3D-Druck - Einführung - Teil 3

In diesem Teil gehe ich näher auf die mechanischen Bauteile eines 3D-Druckers ein.  

Im letzten Teil dieser Reihe habe ich bereits erwähnt, wie so ein Drucker im Prinzip funktioniert. Zur kurzen Wiederholung: Als Roh-Material wird Kunststoff genutzt. Der Kunststoff kommt dabei in Drahtform Form zum Einsatz. Diese Form wird auch Filament genannt und man kann diese auf Spulen aufgerollt erwerben. Das Filament ist dabei ungefähr so dick wie eine Spaghetti Nudel.

Natürlich kommt das Filament in allen erdenklichen Farben und Materialien, auf die ich an dieser Stelle noch nicht eingehen werden. Wichtig ist hier nur zu erwähnen, dass die Drucktechnik, die sich an Filamentrollen bedient, als FDM bezeichnet wird.

Was bedeutet FDM?

FDM steht für Fused Deposition Modeling - Auf Deutsch kann man das mit Schmelzschichtung übersetzen. Dieser Begriff passt super, wenn man sich nochmal die Funktionsweise anschaut:

• Es wird Plastik erhitzt bis es schmilzt
• Das gedruckte Objekt entsteht schichtweise

Die Mechanik

Nun kennst du das zu Grunde liegende Prinzip des Verfahrens und fragst dich wahrscheinlich wie das ganze in der Praxis aussieht. Aus welchen Teilen besteht ein 3D-Drucker? Wie wird das Filament erhitzt? Was für Teile sind noch notwendig? Auf diese Fragen werde ich nun eingehen. Denk dran, dass wir uns zunächst nur auf FDM Drucker beschränken.

Der Druckkopf

Fangen wir mit dem Druckkopf an. Dieser ist im nebenstehendem Bild rot markiert. Der Druckkopf hat die Aufgabe das Filament aufzunehmen und bis über dem Schmelzpunkt hinaus zu erhitzen. Die dazu notwendige Wärme wird elektronisch erzeugt und kann mithilfe von verbauten Temperatursensoren relativ genau geregelt werden. Das ist wichtig, da jedes Filamentmaterial unterschiedliche Drucktemperaturen benötigt.

Der Druckkopf besteht im Grunde genommen aus zwei Komponenten:

• 🧊Coldend (kaltes Ende)
• 🔥Hotend (heißes Ende)

Wie der Namen schon vermuten lässt ist das Hotend dafür zuständig das Filament zu schmelzen. Bei den meisten 3D-Druckern besitzt das Hotend die Form eines Quaders (siehe Bild rechts, grauer Block). Dieser Block wird elektronisch erhitzt. Daran wird eine Düse geschraubt, welche das flüssige Filament an die richtige Position führt (dazu später mehr). Es ist wichtig, dass das Filament nur an der der Düse schmilzt und nicht schon vorher, da es im flüssigen Zustand nicht mehr kontrolliert werden kann. Das heißt wiederum, dass die Hitze vom Hotend sich nicht ausbreiten darf. Deswegen befindet sich direkt über dem Hotend das sogenannte Coldend, welches mit Kühlrippen ausgestattet ist und mithilfe von Lüftern aktiv gekühlt wird (im Bild rechts rot).

Das Bild links zeigt das Innenleben von einem Druckkopf. Das Hotend ist dabei Orange dargestellt, die Düse gelb und das Coldend blau. Die grüne Komponenten, welches Coldend und Hotend miteinander verbindet wird Heatbreak  genannt. Als deutschen Begriff kann man dafür Hitzeschutz nehmen. Diese Komponente besteht aus einem Material mit sehr niedrigem Wärmeleitkoeffizienten, um die Wärmeübertragung zu minimieren (damit das coldend auch cold bleibt). Alle Komponenten sind mit einer Bohrung versehen, durch die das Filament geführt wird.

Der Extruder

Der Extruder hat die Aufgabe das Filament in den Druckkopf zu drücken. Dies wird recht einfach mithilfe eines Servo-Motors und ein paar Zahnrädern realisiert, wie folgende Animationen verdeutlichen.

Das Filament wird zwischen zwei Zahnrädern eingespannt. Bringt man nun mithilfe eines Motors eine Rotation auf, so wird das Filament extrudiert. Es gibt zwei möglich Varianten den Extruder zu verbauen

• Direct Drive (links): Der Extruder wird direkt an den Druckkopf befestigt
• Bowden Tube Setup (rechts): Der Extruder wird am Rahmen das Druckers positioniert und mithilfe einer sogenannten Bowden Röhre mit dem Druckkopf verbunden, in der das Filament durchgeführt wird. Damit hat der Extruder eine größere Entfernung zum Druckkopf was einige Vor- und auch Nachteile mit sich bringt (mehr dazu in späteren Teilen dieser Reihe)

Das soll es erst mal wieder für diesen Teil gewesen sein. Im nächsten Teil klären wir die Frage, wie der Druckkopf positioniert wird, also wie in die ganze Sache die Bewegung rein kommt. Wie immer gilt, falls Fragen aufkommen, zögert nicht mich zu kontaktieren.

Bleibt gesund und bis dann.