Extrusionssysteme. Anpassungen und Wartung.

Der Extruder ist das Element, das den Filament in das Hotend zieht, so dass im Inneren genügend Druck erzeugt wird, damit das geschmolzene Material kontinuierlich und homogen durch die Düse fließt.

Je nach Position des Extruders lassen sich zwei verschiedene Extrusionssysteme unterscheiden: Direkt und Bowden.

Direkte Extrusionssysteme

In den direkten Systemen ist der Extruder am Druckkopf direkt am Hotend angebracht und bewegt sich gemeinsam mit diesem. Aufgrund des kurzen und geraden Wegs zum Hotend können sie den Druck am Düsenkopf präziser steuern, indem sie kürzere Rückzugabstände verwenden. Außerdem, da sie sich während der Extrusion weniger zusammenziehen und keine Spielräume auf dem Weg zum Hotend haben, ist es viel einfacher, flexible und elastische Filamente zu verwenden.

Innerhalb der direkten Extruder lassen sich zwei Typen unterscheiden: die Standard und die kompakten. Bei den Standarddirektextrudern dient der Kühlkörper als Trennelement zwischen Hotend und Extruder. Diese Art von Extrudern minimiert die Wärmeübertragung zwischen Hotend und Extruder, was es ermöglicht, Hochtemperaturmaterialien zu verwenden, ohne dass es zu Überhitzungsproblemen im Extruder kommt. Außerdem neigen sie in der Regel weniger zum "Heat Creep" mit PLA.

Die kompakten direkten Extruder haben in der Regel den Kühlkörper im Gehäuse integriert, was es ermöglicht, das Hotend direkt am Extruder anzubringen und den Filamentweg zu minimieren. Diese Art von Extrudern werden für den Druck von flexiblen oder elastischen Filamenten mit geringer Härte empfohlen.

Abbildung 1: Standard- und kompakter direkter Extruder. Quelle: Bondtech

Der Hauptnachteil der direkten Extruder ist, dass sie aufgrund ihrer Integration in den Druckkopf das Gewicht erhöhen und größere Trägheitskräfte verursachen während der Bewegung. Im Vergleich zu Bowden-Systemen ist es ratsam, niedrigere Beschleunigungen und Richtungswechselgeschwindigkeiten zu verwenden. Im Allgemeinen verwenden praktisch alle direkten Extruder Filament im 1,75-mm-Format.

Bowden-Extrusionssysteme

In den Bowden-Systemen bleibt der Extruder fest und führt das Filament durch einen Schlauch zum Hotend, normalerweise aus PTFE. Diese Art von Systemen reduzieren das Gewicht des Druckkopfs erheblich und ermöglichen höhere Beschleunigungen und Richtungswechselgeschwindigkeiten im Vergleich zu direkten Systemen. Allerdings haben sie einen wichtigen Nachteil: den langen Weg zwischen Extruder und Hotend sowie den größeren internen Durchmesser des Bowden-Schlauchs, was zu Spiel und größerem Filamentdruck führt und die Steuerung von Rückzügen komplizierter macht. Die Optimierung von Materialien, insbesondere von flexiblen und elastischen Materialien, in dieser Art von Systemen ist wesentlich komplexer als bei direkten Systemen. Außerdem ist es möglich, dass bestimmte flexible und elastische Filamente mit geringer Härte sowie spröde Filamente wie Metall- oder Keramikfilamente, auf einigen Druckern mit dieser Art von Extrudern nicht gedruckt werden können.

Abbildung 2: Extruder mit Bowden-Konfiguration. Quelle: Bondtech.se

Es gibt Bowden-Extruder, die sowohl mit 1,75-mm- als auch mit 2,85-mm-Filamenten kompatibel sind. Da das 2,85-mm-Format höhere Zugkräfte erfordert, um den gleichen Druck wie beim 1,75-mm-Format zu erreichen, ist es ratsam, in diesen Fällen Motoren mit hoher Leistung oder solche mit Getrieben zu verwenden. Bei Verwendung von flexiblen Filamenten wird empfohlen, immer Systeme zu verwenden, die mit 2,85-mm-Filamenten kompatibel sind.

Kalibrierung und Wartung

Kalibrierung und Wartung

Um Probleme zu vermeiden, ist es wichtig, das Extrusionssystem richtig einzustellen und zu warten. Es gibt einige gemeinsame Punkte bei sowohl direkten als auch Bowden-Extrudern, die regelmäßig überprüft werden sollten.

1. Zugspannung des Extruders

Die meisten Extruder auf dem Markt enthalten ein System, mit dem sich die Zugspannung des Filaments einstellen lässt. Es ist sehr wichtig, diesen Parameter richtig einzustellen, da zu niedrige Zugspannung dazu führen kann, dass das Filament rutscht, was zu Problemen mit unzureichendem Extrudieren oder unregelmäßigem Extrudieren führen kann, während zu hohe Zugspannung zu Bissstellen durch Abnutzung des Filaments führen kann, die seinen Querschnitt verringern und zu einem Extrusionsfehler führen können.

Bild 3: Bissstelle in einem Filament verursacht durch zu hohe Zugspannung des Extruders.

Nicht immer wird eine Bissstelle im Filament durch ein Problem mit der Einstellung der Zugspannung des Extruders verursacht. Manchmal kann es durch ein Verstopfen im Hotend verursacht werden. Um die Ursache zu unterscheiden, ist es am einfachsten, das Filament zu schieben, bis der Extruder es wieder greift, und zu überprüfen, ob der Kunststoff normal durch die Düse fließt.

Bild 4: Einstellschraube für Zugspannung eines Extruders. Quelle: Bondtech.se

Es wird empfohlen, die Spannung jedes Mal neu einzustellen, wenn auf ein Material mit unterschiedlichen Eigenschaften gewechselt wird. ABS, Nylon, TPU oder TPE erfordern möglicherweise sehr unterschiedliche Spannungseinstellungen. Um die Spannung einzustellen, sollten folgende Schritte befolgt werden:

1. Die Spannung maximal lockern

2. Den 3D-Drucker einschalten und das Filament laden.

3. Die Spannung langsam erhöhen, bis die Räder beginnen, das Filament zu ziehen, und warten, bis Plastik aus der Düse austritt.

4. Die Spannung weiter erhöhen, bis das Plastik kontinuierlich und gleichmäßig fließt, falls erforderlich.

Die richtige Spannung ist die minimale, die erforderlich ist, um das Filament kontinuierlich zu ziehen.

2. Wartung der Zugräder

Extruder ziehen das Filament durch zwei entgegengesetzte Räder, von denen mindestens eines eine geriffelte oder raue Oberfläche aufweist. Es ist nicht üblich, dass diese Räder abgenutzt sind, es sei denn, es werden abrasive Materialien verwendet (Faserverstärkte, metallische oder keramische Filamente). Wenn regelmäßig solche Filamente verwendet werden, ist es empfehlenswert, den Zustand der Räder regelmäßig zu überprüfen und sie bei Anzeichen von Verschleiß auszutauschen.

Bild 5: Ziehrollen für Filament. Quelle: Bondtech.se

Neben dem Überprüfen des Verschleißes der Räder, ist es auch wichtig, ihre Sauberkeit zu überprüfen. Es ist üblich, dass sich im Laufe der Zeit Kunststoffreste, die sich vom Filament durch Reibung lösen, ansammeln und entfernt werden müssen, um zu verhindern, dass sie das Hotend erreichen und eine Verstopfung verursachen. Die Reinigung kann mit einer kleinen Bürste durchgeführt werden und erfordert in vielen Fällen nicht das Entfernen des Extruders, da viele von ihnen einen Zugangsbereich haben, der diese Aufgabe erleichtert.

Bild 6: Zugangshafen zur Reinigung der Räder. Quelle: Bondtech.se

Die letzte Wartungsaufgabe für die Räder besteht darin, die verzahnten Bereiche zu schmieren, sei es zwischen Motor und Zugrad oder auch zwischen den beiden Rädern bei Systemen mit Dual Drive Geared (DDG). Es ist sehr wichtig, sehr kleine Mengen Schmiermittel aufzutragen, und zwar nur auf die verzahnten Bereiche, um zu verhindern, dass das Filament kontaminiert wird oder dass Schmiermittel zum Hotend gelangen kann.

3. Wartung der PTFE-Rohre

Die mehrheit der Extrusionssysteme enthält irgendwo einen Abschnitt aus PTFE-Rohr.

In Bowden-Systemen wird ein langes PTFE-Rohr verwendet, um das Filament vom Extruder zum Hotend zu führen. Es ist sehr wichtig, PTFE-Rohre von guter Qualität zu verwenden mit engen und konstanten Innendurchmessern. Diese PTFE-Rohre müssen ausgetauscht werden, wenn Anzeichen von Verschleiß oder Beschädigung auftreten, sowie bei Biegungen oder Kerben.

In vielen Direktantriebssystemen werden auch kleine PTFE-Rohrsegmente verwendet. Bei Systemen mit All-Metal-Hotends ist es üblich, dass ein PTFE-Rohr das Filament von den Zugrollen zum Einlass des Heatbreak führt, während bei Systemen mit nicht allmetallischen Hotends dieses PTFE-Rohr bis zur Düse reicht. Dieses kleine Rohr ist in der Regel ein Verbrauchsmaterial, das regelmäßig ausgetauscht werden muss, insbesondere bei nicht allmetallischen Hotends. Es ist ratsam, immer die vom Hersteller bereitgestellten zu verwenden, da sie in der Regel an beiden Enden eine spezielle Senkung oder Bearbeitung aufweisen. In diesen Fällen führen der Einsatz von Standard-PTFE-Rohrabschnitten, die manuell geschnitten wurden, oft zu Verstopfungsproblemen, entweder weil das Rohr nicht die richtige Länge oder Form hat oder weil der Innendurchmesser nicht korrekt ist.

Bild 7: Design des PTFE-Einsatzes eines Extruders für Prusa Mk3s+. Quelle: Prusa Research.

Die Wartung und Einstellung des Extruders sollte immer mit einer ordnungsgemäßen Wartung des Hotends einhergehen, da Probleme mit dem Hotend sich auf den Extruder auswirken können und umgekehrt.