Teil 2 : Generativen Fertigungstechnologien und deren primäre Bauteile

I. Das Gehäuse

Das Gehäuse ist für ein einwandfreies Druckergebnis verantwortlich, da es allen Bewegungen des Extruders über die jeweiligen Achsen ausgesetzt ist. Während des Druckvorgangs darf das Gehäuse keine Toleranzen beim Druckobjekt auslösen, wenn beispielsweise feine Objekte gedruckt werden, sind kurze Wege, verbunden mit einem Richtungswechsel für das Druckergebnis nicht zuträglich, da meist mit einer Genauigkeit von 0,1 Millimetern gearbeitet wird und so bei einer ungleichmäßigen Bewegung des Extruders die entstehenden Kräfte sich auf das Gehäuse übertragen und es zu minimale Abweichungen am Druckobjekt kommt. Bei vielen Abweichungen ist dementsprechend das Druckergebnis des Objekts verfälscht.
Den 3D-Drucker auf einen festen Untergrund zu montieren hilft bei der Erstellung eines brauchbaren Druckresultates. Für das Gehäuse eines 3D-Druckers gibt es keine speziellen Materialien deshalb variieren diese von Hersteller zu Hersteller. Vorrangig sind alle metallischen Werkstoffe zu bevorzugen, da diese ein gewisses Gewicht haben, hier besteht das komplette Gehäuse aus CNC gefrästem Stahl. Weniger geeignet für den dauerhaften Gebrauch sind Holzgehäuse, da sie sich mit der Zeit verziehen können und das gewünschte Gewicht nicht mitbringen. Der Trend bei den Herstellern geht dazu über, die Gehäuse aus Kunststoffen anzufertigen, da diese für die Massenproduktion geeigneter sind und weniger Herstellungskosten verursachen. Als nächstes ist die Bauform des Gehäuses zu betrachten, umso kompakter das Gehäuse gestaltet ist, um so weniger Bewegung es zulässt, desto funktionsfähiger wird das Druckergebnis des Objektes. Elementar ist auch die Gestaltung eines abgeschlossenen Systems, dem Innenraum des 3DDruckers. Der Innenraum soll bei einer konstanten Drucktemperatur bleiben und vor evtl. Luftströmen die einen Temperaturabfall bewirken können verschont bleiben. Die konstante Temperatur für den Extruder liegt bei 210°C, und für das Heizbett bei 75°C.

II. Die X-, Y – und Z-Achsen

Die X-, Y – und Z-Achsen, diese Achsen ermöglichen dem Extruder, sich über die gesamte Druckfläche zu bewegen. Bei einigen Modellen ist die X-Achse für die seitlichen Bewegungen zuständig und die Y-Achse führt die Bewegung des Extruders nach vorne und hinten aus. Die Z-Achse wiederum ist für den Schichtwechsel verantwortlich die das Druckbett auf einer Gewindestange nach oben und unten bewegt.

III.Der Filamentnachschub (Material Feeder)

Der Filamentnachschub (Material Feeder), zusehen wird über einen Fördermechanismus zum Extruder geführt. Der Nachschub ist einer der wichtigen Mechanismen, da nur über diesen Mechanismus ein sauberer Druck gewährleistet werden kann. Wie in der Beschreibung des Gehäuses gibt es auch hier diverse Varianten des Filamentnachschubs, die Hersteller abhängig sind. Bei einigen Modellen, sieht man einen Direct Drive, dies bedeutet, dass das Filament über einen direkten Antrieb befördert wird und der Material Feeder nicht über eine Zahnradübersetzung (Geared Drive) gezogen wird. Im Laufe der Zeit hat sich der Direct Drive durch seine kompakte Verbauung bei vielen Herstellern durchgesetzt, da sie einfach für den Endkunden anzu-bringen sind.

Zu sehen ist der Drive Bolt des Direct Drives vom Ultimaker2, die Zähne befördern das Filament zum Extruder. Ein wichtiger Bestandteil ist der Drive Bolt des Fördermechanismus der dynamische Anpressdruck, dieser kommt, durch ein gelagertes Rad zustande. Mithilfe dieser Einheit werden minimale Erhöhungen und Vertiefungen ausgeglichen und die möglichst gleichmäßige Beförderung des Filaments garantiert.

IV. Der Extruder

Der Extruder, ein weiterer Bestandteile eines 3D-Druckers, er besteht aus mehreren Elementen, dem Hot End samt einer Düse, einer Kühlung und einem Temperatursensor. Je nach Hersteller gibt es auch hier verschiedene Ausführungen. Gängig sind hier zwei unterschiedliche Ausführungen, die in Punkt 1 und 2 beschrieben werden:

1. Der Motor für die Steuerung ist direkt über dem Druckkopf montiert, oder
2. der Motor wird ausgelagert und befindet sich im hinteren Bereich des 3D-Druckers.

Der Nutzen des ausgelagerten Motors am Gehäuse des Druckers liegt im verringerten Gewicht des Druckkopfes, dadurch wird die Geschwindigkeit des Druckvorgangs maximiert, wenn der Motor allerdings auf dem Druckkopf befestigt ist, wird die Übersetzung verringert und dementsprechend wird er genauer, wie wenn der Antrieb am Gehäuse sitzen würde. Sehr positiv wirkt sich der ausgelagerte Antrieb auf die Präzision des Druckvorgangs aus, weil keine Motorschwingungen auf den Druckkopf transportiert werden.

Anmerkung: Namhafte Unternehmen gehen dazu über, die zweite Alternative zu verbauen, sprich den Schrittmotor ausgelagert vom Druckkopf zu verbauen. Im Prinzip arbeitet der Extruder im deutschen auch Druckkopf genannt relativ simpel und lässt sich am Beispiel einer Heißklebepistole einfach erklären.

Vergleichen kann man hier den Klebestift der Heißklebepistole, was das Filament für den 3D-Drucker ist. Für die Funktionsfähigkeit der Klebepistole würde man eine Zeit lang diesen erhitzen und bei erreichter Zieltemperatur den Klebestift in die Pistole einführen, sodass an der Spitze der Heißklebepistole der fast flüssige Klebstoff heraustritt. Genauso funktioniert es beim 3D-Drucker. Die Düse, oder auch Hot End genannt, des Druckkopfes wird auf Zieltemperatur erhitzt. Die Temperatur wird dem Drucker über einen Temperaturfühler mitgeteilt. Beim PLA liegt die Temperatur bei ca.: 210 °C, somit wird der 3D-Druckprozess gestartet. Das Filament wird über eine Fördereinheit in das Hot End befördert. Aufgrund der Zieltemperatur von 210°C wird das flüssige Filament durch die Druckdüse, auch Nozzel genannt, herausgepresst und auf das Druckbrett aufgeschichtet. Das flüssige Filament kommt wie im Bild zu sehen aus der 0,4 mm großen Druckdüse. Der Durchmesser der Druckdüse ist immer für die Schichtstärke des Druckes verantwortlich.

Anmerkung: Bei einigen Modellen von 3D-Druckern gibt es die Möglichkeit, einen zusätzlichen Druckkopf nachzurüsten bei anderen wiederum sind diese bereits ab Werk mitgeliefert.
Dies ist besonders praktisch, wenn man beispielsweise verschiedene Farben und Materialien gleichzeitig drucken möchte.

V. Das Druckbett

Das Druckbett ist verantwortlich für die Aufschichtung des Filaments sowie für die Fertigstellung des Objekts. Wie bei allen anderen Bauteilen gibt es auch hier einige Varianten, wie man solch ein Druckbett konstruieren kann. Wichtig ist hier, ob man das Druckbett beheizen kann, wenn es beheizbar ist,spricht man von einem Heizbett. Ein beheiztes Druckbett ist einem unbeheizten vorzuziehen, da so das Warping verhindert wird.
Unter dem Warping versteht man das sich Aufwölben und den dadurch entstehenden Verzug eines Objektes, dies bedeutet im ungünstigsten Fall das sich das Objekt vom Druckbett löst. Um die beschriebenen Haftungsprobleme zu minimieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Diese gelten auch für beheizte Druckbetten. Die im Folgenden aufgeführten Methoden lassen sich erfahrungsgemäß bei allen 3DDruckern anwenden.
1.) Das Druckbett mit einer guten Schicht Haarspray einsprühen.
2.) Das Druckbett mit etwas Bier bestreichen und trocknen lassen.

Anmerkung: Als nahezu beste Methode erwies sich das Auftragen des Blue Tapes der Firma 3M , diese kann in Schichten auf das Druckbett geklebt werden. Das Filament haftet ausgesprochen gut und lässt sich problemlos nach der Anwendung entfernen.