Schweitzer Fachinformationen
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In diesem Kapitel erhältst du einen Schnelleinstieg in die Welt des 3D-Drucks. Du lernst die verschiedenen Druckverfahren kennen, allen voran das FDM/FFF-Verfahren, das bei der Mehrheit der 3D-Drucker für den Heimanwenderbereich zum Einsatz kommt. Du erfährst, wie ein FDM-Drucker aufgebaut ist, wie er funktioniert und auf welche Auswahlkriterien du bei der Anschaffung achten solltest. Außerdem lernst du die verschiedenen Druckmaterialien kennen, die du verwenden kannst. Darüber hinaus erfährst du, wie du von der Idee über das Konstruktionsmodell und die Druckdatei zum gedruckten Gegenstand gelangst.
Der geniale Erfinder Charles W. Hull patentierte 1984 das erste Druckverfahren, die Stereolithografie. Fünf Jahre später patentierte S. Scott Crump das Schmelzschichtverfahren, auf dessen Technik die meisten 3D-Drucker für den Hobbybereich basieren. Vor allem seit Ablauf einiger Patente hat sich ab 2010 ein 3D-Druck-Megatrend sowohl in der Industrie als auch im Heimanwenderbereich entwickelt.
Die technische Realisierung aller Druckverfahren basiert auf der Schichtbautechnologie, das heißt, das Druckteil wird schichtweise erzeugt. Der 3D-Druck ist ein sogenanntes Generatives bzw. Additives Fertigungsverfahren. Mit additiv ist gemeint, dass dem Werkstück Material hinzugefügt wird. Dies unterscheidet den 3D-Druck von herkömmlichen Fertigungsverfahren wie der Subtraktiven (Drehen, Fräsen, Bohren) und der Formativen Fertigung (Gießen, Schmieden, Biegen).
Die Druckverfahren unterscheiden sich im Wesentlichen im Druckwerkstoff, im Zustand des zu verdruckenden Materials und in der Art der Verschmelzung. Die Anforderungen an das Druckteil sind ebenso zu berücksichtigen. Wird das Druckteil hohen oder niedrigen Belastungen ausgesetzt sein oder soll es nur als Anschauungsobjekt dienen? Natürlich spielen auch die Herstellungskosten eine große Rolle. Im Folgenden stelle ich die bekanntesten 3D-Druckverfahren kurz vor.
Die Stereolithografie (SLA/STL: Stereo Lithography Apparatus1) basiert auf einer photochemischen Reaktion des lichtempfindlichen Druckwerkstoffs. Bei diesem Verfahren wird lichtaushärtender, flüssiger Kunststoff (Kunstharz, Epoxyharz) von einem Laser schichtweise ausgehärtet. Eine Druckplattform befindet sich in einem mit flüssigem Kunststoff gefüllten Behälter. Diese senkt sich um die Druckschichtdicke ab, sodass der flüssige Kunststoff über die zuletzt gedruckte Schicht fließt. Dann wird die nächste Druckschicht mit dem Laser ausgehärtet.
Vorteil: Das Verfahren erzeugt sehr glatte Oberflächen und es können filigrane Strukturen gedruckt werden.
Nachteil: Aufgrund der geringen Bauteilfestigkeit dient es vornehmlich für die Erzeugung visueller Prototypen (= Anschauungsmodelle).
Beim Selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) wird Metall- oder Keramikpulver durch Laserstrahlen verschmolzen. Nachdem eine Druckschicht erzeugt wurde, wird das Druckteil um eine Druckschichthöhe abgesenkt. Anschließend wird weiteres Pulver mithilfe eines Rakels über die gedruckte Schicht verteilt, bevor die nächste Druckschicht mit dem Laser angeschmolzen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Druckstück fertig gedruckt ist. Um eine Oxidation des Druckmaterials während des Drucks zu vermeiden, wird der hermetisch verschlossene Druckbereich mit einer Schutzatmosphäre (Stickstoff oder Argon) gefüllt.
Vorteil: Man kann glattere Oberflächen als bei den meisten anderen Druckverfahren erzielen. Es ist eine hohe Bauteilfestigkeit gewährleistet und es sind keine Stützstrukturen nötig.
Nachteil: Man kann keine hohlen Körper drucken, ohne dass eine Auslassöffnung für das im Inneren verbliebene Pulver in das Bauteil eingearbeitet wurde. Die Anschaffungskosten für den Drucker sowie die Bauteilkosten (teures Pulver) sind verhältnismäßig hoch.
Ein weiteres Druckverfahren ist das Selektive Lasersintern (SLS). Es ähnelt dem Prinzip des Selektiven Laserschmelzens. Neben Metallen und keramischen Materialien kann auch Kunststoffpulver gesintert werden. Beim Sintern werden die Oberflächen der Pulverkörner miteinander verschmolzen. Das hat ein gewisses Maß an Porosität (Durchlässigkeit) zur Folge, sodass das Bauteil (falls nötig) nach dem Druck noch mit geeigneten Lacken an der Oberfläche versiegelt werden kann. Eine Besonderheit stellt das Versintern von Kunststoffpulver dar. Hier wird der Bauraum bis knapp unter die Schmelztemperatur des Kunststoffes erhitzt, sodass der Laser nur noch geringe Energie aufbringen muss, um das Kunststoffpulver zu versintern.
Die Mehrheit der 3D-Drucker für den Heimanwenderbereich funktionieren nach dem Prinzip der Schmelzschichtung (FDM = Fused Deposition Modeling bzw. FFF = Fused Filament Fabrication). Hierbei wird ein Kunststoff-Filament aus Thermoplast2 (z. B. PLA, ABS, PET, PVC) über die Schmelztemperatur erhitzt und in Schichten übereinander aufgetragen.
Wie bereits erwähnt, basiert das Prinzip des FDM-Druckers darauf, ein Kunststoff-Filament zu erhitzen und mit Positioniervorrichtungen an die gewünschten Stellen aufzubringen. Die mechanischen Grundelemente eines FDM-Druckers sind der Druckkopf (Extruder), das Hotend, die Druckplatte und die Positioniereinheit, welche ich im Folgenden genauer vorstellen werde.
Der Druckkopf (Extruder) dient der Filament-Zufuhr. Er besteht aus einem Schrittmotor, auf dessen Welle ein gerändeltes Rad sitzt. Ein gefedert gelagertes Anpressrad sorgt für einen schlupffreien Filament-Vorschub (Bild 2.1).
Bild 2.1 Extruder
Im Hotend wird das Filament geschmolzen. Um eine Verstopfung des Zuführrohrs durch geschmolzenes Filament zu unterbinden, ist das Zuführohr mit einem Wärmediffusor (Heat Sink) ausgestattet. So wird die überschüssige Wärme an die Umgebung abgeleitet und das vorzeitige Schmelzen des Filaments wird verhindert. Zur Unterstützung der Wärmeabfuhr wird nicht selten ein Ventilator auf den Diffusor gesetzt.
Bild 2.2 Düse, Heizblock, Heizelement und Thermoresistor (von links nach rechts)
Unterhalb des Wärmediffusors befindet sich der Heizblock mit dem Heizelement. Erst dort wird das Filament geschmolzen. Über ein Heizelement wir die Wärmeenergie in den Heizblock gebracht. Mit einem Thermoresistor wird die Temperatur ermittelt. Auf diese Weise kann die gewünschte Temperatur genau über das Druckprogramm eingestellt werden.
Bild 2.3 Hotend mit Wärmediffusor
Bild 2.4 Hotend mit Wärmediffusor und Ventilator
Am unteren Ende des Heizblocks befindet sich die Druckdüse. Übliche Düsendurchmesser bewegen sich zwischen 0,3 mm und 0,5 mm. Damit das verdruckte Filament schneller erstarrt, befindet sich an manchen Hotends ein weiterer Ventilator mit einer kleinen Umlenkdüse.
Bild 2.5 Explosionsdarstellung eines Extruders mit Hotend (Druckermodell: BQ)
Bild 2.6 Extruder mit Hotend (Druckermodell: BQ)
Bei den meisten 3D-Druckern ist das Hotend direkt am Extruder befestigt (Direct Extruder). Es gibt aber auch 3D-Drucker, bei denen das Hotend vom Extruder getrennt ist. Das heißt, der Extruder sitzt fest am Gehäuse und fördert in einem Teflonschlauch das Filament in das Hotend. Diese Form von Filament-Förderung wird Bowden-Extruder genannt. Der Bowden-Extruder hat den großen Vorteil, dass das bewegte Gewicht wesentlich geringer ist als beim Direct Extruder (der Gewichtsunterschied kann durchaus 0,5 kg betragen). Damit sind höhere Beschleunigungen und somit auch höhere Druckgeschwindigkeiten möglich. Ein kleiner Nachteil des Bowden-Extruders ist das Nachtropfen des Filaments, wenn das Hotend ohne zu drucken zu einer anderen Druckposition fährt. Dies führt in der Regel zu Fadenbildung. Mithilfe der Drucker-Software und ein wenig Erfahrung kann man allerdings den Filament-Einzug (Retract) optimieren und dieses Problem gut in den Griff bekommen. Für flexible Filamente ist der Bowden-Extruder praktisch nicht geeignet. Die Firma Ultimaker bietet 3D-Drucker auf Basis der Bowden-Technologie an.
Bild 2.7 Bowden-Extruder auf der Rückseite des 3D-Druckers (links); Hotend eines 3D-Druckers mit Bowden-Extruder (rechts)
Die...
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