Martin

Ich bin 41 Jahre alt und Elektrotechniker. Auch in meiner Freizeit beschäftigte ich mich gerne mit Elektronik. Deshalb habe ich schon mehrere Projekte umgesetzt. Ob Haus-Automatisierung oder kleine Elektronikbasteleien, es gibt immer eine neue Herausforderung und eine Lösung dafür.

Lithophane Würfel mit WLAN-Ansteuerung

Egal ob als Nachttischlampe, Schreibtischleuchte oder als Hingucker auf der Anrichte lässt sich dieser Würfel vielseitig einsetzen. Die individuelle Bildauswahl (Familie, Haustiere, …) lässt das Projekt zu etwas sehr persönlichem werden. Da die Bilder austauschbar und das Oberteil drehbar sind, ist für Abwechslung gesorgt. Über die drahtlose RGB-Licht-Ansteuerung kommt auch der „Smart“-Gedanke nicht zu kurz.

Das Projekt

Geeignet für: Elektronik-Anfänger und 3D-Druck Erfahrene

Zeitaufwand: ca. 6-8 Arbeitsstunden, ca. 86 Stunden des 3D-Druckers

Kosten: ca. 30 €

Das benötigen Sie:

  • • 1x Wemos-D1-Mini
  • • 5x WS2812b LED Streifen (30LEDs/m)
  • • 1x Diode (1N4001)
  • • 1x USB-Kabel Micro
  • • 1x 5V-Netzteil
  • • 3D-Drucker mit weißem PLA-Filament

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Das Funktionsprinzip

Ein vorhandenes Bild wird für den 3D-Druck so umgewandelt, dass dunkle Bereiche mehr Material als helle Bereiche erhalten. So ergibt sich bei Gegenlicht ein überraschend detailreiches Graustufenbild. Umso genauer(=zeitaufwendiger) der Druck durchgeführt wird, desto größer ist dieser Effekt.

Nahaufnahme des 3D-Drucks für den Würfel

Vom Foto zum 3D-Modell

Also Motiv eignen sich kontrastreiche Fotos die mit einem Bildbearbeitungsprogramm (z.B. Gimp) für die weiteren Schritte noch etwas angepasst werden. Für den hier verwendeten Würfel müssen quadratische Bilder verwendet werden. Über das Auswahlwahltool „Rechteckige Auswahl“ und dem festen Seitenverhältnis 1:1 wird der passende Bildausschnitt gewählt. Über Bild → „auf Auswahl zuschneiden“ bleibt nur noch der gewählte Ausschnitt stehen.

Screenshot aus GIMP zur Erstellung der Druckdatei

Um die Details besser auszuarbeiten bieten die Kurvenfunktionen (Werte, Kurven) noch mehr Möglichkeiten das Bild zu optimieren. Die einfachste Methode um zu dem Graustufenbild zu kommen geschieht über Farben → Farbton/Sättigung. Hier den Sättigungs-Regler auf links zu ziehen.

Screenshot aus GIMP zur Erstellung der Druckdatei in Schwarz/Weiß mit Einstellungen

Nun wird das Bild als *.jpg auf der Festplatte abgelegt (Datei→Exportieren als…).

Für die Umwandlung der 2D-Informationen zum 3D-Modell bietet sich diese Seite an. Nach dem Hochladen des Bildes unter „Images“ werden die passenden Parameter bei Model Settings/Image Settings verwendet, wie in den folgenden Bildern dargestellt.

Regler der Parameter zur perfekten Vorbereitung für den 3D-Druck des Würfels

 

Regler der Parameter zur perfekten Vorbereitung für den 3D-Druck des Würfels

Es ergibt sich ein Endformat von 100x100x4mm welches genau in den Würfel eingesetzt werden kann. Der Rand von 2mm, verleiht dem Bild Stabilität, verschwindet dann aber hinter dem Rahmen. Sollte der Browser bei der Berechnung abstürzen, müssen die „Vectors per Pixel“ auf 5 minimiert werden. Über „Download“ lässt sich die *.stl-Datei für den Slicer herunterladen. Es werden 5 verschiedene Bilder für den Würfel benötigt.

Vom 3D-Modell zum Ausdruck

Um das 3D-Modell (*.stl-Format) in den Maschinencode (*.gcode) umzuwandeln, wird ein Slicer-Programm benötigt. Das kostenlose Programm Ultimaker Cura bietet hier alle Features die benötigt werden. Da die Einstellung von dutzenden Parametern dem eigenen Drucker/Filament angepasst werden müssen, möchte ich hier nur auf die wichtigsten Einstellungen/Tipps eingehen und einige Grundkenntnisse voraussetzen.

Die wichtigsten Einstellungen:

– Bild aufrecht drucken

– Weißes PLA Filament am besten geeignet

– 0,4mm Düse ist ausreichend

– möglichst geringe Layerhöhe wählen (0,12 bzw. 0,16mm)

– Infill auf 100%

– Brim für gute Haftung am Druckbett verwenden

– Max 40mm/sec Druckgeschwindigkeit

Abbildung des persönlichen Fotos und der Einstellungen kurz vor dem Druck

Wie man in dem Bild sieht, kann so ein Druck schon mal 11 Stunden dauern!

Restliche 3D-Druck Teile

Die restlichen 3D-Teile können ebenfalls ausgedruckt werden. Eine Layerhöhe von 0,2mm ist hier ausreichend und verringert die Druckzeit. Dazu habe ich in der für Privatanwender kostenlosen CAD-Software Fusion360 die Teile so entworfen, dass diese ohne Support gedruckt werden können. Sind alle Teile vorhanden, können diese leicht zusammengesteckt werden. Die Modelle stehen ebenfalls im Download zur Verfügung.

Das bunte Gestell des Würfels aus den 3D-gedruckten Teilen in gelb, rot, grün und grau

Verdrahtung

Da der WS2812b-LED Streifen mit 5V, die Ausgangspegel des Wemos D1 allerdings mit 3,3V arbeiten, müsste hier eine Pegelanpassung mit Levelshiftern eingesetzt werden. Für die Pegelanpassung reicht in diesem Fall eine einfache Diode in der Versorgungsleitung der 1. LED. Diese sorgt dafür, dass ein High-Pegel auf der Datenleitung (DIN) korrekt erkannt wird. Die restlichen LEDs werden mit 5V versorgt. Diese Trickschaltung hat sich aufgrund der Konstruktion so angeboten, da die erste LED sowieso einzeln (oben) montiert ist. Die restlichen 4 LEDs können als Band um den „Leuchtturm“ geklebt werden.

Der Schaltplan für die Lichter in dem Würfel
Der Sockel auf dem der Würfel steht und an welchem die LED-Streifen angebracht sind

Der Durchmesser des „Leuchtturms“ ist so konstruiert, dass die waagrechten LEDs jeweils um 90° versetzt sind. Der Wemos-D1 kann in die vorgesehen Aussparung eingeschnappt werden. Die USB-Buchse ist dann für das Anschlusskabel zugänglich.

Programmierung des Mikrocontroller

Als Software wird die cloudfreie und sehr vielseitige Firmware Tasmota von Theo Arends verwendet. Es kann eine bereits compilierte Version z.B. tasmota-DE.bin verwendet werden. Das Umflashen ist mit der Software Tasmotizer per USB-Micro-Kabel möglich.

Vorsicht, dass hier wirklich ein Daten-Kabel verwendet wird, welches auch über die notwendigen Datenleitung verfügt und nicht nur ein reines Ladekabel ist!

Screenshot der Software Tasmotizer mit den beschriebenen Einstellungen

Nach Auswahl des richtigen COM-Ports und des passenden *.bin-Files wird der Controller programmiert. Sollte die Programmierung nicht starten, kann beim Einstecken der Reset-Taster kurz gedrückt werden um in den Flash-Mode zu gelangen. Über den Button „Send config“ können die WLAN-Daten des eigenen Netzwerks bereits hier übergeben werden.

Nach einem Neustart registriert sich der Controller nun im eigenen Netzwerk. Nachdem die neu vergebene IP-Adresse im Router ermittelt wurde, lässt sich das Gerät nun im Webbrowser weiter konfigurieren (z.B. http://192.168.178.23).

Folgende Einstellung müssen noch gemacht werden:

Einstellungen –> Gerät konfigurieren → Gerätetyp auf „Generic (0)“. Durch Speichern wird ein Neustart ausgeführt.

Wird die Option „Emulation“ auf „Hue Bridge Mehrfachgerät“ aktiviert, kann der Würfel über den zuvor vergebenen Namen mit Sprachbefehl über einen Amazon Echo angesteuert werden.

Einstellung eines Timers

Um den Würfel z.B. mit dem Sonnenuntergang einschalten zu können muss zuerst noch der Standort mitgeteilt werden. Über „Konsole“ können diese Parameter direkt eingegeben werden z.B.

Latitude 45.123456 (Breitengrad des Standorts)

Longitude 8.123456 (Längengrad des Standorts)

TimeZone 99 ->Zeitzone Europa mit Sommerzeit.

Nach einem Neustart werden die Werte übernommen.

Um den Würfel mit dem Sonnenuntergang einzuschalten kann unter Einstellungen → Zeitplan Einstellungen der Schaltvorgang so eingestellt werden:

Das Ausschalten kann über den Timer 2 z.B. auf eine fixe Zeit gestellt werden.

Screenshot der Timeranzeige und deren Optionen um den Würfel zu steuern

Weitere Möglichkeiten

Da noch einige andere Ports frei sind, können hier diese z.B. für Temperatur- oder Feuchtigkeitssensoren verwendet werden. Über die MQTT-Anbindung ist eine Integration ins Smart-Home so problemlos möglich.

Viel Spaß beim Nachbau!

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