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Wie funktioniert ein 3D-Drucker?
Seit ihrer Einführung Mitte der 80er Jahre haben sich die Drucker ständig weiterentwickelt. Es sind zahlreiche Technologien aufgetaucht. Um zu verstehen, wie ein 3D-Drucker für Verbraucher funktioniert, konzentrieren wir uns auf einen der gängigsten Typen. Nämlich die Drucker, die mit geschmolzenem Filament arbeiten, FDM (Fused Deposition Modeling), manchmal auch FFF (Fused Filament Fabrication) genannt.
- Wie funktioniert ein 3D-Drucker?
- Die verschiedenen Teile eines 3D-Druckers
- Wie ein 3D-Drucker funktioniert: die verschiedenen Schritte
Die verschiedenen Teile eines 3D-Druckers
Der Rahmen
Er ist ein wichtiger Teil des Druckers, da er die Stabilität des Geräts gewährleistet. Er besteht aus Stahl, Blech oder Aluminium und muss den verschiedenen Belastungen standhalten, die durch die verschiedenen Elemente der Maschine entstehen. Seine Konstruktion ist daher von entscheidender Bedeutung, um die Präzision und Geschwindigkeit beim Drucken nicht zu beeinträchtigen.
Der Druckkopf
Es ist das Herzstück des Druckers. Indem er sich in verschiedene Richtungen bewegt, ist dies der Teil, der Ihr Objekt in 3D erstellt. Das Kunststoff-Filament kommt als Feststoff oben rein, wird erhitzt und kommt unten in flüssiger Form wieder raus. Es besteht aus:
- einen Filamentsensor (optional)
- einen Extruder, der den Fluss des zu schmelzenden Filaments steuern kann. In diesem Stadium finden Sie ein Greifrad und einen Schrittmotor. Letzterer bestimmt die Geschwindigkeit, mit der der Kunststoff durch den Extruder gedrückt wird, um den Durchfluss zu steuern.
- ein Hotend, das den eigentlichen Druckvorgang durchführt. Es besteht aus einer Düse, die Materialschichten auf die Druckoberfläche aufbringt.
Das Druckbett
Besteht meist aus einem Aluminiumsockel mit einem daran befestigten Heizelement und einer abnehmbaren Druckfläche darüber. Die Druckoberfläche kann aus Glas, Metall oder Verbundfasern bestehen. Die Oberfläche kann in der Regel beheizt werden. Dies ist zwar nicht zwingend erforderlich, gewährleistet aber eine bessere Haftung des geschmolzenen Kunststoffs in den ersten Schichten, je nach dem zu druckenden Material. Auch wenn immer mehr Drucker mit einem Nivellierungssensor ausgestattet sind, müssen Sie das Druckbett richtig auf die Bewegung des Druckkopfs ausrichten.
Die 3 Achsen auf einem kartesischen Drucker
Die Position des Druckkopfes im Raum wird durch seine Koordinaten entlang der 3 Achsen X, Y und Z definiert:
- Die X-Achse definiert die Breitenbewegung (links-rechts). Der Druckkopf gleitet in den meisten Fällen auf zwei Schienen zur Führung. Er wird von einem Schrittmotor angetrieben und hat einen Endschalter, der die 0-Position definiert.
- Die Y-Achse definiert die Tiefenbewegung (von vorne nach hinten). In der Regel gleitet das Druckbett auf zwei Schienen hin und her. Er wird von einem Schrittmotor angetrieben und hat einen Endschalter, der die 0-Position definiert.
- Die Z-Achse definiert die Höhenbewegung (auf-ab). Die Bewegung erfolgt nach wie vor auf zwei Achsen gleitend nach oben und unten, aber mit Hilfe von Kugelumlaufspindeln, die an Schrittmotoren befestigt sind. Für diese Achse kann der Endanschlagschalter entweder manuell eingestellt werden, oder es kann ein Tastsensor auf der Druckplatte verwendet werden, um den Wert 0 zu definieren, der es ermöglicht, die Höhe zwischen dem Druckkopf und der Druckoberfläche zu bestimmen.
Die Elektronikplatine
Der Vorstand ist dafür verantwortlich, alle Aktivitäten rund um den Drucker zu koordinieren, z. B:
- Lesen und Interpretieren der empfangenen Computercode-Anweisungen
- Berechnung der Druckkopfflugbahnen
- Ansteuerung der verschiedenen Druckerachsen-Schrittmotoren
- Modulieren Sie die Heizelemente im Druckkopf und im Druckbett, um die Temperatur zu steuern
- Verwalten Sie den LCD-Bildschirm oder die SD-Karte, auf der die Druckanweisungen gespeichert wurden
Die Stromversorgung
Kein Strom, kein Druck! Es funktioniert genauso wie das Netzteil, das Sie in einem Desktop-PC finden. Das Netzteil liefert den gesamten Strom, den der Drucker benötigt, um zu funktionieren.
Die wichtigsten Arten von Filamenten
Es gibt verschiedene Arten von Filamenten, darunter einige, die speziell für technische Anwendungen entwickelt wurden. Zu den gängigsten gehören:
- PLA (oder Polymilchsäure): Es ist einer der meistverkauften Kunststoffe, weil er einfach zu verwenden und erschwinglich ist. Es wird in erster Linie aus Maisstärke gewonnen, gilt allgemein als sicher für den Kontakt mit Lebensmitteln und ist industriell kompostierbar. Es ist in einer sehr breiten Farbpalette erhältlich und wird in industriellen, medizinischen und dekorativen Anwendungen eingesetzt.
- PET/PETG (Polyäthylenterephthalat/Polyäthylenterephthalatglykol): Diese beiden Materialien werden häufig verwendet, wobei PETG eine gewisse Präferenz hat. Die Glykol-Behandlung sorgt für zusätzliche Steifigkeit oder Klarheit im Vergleich zu normalem PET. Darüber hinaus macht die hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber chemischen Reaktionen, Feuchtigkeit oder Abrieb PET zu einem guten Allroundmaterial. Wenn man dann noch die gute Recyclingfähigkeit hinzurechnet, ist es eine gute Wahl auf halbem Weg zwischen den Eigenschaften von PLA und ABS.
- ABS (oder Acrylnitril-Butadien-Styrol): Zusammen mit PLA ist es eines der älteren 3D-Druckmaterialien, die verwendet werden. Es ist für sein geringes Gewicht und seine Schlagfestigkeit bekannt. Wie PLA ist es in vielen Anwendungen zu finden. Der Hauptunterschied zu PLA besteht in seiner Neigung, sich zu verziehen (verursacht durch das Zurückziehen beim Abkühlen des Kunststoffs während des Drucks), was ein beheiztes Bett erfordert.
Auch zwischen den Schichten kann es zu Verformungen kommen, was häufig eine geschlossene Druckkammer erfordert, um eine gleichmäßige Abkühlung zu gewährleisten und Zugluft auf das Teil zu vermeiden. ABS ist auch dafür bekannt, während des Erhitzungsprozesses giftige Gase freizusetzen, was den Bedarf an einer geschlossenen Kammer noch erhöht, da sie die Dämpfe während des Drucks einschließt und eine angemessene Belüftung des Raums, in dem der Druck stattfindet, ermöglicht.
Wie ein 3D-Drucker funktioniert: die verschiedenen Schritte
Filament gelangt in den Druckkopf
Ob es sich um PLA, PETG oder ABS handelt, der Prozess ist derselbe. Das Filament, das in Spulen verkauft wird, muss so geführt werden, dass es korrekt in den Druckkopf gelangt. Auf der Druckkopfseite teilt der Filamentsensor dem Druckkopf mit, dass Material vorhanden ist, und dient als Eintrittspunkt in den Filamentpfad.
Bewegung des Druckkopfs (und des Druckbetts)
Das Prinzip des 3D-Drucks ist die sukzessive Ablagerung von Materialschichten, um ein Objekt zu erzeugen. Bei kartesischen Druckern koordinieren im Allgemeinen der Druckkopf und das Druckbett ihre Bewegungen im Raum. Das Bett bewegt sich in der Tiefe, während der Druckkopf sich in der Breite und Höhe des Teils bewegt.
Die Elektronikplatine sendet die Positionsdaten (Koordinaten) für jede zu druckende Schicht an den Druckkopf und das Druckbett. Dies wird dann für jede Schicht wiederholt, bis das Objekt fertig ist.
Filament-Extrusion
Der Extruder ist der entscheidende Teil des Druckkopfs, da er für die Steuerung der Menge an Material verantwortlich ist, die in flüssigem Zustand herauskommt. Es gibt zwei Haupttypen von Extrudern:
- Direktantrieb, bei dem der Extruder in den Druckkopf eingebaut ist und sich mit diesem um das Druckvolumen bewegt. Dadurch erhöht sich das Gewicht der gesamten beweglichen Teile, und die Druckgeschwindigkeit wird dadurch begrenzt. Allerdings wird die Druckqualität erhöht, insbesondere bei flexiblen Filamenten.
- Bowden-Extruder, bei denen sich der Extruder im Filamentpfad vor dem Druckkopf befindet und der Extruder an einem statischen Teil des Gehäuses befestigt werden kann. Der Druckkopf wird leichter und kann sich mit höherer Geschwindigkeit bewegen, ohne an Präzision einzubüßen, aber der Druck, unter dem das Filament zwischen dem Extruder und dem Hotend steht, ist anfälliger für Probleme.
Nachdem das Filament den Extruder durchlaufen hat, gelangt es in das Hotend, das mit einem Heizblock ausgestattet ist, um das Material zu schmelzen. Er verfügt auch über einen Kühlkörper mit einem Gebläse, um den Kunststoff vor dem Schmelzpunkt kühl zu halten. Die Düse ist die letzte Stufe vor dem Auftragen des Materials auf das Druckbett und die vorherigen Schichten.
Andere Arten von Druckern
- Delta: In dieser Konfiguration wird der Druckkopf von 3 Stangenpaaren gesteuert, die in einem Dreieck angeordnet sind. Auf der Seite von Monster Kossel gehe ich näher darauf ein.
- Polar: Die Druckfläche kann sich um sich selbst drehen und entlang einer bestimmten Achse bewegen. Der 3D-Effekt wird durch die vertikale Bewegung des Druckkopfs erzielt.
- Core XY: Bei einem Core-XY-Drucker kann sich der Druckkopf horizontal in X- und Y-Richtung bewegen, nicht aber in Z-Richtung. Das Druckbett beginnt direkt unter der Düse und fällt nach und nach ab, um die vertikale Höhe zu erhöhen. In Verbindung mit einem Bowden-Extruder ist die Bandkonfiguration oft so, dass die beiden Motoren, die die horizontale Bewegung steuern, die Bewegung entlang einer anderen Diagonale steuern. Dies führt zu einer höheren Geschwindigkeit bei den Bewegungen und somit auch beim Druck.
- Riemenbasiert: Er ist der ideale Drucker, um kleinere Teile in X- und Y-Richtung zu drucken, aber sehr lange Teile in Z-Richtung, da die Z-Achse im Grunde unendlich ist.
Wie Sie sehen können, gibt es viele verschiedene Technologien für die Herstellung von 3D-Druckern. Die Auswahl an Materialien ist ebenso vielfältig, wobei viele von ihnen spezielle Verwendungszwecke haben, wie z. B. Harz. Ich berate Sie gerne, wie Sie z. B. mit Harz arbeiten können. Für diese und andere Fragen zu 3D-Druckern ist es am einfachsten, wenn Sie mich kontaktieren.