu steuern. Der Platz im Gehäuse kann sinnvoller genutzt werden.

Was liegt also näher, als sich eigene Breakoutboards für die Alarmgeber (Reedschalter für Türen, IR Bewegungsmelder, etc.) zu bauen, die nur die nötigen Schnittstellen nach außen führen? Im Zuge der Entwicklung soll auch noch ein LCD zur Anzeige von Infos mit eingebunden werden.
Also los!

Zunächst sollte man versuchen herauszufinden, wieviele Alarmgeber man anschließen will. Ich nutze gegenwärtig einen IR Bewegungsmelder und diverse Reedschalter für Fenster und Türen. Letztere sind in Reihe geschaltet, werden also als ein Alarmgeber behandelt. Eins hin, eins im Sinn macht zwei, noch einen als Reserve und siehe da, man braucht Anschlussmöglichkeiten für drei Alarmgeber. Dann braucht man natürlich noch einen Eingang, um die Anlage „unscharf“ schalten zu können, sonst löst man selbst beim Eintreten etc. den Alarm aus. Es muss also eine Anschlussmöglichkeit für 3 Alarmgeber und 1 Unscharfschalter geben. Das entspricht 4 zu belegenden GPIO Pins.
Weiterhin soll ein beleuchtetes LC Display angeschlossen werden. Dort kann man dann die Uhrzeit, die Anzahl der Alarme oder sonstwas anzeigen lassen. Ich will bzgl. des LCDs nicht zu weit ausholen, aber es gibt serielle oder parallel zu betreibende Displays. Serielle benötigen in der Regel 4 Signalleitungen, parallele deren 8. Das war mir immernoch zu viel. GPIO Pins sind knapp! Also entschloss ich mich dazu, das Display per I²C anzusteuern, das sind immerhin nur zwei Leitungen. Dafür gibt es fertige Module in denen der I²C Portexpander gleich verbaut ist. Ich hatte jedoch gerade ein LCD 1602er Modul mit HD44780 und den passenden Expander (PCF8574) rumliegen, also habe ich alles gleich selbst gemacht.

Der Masterplan war also:

1. Entwicklung einer kleinen Breakoutplatine mit 4 Anschlussklemmen für 3 Alarmgeber/1 Unscharfschalter, mit Anschlussmöglichkeit für eine LCD Platine (I²C).
2. Entwicklung einer LCD Platine mit I²C Portexpander zum Anschluss an das Breakoutboard.

Punkt eins ist ganz simpel, eine Platine mit 2x13pol. Pinheader, über 4 Pullupwiderstände mit 10k Ohm liegen an den 4 GPIO Pins immer 3.3V an. Alarmgeber sind in der Regel „Normally Closed (NC)“, d.h. über 4 Pulldownwiderstände mit 100 Ohm liegen an den GPIO Pins 0V/GND an. Bei „Normally Open (NO)“ Gebern würden dann logischerweise die 3.3V anliegen 😉
Auf der Platine gibt es einen 2x3pol. Pinheader über den die beiden I²C Pins des Raspberry (SDA + SCL) sowie 5V und GND herausgeführt werden.  Mein LCD Display verfügt über eine direkt mit 5V zu schaltende Hintergrundbeleuchtung.

Punkt zwei ist nur wenig komplizierter. Auf der LCD Platine gibt es dann ebenfalls einen passenden 2x3pol. Pinheader, die beiden I²C Leitungen gehen zum IC, dem bereits erwähnten PCF8574.  Dessen Ausgänge (nicht alle, ich nutze das DIsplay im 4bit seriellen Modus) steuern dann das Display. In der aktuellen WiringPi Version gibt es einen passenden Treiber um Displays mit dem PCF8574 anzusprechen.  Dann noch kleinkrams wie ein 10k Drehpoti zur Kontrastregelung, Lötpads um einen Schalter anzuschließen, der die Beleuchtung des Displays steuert. Wäre ja Unsinn, da dauernd das Licht brennen zu lassen. Der PCF8574 ist im Layout übrigens auf Adresse 0x21 konfiguriert!

Und fertig. Beide Platinen habe ich mit der Freewareversion von Eagle entworfen und gleich mit meiner selbstgebauten Ätzküvette und dem optimierten Tonertransferverfahren hergestellt.

PS: Die in Bild eins zu sehende RaspiCam ist übrigens mit ins Alarmschema eingebungen und macht im Alarmfall tolle Bilder 🙂

Download Layouts

Beide Module angeschlossen

Bild 1 von 3

In meinem letzten Beitrag habe ich ja bereits geschildert, wie das Ergebnis meines ersten Tonertransfertest zur Herstellung des Arduino mega-ISP Shields verlaufen ist.
Mit dem Ergebnis der Platine war ich jedoch nicht mehr so ganz zufrieden, nachdem ich gesehen habe, dass Platinen auch ganz anders aussehen können. Von Belichteten ganz zu schweigen.
Es musste also etwas verbessert werden. Lange habe ich Foren, Wikis und Portale gewälzt und studiert und bin zu diesen Erkenntnissen gelangt:

1. Mein Kyocera FS-1010 bringt zu wenig Toner auf2. Das Basismaterial muss „wie geleckt“ sein
3. Mit verschiedenen Druckmedien gibt es unterschiedliche Ergebnisse
4. Anschleifen mit 600er/1000er Schleifpapier soll bessere Ergebnisse bringen

Das sind eigentlich die wesentlichen, das Ergebniss beeinflussenden Kriterien. An Punkt 1 möchte ich nichts ändern, der Drucker ist super, Toner geschenkt billig und die Geschwindigkeit OK. Es gibt wohl die Möglichkeit den Tonerauftrag zu erhöhen (bzw. den ab Werk eingestellten ECO Modus abzuschalten), wenn man ein Kyocera Tool nutzt. Das geht aber wohl nur, wenn der Drucker einen Netzwerkanschluss hat oder über die parallele Schnittstelle angeschlossen ist. Ersteres hat meiner nicht, und zweiteres hat mein Rechner nicht. Also ist Punkt 1 schon mal nicht zu ändern.

Kommen wir zum „geleckten“ Basismaterial. Da ich meine Platinen gerne mal bei Pollin im 1kg Sack kaufe, wird es damit auch schwierig 😀 Ich bin der Ansicht, dass es auch mit nicht ganz fabrikneuem Material funktionieren MUSS. Daher habe ich für meine folgenden Tests eine bereits mehrfach betransferte Platine benutzt, die schon nicht mehr ganz so frisch aussah. Punkt 2 wäre damit also auch abgehakt.

Zu Punkt 3 habe ich viel gelesen. Manche nutzen das Trägerpapier von Buchfolie, die man Rollenweise kaufen kann. Andere organisieren sich kostenlose Aufkleber und drucken dadrauf. Wieder andere behaupten, das Butterbrotpapier von Gut&Günstig aus dem Edeka wäre ideal geeignet um mit Ihrem Laserdrucker Marke WasWeisIch bedruckt zu werden.  Ich möchte eigentlich weniger rumspielen und meine Zeit mit Foliensuche verbringen. Ich brauche reproduzierbare Ergebnisse! Ich habe mich daher entschieden, nach wie vor bei den käuflich zu erwebenden Trägerfolien zu bleiben, die genau für diesen Zweck gedacht sind. 10 Blatt A4 Trägerfolien kosten inkl. Versand noch keine 2 EUR, und auf jedes Blatt kann man in der Regel mehrere Platinen drucken. Also habe ich damit auch Punkt 3 verworden.

Last not least, wäre noch Punkt 4 übrig. Und den finde ich am interessantesten! Ich habe meine Platinen ja immer schon vor dem Aufbügeln mit Aceton gereinigt, aber sollte das Anschleifen einen so dramatischen Unterschied machen? Nun, ich mache es kurz und sage: Es macht! Leider gab es bei uns im Baumarkt nur Sandpapier mit 1200er Körnung. Aber selbst damit hat man die Oberfläche der Platine optisch ruiniert. Nach der Bearbeitung mit dem Sandpapier hätte ich meine Hand dafür ins Feuer gelegt, dass das nichts wird. Dann nochmals gereinigt, aufgebügelt und begutachtet. Abgesehen vom Kyoceraproblem des zu geringen Tonerauftrags, ein hervorragendes Ergebnis. Es hat sich alles von der Folie gelöst und wurde übertragen. Man sah durch die Masseflächen hindurch zwar die angeschliffene Platinenstruktur schimmern, aber wer nicht wagt der nicht gewinnt, rein in die Küvette.

Und was soll ich sagen, das Ergebnis überzeugt voll und ganz! Die beste Platine die ich je hergestellt habe. Das Geheimnis scheint (bei mir *g*) das Anschleifen des Basismaterials mit 1200er Sandpapier gewesen zu sein.

Aufgebügelt, man sieht die Wabenstruktur nach dem Schmirgeln

Bild 1 von 4

Seit geraumer Zeit spiele ich mit dem Arduino Uno und dem ATmega328P. Jetzt habe ich mir auf einem Steckbrett mit einem BMP085 (Druck- und Temperatursensor), einem DS18S20 (nur Tempereatursensor) und einem 128×64 Grafik-LCD eine kleine Wetterstation gebastelt. Das ganze Projekt möchte ich jetzt auf eine eigene, kleine Platine verbannen und dazu muss natürlich etwas geäzt werden.  Aber ätzen kann man nur indem man mit Brühen in einer Schale rumsaut oder indem man eine Ätzküvette benutzt.

Diese kann man sich ganz einfach aus 5 passend geschnittenen Glascheiben und essigvernetzendem Silikon selber basteln. Meine hier abgebildete Küvette hat ein brutto Volumen von 1l. Damit nichts übersprudelt kann man netto 750ml einfüllen. Dazu dann noch eine Belüftungspumpe aus dem Aquarienhandel für 5 EUR und fertig ist die Ätzküvette. Bleibt noch das Problem der Heizung zu lösen, dazu verwenden ja viele einen Regelheizer für Aquarien, aber die lassen sich oft nur bis 35°C aufdrehen, ätzen mit Natriumpersulfat funktioniert jedoch erst ab 50°C so richtig schön.  Zu diesem Zweck habe ich mir dann 2x 12V 50W Halogenstiftsockellampen gekauft (je 50 cent), die in Reihe geschaltet und in ein feuerfestes Reagenzglas versenkt. Dann das Glas mit Quarzsand (oder gesiebtem Vogelsand) aufgefüllt und fertig ist der Heizstab. Man braucht dazu natürlich ein 24V 100W Netzteil, am besten ein regelbares Labornetzteil. Mit dieser Heizung dauert es ca. 20min um 15°C kaltes Wasser auf 50°C zu erwärmen. Passt.

Bei eBay habe ich mir dann noch 20 Blatt Thermotransferpapier (2.99 EUR) bestellt und dann das mega-ISP Layout (http://drug123.org.ua/mega-isp-shield/) ausgedruckt. Der Transfer mit dem Bügeleisen auf das kupferkaschierte Basismaterial war etwas kniffelig, denn es ist trial and error angesagt. Mal war es zu heiss, dann klebte das ganze Papier auf der Platine, mal war es zu kalt und der Toner hing noch auf dem Papier, mal zu kurz gedrückt, mal zu lang.  Die Fehlversuche mussten dann immer mit tüchtig Lösungsmittel (z.B. Aceton) entfernt werden.
Am besten war bei meinen uralten Bügeleisen die Einstellung „mittlere Stufe Baumwolle“ und 60 Sekunden aufpressen. Dann löste sich das Papier sehr gut von der Platine und der ganze Toner wurde übertragen. Nach dem Ätzen kann dann der Toner wieder mit Aceton abgeputzt werden. Am besten man verzinnt dann sofort, denn das Kupfer oxydiert rel. schnell.
Die Platinenhalterung ist übrigens einfach aus ein paar Kabelbindern gebastelt 😀

Hier sind nun die Bilder des Ergebnisses. Für den Anfang ganz OK!

Ätzküvette, gegen das Blenden des Heizstabs mit Alufolie beklebt

Bild 1 von 4

Für eine Alarmanlage habe ich mir bei Pollin die Relaiskarte K8io für den Parallelport bestellt. Nun gibt es leider für den Raspberry Pi keine USB->Paralleladapter, die diesen Namen auch verdienen, also musste gebastelt werden.
Da haben wir dann auch gleich das erste Problem, die parallele Schnittstelle arbeitet mit 5V high Pegeln, der Pi mit 3.3V TTL. Außerdem will ich die Karte mit 12V DC betreiben und nicht mit 9V AC. Wer hat sich denn das einfallen lassen? Wer hat denn irgendwo 9V AC liegen? 😀
Aber wo ein Wille ist, da ist ein Weg! Insofern muss man das Layout der K8io ein wenig modifzieren und dann geht auch das und zwar so:

-Vom Gleichrichter ersparen wir uns D2 und D4, da 12V DC Betrieb. Der + Pol ist dann außen und GND ist innen.
-Außerdem können wir mit dem Spannungsregler 7805 (12V DC -> 5V DC) nichts anfangen. Wir wollen nativ die 3.3V des Pi nutzen. Das spart auch schön Platz, es gibt keinen Kühlkörper mehr 🙂
Nachtrag: Wir erleichtern das Netzteil der K8io auch gleich noch um die beiden 100nf Kondensatoren, dann können wir aus den Resten (7805, Kühlkörper, 2x 100nF) eine kleine Wandlerplatine für den Pi bauen und alles mit 12V betreiben)
Nachtrag 2: Die o.g. Idee ist doch nicht so grandios wie zunächst vermutet. Der Raspi zieht doch recht ordentliche 0.5A max aus dem 7805. Bei 12V DC Betrieb sind das dann 3.5W Wärme Verlustleistung die an dem kleinen Sparkühlkörper verbraten werden müssen. Sprich: Das Teil wird recht heiss. Ich werde daher vermutlich auf ein kleines Schaltnetzteil umrüsten. Die haben idR einen wesentlich besseren Wirkungsgrad und verbraten nicht einfach in Wärme.
Nachtrag 3: Ich habe nun auf Basis des LM2576T-5.0 ein kleines Schaltnetzteil gebaut (u.A. hier vorgestellt). Die 150µH Drossel war nirgends zu bekommen, also musste mit dem ebenfalls dort vorgestellten Tool neu berechnet werden. Dies hat ergeben, dass ich auch eine 100µH Drossel verwenden kann, wenn ich den Kondensator anpasse.
Man merkt deutlich, dass nun der Gesamtaufbau wesentlich weniger Strom aufnimmt. Hatte ich vorher in der Spitze rund 500mA Stromaufnahme, so habe ich mit dem SNT nur noch max. 330mA Stromaufnahme! Und da ist noch ein kleiner NF-Verstärker hinzugekommen. Es lohnt sich also auf jeden Fall, den 7805 auszutauschen. Der Aufbau wird auch nur noch handwarm.

Soviel zu den techn. Änderungen! JP1 lassen wir drin, darüber kommen die 3.3V des Pi aufs Board. Es ginge zwar theoretisch auch ohne die Versorgung über JP1, und man hätte dann einen weiteren Eingang, aber sicher ist sicher.
Weitere Änderungen muss man eigentlich nicht vornehmen. Zu beachten ist, dass über die Pull Up Widerstände immer 3.3V an den Eingängen 1-4 anliegen.
Jetzt muss eigentlich nur noch ein passendes Adapterkabel gebastelt werden. Das geht am einfachsten mit einem 2×13 poligen Pfostenstecker, passendem Flachbandkabel und einem 25 poligen Sub-D Stecker mit Lötkelchen. Gibt es alles für ein paar EUR beim Trödler um die Ecke 😉

Hier ist die genaue Belegung für das Adapterkabel:

Die erste Spalte bezeichnet den GPIO Signalname, die zweite Spalte den zugehörigen Pin auf dem Raspi Board (Achtung: Version 2!). Last not least die letzte Spalte die Pins auf dem Sub-D Stecker.

Hat man das dann alles ordentlich verlötet und auf Kurzschlüsse geprüft, kann man anstöpseln und sich mit den entsprechenden Tools austoben 🙂
Wer möchte, kann sich eine kleine Huckepackplatine für die K8io basteln und dann noch die brachliegenden Control Leitungen als weitere Eingänge oder Ausgänge nutzen. Ich habe mir da vier LEDs mit Vorwiderständen auf einen Platinenrest gelötet und realisiere damit Statusanzeigen.

Eingebaut in einem alten Gehäuse kann sich das sehen lassen 🙂

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