# 3D-Druck eines Gehäuses für einen Raspberry Pi ## Einleitung In den vorhergegangenen Projekten([Projekt 1](project1.md), [Projekt 2](project2.md) & [Projekt 3](project3.md)) nutzten wir einen Raspberry Pi Zero 2W, um verschiedene neue Technologien kennen zu lernen. Auch in diesem Projekt möchten wir auf das vorherige Projekt aufbauen, indem wir für den Raspberry Pi und den angeschlossenen ADS1115-Analog-Digital-Wandler ein Gehäuse entwerfen und mit einem 3D-Drucker drucken. Dabei wollen wir den Verlauf von einem CAD-Modell bis hin zum Plastikgehäuse selbst erleben und dokumentieren. ## Grundlagen ### 3D-Druck Der Vorgang aus einem digitalen Modell ein dreidimensionales Objekt zu erstellen nennt sich 3D-Druck. Hierbei werden unter anderem Materialien wie Kunststoff oder Metall Schicht für Schicht aufgetragen und ausgehärtet. 3D-Druck wird auch Additive Fertigung genannt, da sie im Gegensatz zu zum Beispiel Fräsen, das Material aufträgt und nicht abträgt. Unter den 3D-Druckern wird zwischen verschiedenen Technologien unterschieden. * Das Fused Filament Fabrication (FFF) ist dabei vermutlich das bekannteste. Ein weiterer Begriff dafür ist "Fused Deposition Modeling" (FDM), dieser ist aber eine geschützte Marke der Firma Stratasys. Material wird geschmolzen, auf die zuvor gedruckte Schicht aufgebracht und erstarrt dort wieder. FFF ist kostengünstig, büßt jedoch durch eine begrenzte Genauigkeit ein. * Die Stereolithographie (SLA) war die erste 3D-Drucktechnologie. Hier wird flüssiges Kunstharz mit Licht ausgehärtet. SLA bietet eine hohe Detailgenauigkeit, ist aber teurer und mit teilweise giftigen Harzen nur begrenzt Einsteigerfreundlich. Außerdem sind SLA-Drucke brüchiger als die Produkte anderer Druckmethoden. * Das Selektive Lasersintern (SLS) nutzt pulverartiges Material, das durch einen Laser gesintert wird. Einen besonders großen Vorteil bietet das SLS, da das Druckmaterial gleichzeitig auch als Stützmaterial genutzt werden kann und ist deshalb auch am meisten in der Industrie vertreten. Auch diese Technologie kommt für Einsteiger nicht in Frage, da sie die teuerste ist und besondere Sicherheitseinrichtungen benötigt werden. [[3D-Druck-Technologien](#3d-druck-technologien)] Für unser Einstiegsprojekt war die logische Wahl also unseren Druck mit einem FFM-Drucker durchzuführen. ### 3D-Drucker Wir nutzten für den Druck einen Creality K1 Max. Dabei handelt es sich um einen geschlossenen CoreXY-Drucker mit einem Druckvolumen von 300x300x300mm. Der Drucker hat eine eingebaute Kamera, die eine Zeitrafferaufnahme des Drucks ermöglicht und auch für die Überwachung des Drucks genutzt werden kann. Der Drucker kann mit allen gängigen Filamenten betrieben werden, darunter auch Filamente mit Glas- Kohle- oder Holzfasern. ### CAD CAD (computer-aided design) ist der Einsatz von Computertechnologie zur Erstellung von zwei- oder dreidimensionalen Designs. Die Vorteile von CAD im Vergleich zu traditionellen technischen Zeichnungen liegen darin, eine herausragende Präzision zu besitzen, aber gleichzeitig leicht anpassbar zu sein. Außerdem ist es möglich eine 3D-Simulation des Objektes zu generieren. [[CAD Software](#cad-software)] Im Rahmen unseres Projekts haben wir uns die Produkte 'FreeCAD' und 'Fusion 360' angesehen. FreeCAD ist ein Open-Source-CAD-Programm, das eine Vielzahl von Funktionen bietet, darunter parametrisches Design, 3D-Modellierung und Unterstützung für verschiedene Dateiformate.\ Fusion 360 ist ein cloudbasiertes CAD-Programm der Firma Autodesk, das einen enormen Funktionsumfang bietet, jedoch viele Funktionen nur in einer kostenpflichtigen Version verfügbar sind. Die Software ist für den privaten Gebrauch kostenlos, jedoch nur in begrenztem Umfang. Für die Modellierung von Modellen wie unserem Gehäuse sind beide Programme trotzdem mehr als ausreichend. Fusion 360 bietet einen Zeitstrahl, der die Bearbeitungsschritte auflistet und es ermöglicht, jederzeit zu einem vorherigen Schritt zurückzukehren. Auch können vorherige Schritte bearbeitet werden, wobei die nachfolgenden Schritte automatisch angepasst werden. Das grundlegende Vorgehen hierbei ist die Erstellung einer 2D-Skizze, in der die Grundform des Objekts erstellt wird und Abhängigkeiten in der Bemaßung festgelegt wird. Sobald die Skizze fertig erstellt ist, können die entsprechenden Teile extrudiert werden. Eventuelle Ausssparungen können entweder direkt in der Skizze erstellt werden, durch eine weitere Skizze auf einer anderen Ebene festgelegt oder durch direkte Bohrungen im 3D-Körper umgesetzt werden. [[Fusion 360](#fusion360)] FreeCAD bietet ebenso wie Fusion 360 die Möglichkeit ein Objekt zu erstellen, indem man mit Skizzen arbeitet. Es gibt aber auch die Möglichkeit mit additiven und subtrahierenden geometrischen Formen ein Modell zu erstellen. Dabei werden die Formen nacheinander auf ein Objekt angewendet, das Objekt besteht aus allen angewendeten Formen. In einer Liste werden die Formen aufgelistet und im Nachhinein können die einzelnen Formen anhand der Liste bearbeitet werden, um das Modell anzupassen. Diese Möglichkeit haben wir verwendet. [[FreeCAD](#freecad)] ### Slicer Slicer sind Programme, die ein 3D-Modell in Anweisungen umwandeln, die ein 3D-Drucker nutzen kann, um dieses Modell zu konstruieren. Dabei wird das Modell in eine Vielzahl horizontaler Schichten aufgeteilt, für die dann jeweils ein Pfad für den Druckkopf berechnet wird. Zusätzlich werden Einstellungen, wie die Temperatur des Druckbetts, berücksichtigt, oder Stützstrukturen hinzugefügt. Es finden sich eine Vielzahl von OpenSource Slicern im Netz (Slic3r, Orca, Ultimaker Cura, PrusaSlicer). Wir haben uns letztendlich für OrcaSlicer entschieden. [[OrcaSlicer](#orcaslicer)] OrcaSlicer basiert auf PrusaSlicer und BambuStudio, bietet jedoch einige zusätzliche Funktionen. OrcaSlicer bietet eine große Anzahl an Presets für die Drucker verschiedener Hersteller, die einen guten Startpunkt bieten. ## Durchführung Das finale Gehäuse wurde in FreeCAD erstellt und die STL-Datei anschließend in OrcaSlicer importiert. Das Modell durchlief hierbei einige Iterationen, um die Passgenauigkeit anzupassen und genug Platz für die Komponenten und Verdrahtung zu schaffen: ```{image} images/boxes_overview.jpg :alt: Iterationen des Gehäuses :width: 800px ``` ### Design Das finale Design kann in folgender interaktiven Ansicht betrachtet werden. Für die Platzierung des Raspberry Pi und des ADS1115 wurden enstprechende Pins extrudiert. So können die Komponenten einfach in dem Gehäuse platziert werden. Auch für die Micro-USB Ports und den Mini-HDMI Port wurden entsprechende Aussparungen erstellt.\ Für die Krokodilklemmen wurden Löcher in die Wand des Gehäuses eingefügt. ### Slicing Für den Druck des Gehäuses konnten die Standardeinstellungen von OrcaSlicer verwendet werden. Das bedeutet eine Füllung von 15% und eine Wandstärke von 3 Bahnen. Die Überhänge waren kurz genug, dass ohne Stützstrukturen gedruckt werden konnte. Wie dem folgenden Screenshot zu entnehmen ist, wurde das Gehäuse und der Deckel nebeneinander gedruckt. Letztendlich hat der Slicer eine Druckzeit von 01:22h und einen Verbrauch von ca. 56g Filament berechnet. ```{image} images/slicer.png :alt: OrcaSlicer Vorbereitung :width: 800px ``` ### Druck Für den Druck wurde PLA-Filament verwendet. PLA ist ein Material, das aus Maisstärke gewonnen wird. [[PLA Herstellung](#pla-herstellung)] Es ist einfach zu drucken und ergibt ein schönes Druckbild. PLA ist jedoch nicht sonderlich hitzebeständig, was für den Betrieb des Raspberry Pi jedoch kein Problem darstellt, solange das Gehäuse nicht im Außenbereich verwendet wird. Gedruckt wurde mit einer 0.4mm Düse und einer Schichthöhe von 0.2mm bei Temperaturen von 60°C für das Druckbett und 210°C für den Druckkopf. Tatsächlich hat der Drucker den Druck in 01:20h abgeschlossen, war also ein wenig schneller als der Slicer berechnet hat. ```{image} images/output.gif :alt: Druckvorgang Timelapse ``` ### Ergebnis Das Ergebnis ist ein passgenaues Gehäuse, in dem der Raspberry Pi und der ADS1115 auf ihren Plätzen stecken und genug Platz für die Verdrahtung besteht. ```{image} images/finalbox_outer.jpg :alt: Finales Gehäuse Außen :width: 800px ``` ```{image} images/finalbox_inner.jpg :alt: Finales Gehäuse Innen :width: 800px ``` ## Quellen (cad-software)= CAD Software: (fusion360)= Fusion 360: (freecad)= FreeCAD: (3d-druck-technologien)= 3D Druck Technologien: (orcaslicer)= OrcaSlicer: (pla-herstellung)= PLA Herstellung: