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Weltdrucker

Das Video zum Weltdrucker


Die Mechanik

Weltdrucker Mechanik
Abbildung 1:
Der Weltdrucker ist vom 12.03. bis zum 10.04.2021 im Forum Stadtpark in Graz, Österreich zu sehen.
In diesem Kapitel möchte ich euch den "Weltdrucker" vorstellen, den ich nach einer Idee von Theo Deutinger für dessen Kunstprojekt kreiert habe. Dieser Künstler hatte vor etwa einem Jahr angefragt, ob ich für eine geplante Ausstellung einen Drucker konzipieren könne, der innerhalb von 24 Stunden genau einmal eine Weltkarte drucken kann. Nach diesen 24 Stunden soll nahtlos die nächste Karte angefügt werden, sodass auf Endlospapier langsam, aber beständig die Erdoberfläche abgebildet wird. Am anderen Ende soll der Ausdruck wieder vernichtet werden, was ich durch eine Rasierklinge verwirklicht habe, die das Papier in Streifen schneidet. Wenn ihr jetzt sagt, dass das aber eine reine Verschwendung von Ressourcen ist, so habt ihr schon mal einen Grundgedanklen dieser Installation erkannt, denn Kunst soll euer Hirn erstaunen und zu Disskussionen anregen. Hier zu sehen ist das noch nicht ganz versandfertige Gerät.
Wer den Sponsor hinter diesem Projekt näher kennenlernen möchte, die Internetadresse seines Architekturbüros lautet www.td-architects.eu.

Weltdrucker - Papierzufuhr
Abbildung 2:
Das Papier wird mit einer Breite von 43cm in Rollenform verarbeitet. Durch die Rolle führt eine M10er Geweindestange mit zwei Kugellagern an den Enden, wobei das eine Ende fest verschraubt ist und das zweite Kugellager von einem Distanzstück in Position gehalten wird. Die Gewindestange wird in die Nuten an den beiden hinteren Standfüßen eingehängt, wobei das Distanzstück hin zur Seite mit der Elektronik zeigt.

Weltdrucker - Papiertransport
Abbildung 3:
Das Papier muss nun eingefädelt werden, was zugegebenermaßen etwas fummelig ist - Prototypen bieten selten den vollen Komfort einer Serienmaschine. Zu beachten ist, dass das Papier zunächst zwischen der Platte mit der Alufolie und einer oberen Plexiglasplatte eingefädelt werden muss. Die Alubeschichtung auf der unteren Platte ist nötig, da sich das Papier ansonsten elektrostatisch auflädt, somit an der unteren Platte klebt und den Papiervorschub zum Stillstand bringt. Dieser Effekt ist erst in der letzten Testphase aufgetreten - scheinbar war die Umgebungsluft in diesen Tagen trockener als zuvor.

Weltdrucker - Papier einlegen
Abbildung 4:
Vom hinteren Walzenpaar verläuft das Papier nach vorne zum Schneidemechanismus:
Hier muss das Papier ebenfalls unter dem Streifen Plexiglas hindurch eingefädelt werden, wonach auch die vordere Gewindestange mit den Kugellagern aufgelegt werden kann.

Weltdrucker - Papier am Schneidemechanismus
Abbildung 5:
Ist alles fertig, muss das Papier am vorderen Ende etwa einen halben Zentimeter hervorstehen - durch manuelles Drehen der Papierwalze kann das eingestellt werden. Nur so ist der Schneidemechanismus in der Lage, den ersten Schnitt richtig durchzuführen.

Weltdrucker - Transportrollen
Abbildung 6:
Das Papier wird von zwei Walzenpaaren transportiert, eine am hinteren Ende direkt an der Papierrolle und ein zweiter Schrittmotor befindet sich vorne am Schneidemechanismus - die Gewindestange ist am größeren Zahnrad verschraubt, das kleine Zahnrad sitzt auf der Welle des Schrittmotors.
Die unteren Walzen bestehen aus einer M10er Gewindestange mit aufgezogenen Stücken Schrumpfschlauch. Auf diesen Walzen wird jeweils eine zweite Gewindestange aufgelegt, an der zwei Kugellager befestigt sind, die auf den Schrumpfschlauch drücken. Beim Einlegen ist darauf zu achten, dass diese Stangen nicht verkanten und beide Kugellager auf dem Papier aufliegen.

Weltdrucker - Schneidemechanismus
Abbildung 7:
Geschnitten wird das Papier mit Hilfe einer Rasierklinge:
Diese muss undebingt so befestigt werden, dass die Klinge hinter der vorderen Führung liegt! Ist die Rasierklinge festgeschraubt, so ist der Mechanismus einsatzbereit. Angetrieben von einem Schrittmotor über einen Zahnriemen, schneidet die Klinge von links nach rechts alle halbe Stunde einen etwa 1cm breiten Streifen von der Weltkarte. Dass nicht jeder abgeschnittene Papierstreifen gleich herunterfällt, hat sich im Verlauf der Testphase nicht als problematisch erwiesen - früher oder später sind alle Erdteile über das Ende der Welt gefallen.

Weltdrucker - Druckpatrone
Abbildung 8:
Gewechselt werden kann die Patrone bei Bedarf, wie bei handelsüblichen Druckern, indem diese aus der Halterung genommen und die neue Patrone anschließend wieder eingeklipst wird.

Weltdrucker - Antrieb Druckkopf
Abbildung 9:
Angetrieben wird der Druckkopt von dem Vierten Schrittmotor im Bunde, ebenfalls über einen Zahnriemen. Die Führung erfolgt über 8mm Messingröhrchen und Linearkugellager, einfach deshalb, weil ich diese Materialien im Keller rumliegen hatte.
Der Druckkopf ist so angeordnet, dass die Linie der Düsen in Druckrichtung liegt - der Druck soll ja möglichst langsam, Längengrad für Längengrad erfolgen. Theoretisch würde eine einzelne Düse ausreichen, den Auftrag abzuarbeiten, aber aus Gründen der Ausfallsicherheit verwende ich alle 12 Düsen gleichermaßen. Über die Software wird dabei per Zufall ausgewählt, welche Düse welchen Druckpunkt setzt. Ferner wird jeder Druckpunkt dreimal mit Tinte befeuert. Selbst wenn mehrere Düsen nach dem Druck einiger Welten versagen, bleibt das Druckbild somit streifenfrei.

Elektronik

Weltdrucker - Arduino UNO
Abbildung 10:
Wie der verwendete HP6602 Druckkopf im Prinzip anzusteuern ist, habe ich in dem vorangegangenen Kapitel erklärt. Auch beim Weltdrucker habe ich zunächst das Arduino UNO Board zum Feuern der einzelnen Düsen verwendet.

Weltdrucker - ATmega328
Abbildung 11:
Der Vorteil an diesem Entwicklerboard besteht darin, dass der ATmega328 Microcontroller nach Abschluss der Softwareentwicklung auch ohne das UNO Board betrieben werden kann. Somit fällt dieser Teil der Elektronik deutlich kompakter aus - einer der Gründe, warum ich den Arduino Uno so mag.

Weltdrucker - Raspberry Pi
Abbildung 12:
Der Raspberry Pi ist die zentrale Recheneinheit des Weltdruckers. Dieser liest die Bitmap-Datei der Weltkarte ein und steuert die Schrittmotoren und das LCD display an. Die aufbereiteten Druckdaten werden über zwei GPIOs hin zum ATmega328P Mikrocontroller übertragen. Angeschlossen ist ein DS3231 Modul, das dafür sorgt, dass die Uhrzeit auch bei ausgeschaltetem Raspberry Pi weiter läuft.

Weltdrucker - Display
Abbildung 13:
Über drei Tasten und ein 2x16 Zeichen LCD kann der Drucker bedient werden. Nach dem Einschalten wird zum Beispiel, wie hier zu sehen, die Uhrzeit justiert.
Während des Druckens zeigt das Display die eingestellte Weltzeit und den momentan im Druck befindlichen Längengrad an. Die Software auf dem Raspberry Pi sorgt dafür, dass der Druck synchronisiert mit der Erdrotation stattfindet.

Weltdrucker - Schaltplan
Abbildung 14:
Schaltplan

Software/Download

Die Software ist Teil des Download-Paketes (35MB). Diese kann Bitmap-Dateien mit einer Farbtiefe von 24 Bit verarbeiten. Es werden keine Grauwerte gedruckt. Alle Punkte unterhalb eines Schwellwertes werden als Schwarz interpretiert, Punkte oberhalb als Weiß.
Ebenfalls enthalten sind die 3D Dateien für die Mechanik und der Schaltplan.
Die Nachbauanleitung ist recht grob und erfordert einige Kenntnisse rund um den Raspberry Pi und Arduino UNO.

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