Dieses Projekt stellt bisher meine komplexeste Konstruktion dar, die ich mithilfe des 3D-Drucks entworfen habe. Dabei flossen unzählige Stunden in Recherche, Konstruktion, 3D-Druck und Tests, um einen funktionsfähigen automatischen Webstuhl zu entwickeln. Das Ergebnis ist ein Nadelwebstuhl, wie er auch in der Industrie eingesetzt wird.
Allerdings möchte ich vorwegnehmen, dass es sich hierbei um einen Prototypen handelt der noch einige Macken hat. Aufgrund der Eigenschaften der verwendeten 3D-Druckmaterialien stößt das Projekt an die Grenzen des Machbaren. Nicht umsonst sind moderne industrielle Nadelwebstühle aus massivem Stahl und Gussteilen gefertigt. Doch dazu später mehr!
Möchtest du den Webstuhl selbst bauen?
Der 3D-Druck
Möchtest du den Webstuhl selber bauen, findest du hier die Dateien. Mit dabei sind eine Zusammenbauzeichnung und eine Zeichnung mit allen benötigten Metallteilen. Weiters ist eine Stückliste mit allen Links zu den Zukaufteilen enthalten. Falls du mit einem Bambulab-Drucker druckst, ist eine .3mf-Datei mit den vorbereiteten Teilen dabei. Natürlich sind im Paket auch alle .stl-Dateien enthalten, die für den 3D-Druck nötig sind.
Bei der richtigen Ausrichtung der Teile sollte der 3D-Druck keine größeren Probleme bereiten. Für meinen Nadelwebstuhl habe ich PLA als Material gewählt und dabei grundsätzlich ein Infill von 20 % verwendet. Einige stärker beanspruchte Teile, wie beispielsweise die Nadel, wurden jedoch mit einem höheren Infill von 25–30 % gedruckt. Grundsätzlich gilt: Je mehr Infill, desto stabiler wird die Konstruktion – was in diesem Fall besonders vorteilhaft ist. Es kann also durchaus sinnvoll sein, alle Teile mit 25 % Infill zu drucken.
Für die Schichthöhe habe ich mich auf 0,2 mm festgelegt, und gedruckt wurde mit einer 0,4-mm-Düse. Die Produktion des Webstuhls erfolgte mit einem BambuLab X1C und einem BambuLab A1 – zwei Drucker, die für mich unangefochten die besten Geräte sind, mit denen ich bisher gearbeitet habe.
Ich verwende das BambuLab Filament das den Vorteil bietet das diese einen NFC Chip enthalten. Dieser Chip bietet vor allem bei mehrfarbigen Drucken enorme Vorteile. Zusätzlich nutze ich ein AMS am X1C und ein AMS Light am A1. Diese Kombination, zusammen mit der Software BambuLab Studio, ist für meine Zwecke ideal, da sie es ermöglicht, eine große Anzahl von 3D-gedruckten Teilen in kurzer Zeit zu produzieren. Außerdem entfällt das lästige Kalibrieren einzelner Filamente – ein echtes Plug-and-Play-System, das den Druckprozess deutlich erleichtert und richtig Spaß macht.
Ich kann die beiden Drucker uneingeschränkt weiterempfehlen. Wenn du über die folgenden Links bestellst, unterstützt du meine Arbeit, da ich eine kleine Provision erhalte. Vielen Dank für deinen Support!
- BambuLab X1C: Hier gehts zum X1C
- BambuLab A1: Hier gehts zum A1
- Filament: Hier gehts zum Filament
Funktionen eines Nadelwebstuhls
Damit ein automatischer Webstuhl reibungslos funktioniert, müssen mehrere grundlegende Funktionen präzise aufeinander abgestimmt sein. Im Folgenden werde ich diese Schritt für Schritt beschreiben und die dabei auftretenden Herausforderungen erläutern.
Ein entscheidender Aspekt für einen sicheren und ordnungsgemäßen Betrieb ist die möglichst präzise Wiederholgenauigkeit der einzelnen Komponenten. Diese Präzision allein mit 3D-gedruckten Teilen zu erreichen, stellt die zentrale Herausforderung dieses Projekts dar.
Darüber hinaus spielen auch die Geometrie, die Bewegungsabläufe, die Geschwindigkeit sowie die Hublängen der einzelnen Bauteile eine entscheidende Rolle für die Funktionalität des Webstuhls. Alle diese Faktoren müssen sorgfältig berücksichtigt werden, um ein erfolgreiches Ergebnis zu erzielen.
Der Kettbaum
Der Kettbaum ist der Teil des Webstuhls, auf dem die Kettfäden aufgewickelt werden. Diese Fäden verlaufen der Länge nach durch den Webstuhl und werden von den Schäften abwechselnd gespreizt. Durch das Spreizen entsteht das sogenannte Fach, durch das der Schussfaden geführt wird.
Eine gleichmäßige Spannung aller Kettfäden ist essenziell für ein gutes Webergebnis. Bei einer größeren Anzahl von Garnen kann dies jedoch eine Herausforderung sein. Der einfachste Weg, dies zu erreichen, besteht darin, zunächst eine Kette zu scherren und diese auf den Kettbaum aufzuwickeln. Anschließend werden die Kettfäden in kleinere Bündel unterteilt und gleichmäßig gespannt. Diese kleineren Bündel werden dann wieder zu größeren Bündeln verknotet. Dieser Prozess wird so oft wiederholt, bis alle Kettfäden mit einem einzigen Knoten verbunden sind. Für eine detaillierte Anleitung empfehle ich dir, mein Video anzusehen, in dem ich diesen Vorgang Schritt für Schritt erkläre.
Um die Kettfäden im Webstuhl unter Spannung zu halten, ist eine Bremse für den Kettbaum notwendig. Hierfür habe ich eine Bandbremse entworfen, bei der die Bremswirkung und somit die Spannung der Kettfäden über eine Schraube feinjustiert werden können. Die genaue Einstellung der Bremse muss empirisch ermittelt werden, wobei die Kettfäden eine gute, gleichmäßige Spannung aufweisen sollten, um optimale Ergebnisse zu erzielen.
Der Warenbaum
Der Warenbaum bildet das Gegenstück zum Kettbaum. Seine Hauptaufgabe bei automatischen Webstühlen ist es, das fertige Gewebe abzuziehen und aufzunehmen. Bei Nadelwebstühlen ist der Warenbaum mit verschiedenen Walzen ausgestattet, die dafür sorgen, dass das Gewebe fest gehalten und die Kettfäden vom Kettbaum unter hoher Spannung abgezogen werden.
Um das Gewebe sicher zu fixieren, sind die Walzen mit Riefen versehen und werden mithilfe einer Spannrolle gegeneinander gepresst. Ich muss sagen, dass diese Lösung mit den 3D-gedruckten Walzen erstaunlich gut funktioniert. Es gelingt damit, eine sehr hohe Spannung der Kettfäden zu erzeugen, und das Gewebe ist bei meinen Tests kein einziges Mal durchgerutscht.
Die zweite wichtige Funktion des Warenbaums besteht darin, die Kettfäden nach jedem Schuss eines Schussfadens um eine präzise Länge weiterzuziehen. Auf diese Weise wird die Anzahl der Schussfäden pro Zentimeter Gewebe durch die Geschwindigkeit der Abzugsrollen festgelegt. Dies muss je nach verwendetem Garn individuell angepasst werden.
Um die Abzugsgeschwindigkeit variabel zu gestalten, habe ich eine Getriebeuntersetzung entworfen. Dabei sind das erste Zahnrad (Z1) und das zweite Zahnrad (Z2) austauschbar. Durch die verschiedenen Kombinationen von Z1 und Z2 können unterschiedliche Abzugsgeschwindigkeiten eingestellt werden, was eine hohe Flexibilität ermöglicht.
Halten wir also fest: Mit der Bremse am Kettbaum wird die Spannung der Kettfäden eingestellt. Die Abzugsgeschwindigkeit des Warenbaums wiederum legt fest, wie viele Schussfäden pro Zentimeter Gewebe gewoben werden.
Die Schäfte
Die Schäfte übernehmen die wichtige Aufgabe, die Kettfäden anzuheben und abzusenken, um das sogenannte Fach zu bilden. Durch dieses Fach wird der Schussfaden geführt, der das Gewebe zusammenhält.
Die Bewegung der Schäfte wird mithilfe einer Kette gesteuert, die in drei Segmente unterteilt ist:
- Anhebendes Segment: Dieses hebt die Schäfte an.
- Halte-Segment: Dieses sorgt dafür, dass die Schäfte in der gehobenen Position verbleiben.
- Absenkendes Segment: Dieses senkt die Schäfte ab.
Zusätzlich gibt es Verbindungselemente, mit denen die Segmente der Kette zusammengesetzt werden. Die Kettensegmente werden je nach gewünschtem Webmuster kombiniert und anschließend für jeden Schaft separat zusammengestellt. Diese Ketten werden dann auf die Kettenwalze aufgewickelt, wodurch unterschiedliche Muster realisiert werden können.
Um die Schäfte nach dem Anheben wieder abzusenken, ist ein Federelement notwendig, das sie nach unten zieht. In meinem Design habe ich dafür Gummischnüre verwendet, die sich als einfache und Lösung erwiesen haben.
Industrielle Webstühle basieren genau auf diesem Prinzip. Allerdings ist die Umsetzung in meiner 3D-gedruckten Version aufgrund der hohen Kräfte, die während des Betriebs auftreten, nicht ganz einfach zu realisieren. Nach zahlreichen Versuchen ist es mir jedoch gelungen, eine akzeptable Lösung zu entwickeln, die recht gut funktioniert und den industriellen Maschinen in ihrer Funktionsweise sehr nahekommt.
Es ist wichtig zu bedenken, dass die Schäfte die stark gespannten Kettfäden anheben und absenken müssen. Dabei entsteht ein erheblicher Kraftaufwand, da beim Auseinanderziehen der Kettfäden gleichzeitig die Bremskraft der Bandbremse überwunden werden muss. Zusätzlich wird in diesem Prozess etwas neuer Kettfaden vom Kettbaum abgewickelt.
Schussnadel, Reed und Schussnadelführung
Die Schussnadel übernimmt die Aufgabe, den Schussfaden – also den Faden, der quer zu den Kettfäden verläuft – durch das geöffnete Fach zu führen. Dabei ist es wichtig, dass die Zuführung des Schussfadens sehr leichtgängig und frei verläuft. Aus diesem Grund habe ich die Garnführungen mit Metallösen ausgestattet, die ein reibungsloses Gleiten des Garns ermöglichen.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die Spannung des Schussfadens. Um eine konstante Spannung zu gewährleisten, habe ich den Faden an der Decke des Raumes umgelenkt und unterschiedlich schwere Gewichte daran aufgehängt. Diese Gewichte sorgen dafür, dass der Schussfaden stets gleichmäßig gespannt ist, unabhängig davon, ob die Schussnadel in das Gewebe eingeführt wird oder ob sie herausgezogen wird. Bei industriellen Maschinen, die im High-Speed-Bereich arbeiten, ist die Fadenspannung ein kritischer Punkt, der besondere Aufmerksamkeit erfordert. Für meinen 3D-gedruckten Webstuhl reichen jedoch einfache Metallgewichte aus.
Der Reed (Webblatt) hat die Aufgabe, den soeben eingeführten Schussfaden anzuschlagen und damit in das Gewebe einzubinden. Der Reed ist mechanisch mit dem Hebel der Schussnadel verbunden, wodurch beide Komponenten als Einheit agieren. Es ist wichtig, die Schussnadel so einzustellen, dass sie nicht mit dem Reed kollidiert. In meinem Video zeige ich diesen Mechanismus ausführlich, damit die Funktionsweise leicht nachvollzogen werden kann.
Mit dem Exzenter des Reeds, der eine Schwenkbewegung erzeugt, lässt sich die relative Position des Reeds zu den anderen Bewegungen im System feinjustieren. Dies ist entscheidend, damit die Schussnadel genau im richtigen Moment – nämlich während sich das Fach durch die Kettfäden bildet – durch das Fach geführt wird.
Die Fangnadel (Latch Hook)
Die Fangnadel, auch bekannt als Heckelnadel, verfügt über einen beweglichen Verschluss, der die Nadel öffnen und schließen kann. Ihre Hauptaufgabe ist es, den soeben eingeführten Schussfaden auf der gegenüberliegenden Seite festzuhalten. Dabei erzeugt die Fangnadel eine Luftmasche, die verhindert, dass der Schussfaden wieder aus dem Gewebe herausgezogen wird.
Für diesen Prozess ist ein präzises Timing entscheidend: Die Fangnadel muss den Schussfaden exakt im richtigen Moment greifen und sicher festhalten. Beim Zurückziehen der Nadel wird die vorherige Masche über die aktuelle gezogen, wodurch die Luftmasche entsteht.
Diesen Mechanismus in Worte zu fassen, ist nicht ganz einfach. Im Zeitlupen-Video zeige ich den gesamten Prozess im Detail, damit er leichter nachvollziehbar ist.
Der Antrieb
Der Antrieb des Nadelwebstuhls ist ein kostengünstiger 24V-Gleichstrom-Getriebemotor. Der Motor verfügt über eine Drehzahl von 100 U/min. Er wird mit einer PWM-Steuerung ausgestattet, um über den gesamten Drehzahlbereich eine gleichbleibende Leistung zu gewährleisten. Dadurch ist es möglich, die Maschine präzise bei jeder Drehzahl zu starten und zu stoppen. Diese kleinen Motoren sind wirklich sehr leistungsfähig, und ihre Leistung reicht aus, um den Webstuhl zuverlässig zu betreiben.
Fazit dieses Projekts:
Dies war bisher mein komplexestes Projekt, das ich mit 3D-Druck umgesetzt habe.
Das größte Problem ist die Wiederholgenauigkeit der einzelnen Teile, da in den Kettfäden und Schäften sehr hohe Kräfte auftreten. 3D-gedruckte Teile stoßen hier an ihre Festigkeitsgrenzen. Industrielle Nadelwebstühle bestehen aus massiven Stahl- und Gussteilen. Diese extrem stabilen Maschinen erreichen eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit. 3D-gedruckte Teile hingegen sind immer etwas weich und flexibel und verformen sich unter hoher Last.
Die Drehpunkte, Übersetzungen und die allgemeine Geometrie der Maschine funktionieren jedoch sehr gut.
Ich habe hunderte Stunden für Recherche, Konstruktion, 3D-Druck und Tests aufgewendet, um dieses Projekt zu realisieren.
Auch wenn das Ergebnis nicht ganz perfekt ist, bin ich mit meiner Arbeit sehr zufrieden. Es handelt sich um einen Prototyp, der noch ein paar Stabilitäts-Updates benötigen würde. Ich denke, wenn man einige Teile (z. B. die Seitenteile) aus Metall fertigen würde, wäre das ein großer Gewinn in Bezug auf die Wiederholgenauigkeit.
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You will receive:
- All required 3D files in .stl format
- An overview drawing in .dxf and .pdf format
- An production parts drawing
- A parts page with links to the purchased parts
- A .3mf file for Bambulab Studio for easy printing setup and support management.
