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Leitend und leuchtend


Raspberry Pi Geek - epaper ⋅ Ausgabe 10/2021 vom 05.08.2021

Filament

Artikelbild für den Artikel "Leitend und leuchtend" aus der Ausgabe 10/2021 von Raspberry Pi Geek. Dieses epaper sofort kaufen oder online lesen mit der Zeitschriften-Flatrate United Kiosk NEWS.

Bildquelle: Raspberry Pi Geek, Ausgabe 10/2021

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Mittlerweile gibt es Filamente in vielen Farben und mit speziellen Eigenschaften. Wir sehen uns zwei interessante Varianten genauer an: Bei der einen handelt es sich um ein elektrisch leitfähiges Material, mit dem Sie bei Bedarf Bedienelemente für den RasPi drucken, die andere leuchtet unter Schwarzlicht.

Immer häufiger finden 3D-Drucker den Weg in den heimischen Bastelkeller. Damit die Geräte coole Ausdrucke erzeugen, muss man sie mit Filament füttern. Neben klassischen Kunststoffen zur Konstruktion von Bauteilen oder Objekten gibt es Filamente mit speziellen Eigenschaften, wie etwa lebensmittelechte oder elektrisch leitende Materialien. Letztere enthalten Partikel, die Strom leiten, wodurch das gedruckte Objekt komplett leitfähig wird.

Wir verwenden für unser Experiment ein Filament der Firma 3dk.berlin . Es steht in vier verschiedenen Größen bereit: 300 Gramm, 800 Gramm, 1000 ...

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... Gramm und 2000 Gramm. Die 300-Gramm-Rolle kostet rund 45 Euro. Das Material ist ein wenig spröder als übliches PLA. In der Praxis stellt das aber kein Problem dar:

Nach dem Druck verhält es sich so robust wie jedes andere PLA. Das leitende Filament lässt sich gut mit anderen Varianten zusammen verdrucken.

Allerdings ist das Filament recht anhänglich: Es dauert eine Weile, bis es nach einem Filamentwechsel wieder vollständig aus dem Extruder kommt. Möchten Sie es mit einem anderen Filament mischen, sollten Sie daher einen Dual-Extruder verwenden. Das MMU von Prusa ist hier keine gute Wahl, weil man extrem viel Filamentabfall erzeugen muss, um den Extruder beim Filamentwechsel wieder sauber zu bekommen.

Auch das ständige Vor und Zurück der MMU stresst das Material.

Nach Ende des Drucks sollten Sie das leitende Filament sofort wieder entfernen und den Extruder gründlich reinigen, wofür es ein spezielles Reinigungsfilament gibt. Alternativ drucken Sie mit einem farblich neutralen Filament so lange einen Testkörper, bis keine schwarzen Partikel mehr zu sehen sind. Das dauert allerdings eine ganze Weile und verschwendet viel Material.

Listing 1: Installation der Tools

$ sudo apt update $ sudo apt full‐upgrade

$ sudo apt install python3‐pip i2c‐tools

$ sudo pip3 install adafruit‐circuitpython‐mpr121

Die Drucktemperatur für das leitfähige Filament liegt im Bereich von 200 bis 230 Grad Celsius, das Druckbett sollte 60 bis 70 Grad warm sein. Das gedruckte Objekt besitzt einen spezifischen Durchgangswiderstand von 24 Ohm/​Zentimeter. Der Oberflächenwiderstand beträgt in Druckrichtung 23 Ohm, senkrecht dazu 53 Ohm. Das leitfähige PLA wurde zur Herstellung von Sensoren und elektromagnetischen Schirmungen entwickelt.

Es eignet sich auch zum Aufbau antistatischer Objekte. Mit ein wenig Geschick gelingt damit der Druck funktionierender Platinen – dazu später mehr.

Bedienfeld

Um an einem praktischen Beispiel zu demonstrieren, was man mit leitendem

Filament alles machen kann, bauen wir ein kleines Touch-Panel, das über vier Schaltflächen zwei LEDs an- und ausschaltet 1 1 . Die Dateien für die 3D-Objekte finden Sie im Download-Bereich zu diesem Artikel.

Um die Berührungen der Schaltflächen zu erkennen, kommt ein MPR121-Modul zum Einsatz. Der Schaltplan in Abbildung 2 2 zeigt, wie Sie die Komponenten miteinander verbinden. Die Leitungen zum MPR121-Modul werden mit dem leitenden Filament verschmolzen.

Mit ein wenig Übung klappt das recht gut. Es schadet aber nicht, sicherheitshalber ein paar Taster mehr auszudrucken.

Auf dem RasPi installieren Sie Raspberry Pi OS Lite (32-Bit). Nach dem Booten aktivieren Sie via Raspi-config die I 2 C-Schnittstelle (3 Interface Options | P5

MMU: Das Multi Material Upgrade für die weitverbreiteten 3D-Drucker von Prusa i3 ermöglicht den Druck mit bis zu fünf unterschiedlichen Filamenten.

Dateien zum Artikel herunterladen unter

www.raspi-geek.de/dl/46540

I2C). Um den RasPi zu aktualisieren und alle nötigen Programme zu installieren, führen Sie die Kommandos aus Listing 1 aus. Anschließend prüfen Sie den Aufbau durch einen Aufruf von I2cdetect. Der MPR121 sollte sich am I 2 C-Bus unter der Adresse 0x5a melden (Listing 2).

Funktioniert alles wie gewünscht, steuern Sie mit einem Python-Testprogramm (Listing 3) die LEDs mit dem selbst gedruckten Touch-Panel an. Das Programm verwendet eine passende Library, um den MPR121 anzusprechen. Mehr Informationen zur MPR121-Bibliothek erhalten Sie auf der Webseite des Herstellers .

Beim Starten des Testprogramms müssen Sie darauf achten, Python in der Version 3 zu verwenden, andernfalls erhalten Sie Fehlermeldungen. Sollte python ‐‐version eine ältere Version melden, rufen Sie mittels python3 test.py das Testskript gezielt mit der korrekten Python-Version auf. Auf Youtube finden Sie ein Video , das unser Bedienfeld in Aktion zeigt.

Gedruckte Platine

Für industriell gefertigte Platinen wird oft der Begriff „gedruckt“ verwendet. Diese Bezeichnung führt allerdings etwas in die Irre – die Platinen werden nicht gedruckt, sondern geätzt. Allerdings ähneln die Schritte bei der Platinenherstellung denen zur Fertigung einer Druckplatte für den Offsetdruck. Vermutlich hat sich daher dieser Begriff eingebürgert.

Mit leitendem Filament und dem 3D-Drucker lassen sich nun tatsächlich einfache Platinen ausdrucken. Es gilt allerdings zu beachten, dass das leitende Material selbst einen nicht zu vernachlässigenden Widerstand besitzt. Daher kommt es beim Aufbau einer Schaltung eventuell zu unvorhergesehenen Nebenwirkungen. Abbildung 3 3 zeigt als Beispiel die Schaltung einer einfachen ODER-Verknüpfung.

Für die Platine erstellen Sie ein 3D-Modell und drucken es einfach aus. Dabei sollten Sie die leitenden Bereiche ruhig etwas großzügiger bemessen als bei einer klassischen Platine, um den Eigenwiderstand etwas zu verringern. Einige elektronische Schaltungen lassen sich auf diese Weise nicht ohne Weiteres aufbauen. Das 3D-Modell unserer Beispielschaltung finden Sie im Download-Bereich zu diesem Artikel.

Beim Slicen sollten Sie 100 Prozent Infill einstellen, um den Widerstand der Leiterbahnen so weit wie möglich zu reduzieren. Je nach Ausstattung können Sie dabei mit einem Dual-Extruder arbeiten und so die Leiterbahnen und die Platine in einem Rutsch drucken, oder Sie drucken die Basisplatte und die Leiterbahnen getrennt aus und setzen sie dann zusammen.

Nach Ende des Ausdrucks verschmelzen Sie die elektronischen Bauteile auf der Platine mit dem Filament. Ein Lötkolben leistet hier gute Dienste. Die Temperatur sollten Sie dabei auf etwa 250 Grad regeln. Bei dieser Temperatur schmilzt das Filament recht schnell, verbrennt aber noch nicht. Um einen guten Kontakt zum leitenden Filament herzustellen, winkeln Sie die Beinchen der Bauteile am besten etwas ab. Das erleichtert das Einschmelzen, gibt dem Bauteil einen besseren Halt und verringert den Übergangswiderstand zum PLA.

Hier ist etwas Geduld gefragt: Im Test gelang es dem Autor bei den ersten Versuchen nicht sofort, die Bauteile mit dem Filament zu verschmelzen, ohne dabei die Basisplatine anzukokeln. Ein kurzes Youtube-Video zeigt die gedruckte Schaltung in Aktion.

Es werde Licht

Das zweite Spezialfilament im Test enthält Partikel, die unter Schwarzlicht leuchten. Damit lassen sich tolle Effekte erzeugen, weil die eigentliche Lichtquelle nicht direkt sichtbar ist. So lässt sich in Clubs einige Aufmerksamkeit erregen, wenn man Teile der Kleidung aus diesem Material fertigt. Leuchtende Knöpfe sind zum Beispiel immer ein Hingucker.

Die in Abbildung 4 4 zu sehenden Frösche sind aus dem PLA-Filament Kristall Grün von 3dk.berlin hergestellt.

Das 3D-Modell des Froschs stammt aus dem Repertoire von Thingiverse . Das Filament gibt es in verschiedenen Durchmessern. Es lässt sich problemlos ausdrucken und liefert recht gute Ergebnisse.

Weitere Infos und interessante Links

www.raspi-geek.de/qr/46540

Üblicherweise hat man im heimischen Bastelkeller keine Schwarzlichtquelle herumliegen. Eine günstige Alternative wären Schwarzlicht- oder UV-LEDs. Letzten Endes ist Schwarzlicht nichts anderes als UV-A-Strahlung, allerdings mit so geringer Leistung, dass keine Gefahr eines Sonnenbrands besteht.

Ein 50er-Pack dieser UV-LEDs kostet im Online-Handel etwa 8 Euro . Die UV-Dioden arbeiten mit einer etwas höheren Vorwärtsspannung als normale LEDs. Die Spannung liegt zwischen 2,8 und 3,2 Volt – das sollten Sie beim Berechnen des Vorwiderstands beachten.

Fazit

Leitfähiges PLA ist sicher kein universeller Ersatz für geätzte Platinen, aber Tüftler bekommen damit die Möglichkeit, elektronische Bauteile wie LEDs direkt in die Drucke zu integrieren. Es eignet sich bestens für berührungsempfindliche Bedienfelder, die sich damit sogar wasserdicht erstellen lassen.

Das zweite getestete Filament bietet viele Möglichkeiten, dekorative Gegenstände zu erschaffen, die unter Schwarzlicht leuchten. Von der gruseligen Halloween-Dekoration bis zu einem einzigartigen Outfit für den Club ist alles machbar.

Der Autor hatte mit beiden Spezialfilamenten viel Spaß und wird sie auch weiterhin in Projekte einbauen. (cla)

PLA

Die Abkürzung PLA steht für Polylactic Acid, einen Biokunststoff auf der Basis von Milchsäure. Der 3D-Drucker verarbeitet also im Prinzip sauer gewordene Milch. Die Milchsäure im Filament stammt allerdings nicht aus Milch, sondern mittels spezieller Bakterien aus Maisstärke. PLA riecht beim Verdrucken nur wenig und ist komplett ungiftig. In industriellen Kompostieranlagen lässt es sich sogar kompostieren. Das Material wird bei 60 Grad Celsius weich und beginnt bei 150 Grad zu fließen, härtet aber auch schnell wieder aus. Die einzelnen Druckschichten haften hervorragend aneinander, was für robuste Druckobjekte sorgt, die sich nach dem Aushärten nicht mehr verformen. Insgesamt prädestinieren seine physikalischen Eigenschaften PLA zum idealen Ausgangsmaterial für 3D-Drucke.