Direktextrusion und Bowdensysteme

Direktextrusion und Bowdensysteme

Eines der wichtigsten Elemente eines FDM-3D-Druckers ist der Satz, der aus dem Extruder und dem Hotend besteht.

Das Hotend ist das Element, das das Filament schmilzt, so dass es durch die Düse fließen kann, und gleichzeitig verhindert, dass Wärme aus der sogenannten heißen Zone herausgeleitet wird.

Zu diesem Zweck bestehen die Hotends in der Regel aus vier Teilen:

  • Die Düse: Sie ist das Element, durch das das geschmolzene Filament fließt, um im Werkstück abgelegt zu werden. Sein Durchmesser bestimmt den Durchmesser des extrudierten Materialfadens und damit die Auflösung des Druckers in XY.
  • Der Heizblock: Er ist das Element, das dafür zuständig ist, die Düse auf die Drucktemperatur zu erhitzen und sie stabil zu halten.
  • Die Wärmebremse: Dient als thermische Trennbrücke. Sie trennt die heiße Zone von der kalten Zone.
  • Der Kühlkörper: Seine Funktion ist es, die kalte Zone kühl zu halten, indem er die vom Heizblock übertragene überschüssige Wärme ableitet.Hotend
Bild 1: Temperaturen im Inneren des Hotends. Quelle: E3D.com

Andererseits ist der Extruder dafür verantwortlich, das Filament in das Hotend zu ziehen, so dass im Hotend ein ausreichender Druck erzeugt wird, damit die Schmelze konstant und gleichmäßig durch die Düse fließen kann.

Extrusor directo

Bild 2: Direkter Extruder. Quelle: E3D.com

Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, das Hotend mit dem Extruder zu kombinieren: Direktextrusionssysteme und Bowdensysteme.

Directo vs Bowden

Bild 3: Druckerschema mit Direktextruder und Bowden. Quelle: Recreus.de

Bei Direktextrusionssystemen bilden der Extruder und das Hotend ein einziges Element, wodurch der Abstand zwischen dem Zugpunkt und der Düse minimiert wird.

Bei Bowden-Extrusionssystemen ist der Extruder fest in die Struktur des 3D-Druckers eingebaut und drückt das Filament durch einen Schlauch, den sogenannten Bowdenschlauch, in das Hotend.

Obwohl es viele Diskussionen darüber gab, welches System besser ist, haben beide große Vorteile, aber auch einige Nachteile. Die Wahl des richtigen Druckers hängt von verschiedenen Faktoren ab, z. B. von der Art des Materials, das Sie üblicherweise verwenden, von den Druckgeschwindigkeiten oder von der Qualität des Druckerrahmens.

Rückzüge

Wenn der Extruder das Filament in das heiße Ende schiebt, wird das Filament komprimiert, wodurch der notwendige Druck innerhalb der Düse entsteht, damit das geschmolzene Material richtig fließen kann. Wenn wir jedoch kein Material extrudieren wollen, reicht es nicht aus, das Filament nicht mehr zu drücken, da der Restdruck durch die Kompression das Material weiter fließen lässt. Deshalb muss das Filament jedes Mal, wenn das Hotend an eine neue Position bewegt wird und es nicht notwendig ist, Material hinzuzufügen, um die notwendige Strecke zurückgezogen werden, damit es sich dekomprimiert und der Druck in der Düse abgebaut wird. Dies wird als Retraktion bezeichnet und ist für den 3D-Druckprozess von großer Bedeutung.

Retracciones

Bild 4: Diagramm des Rückzugs. Quelle: sublimelayers.com

Da Kunststoffe im Allgemeinen keine starren Materialien sind, ist die Kompression des Filaments, die erforderlich ist, um den richtigen Druck in der Düse zu erreichen, umso größer, je größer der Abstand zwischen dem Extruder und dem Hotend ist. Dadurch wird auch die Schrumpfstrecke größer, die benötigt wird, um diesen Druck abzubauen. Während bei direkten Systemen die Schrumpfabstände daher meist zwischen 0,8 mm und 2 mm liegen, können sie bei Bowden-Extrusionssystemen Werte von 5 oder 6 mm erreichen.

Die Möglichkeit, niedrige Schrumpfungswerte zu verwenden, hat wichtige Vorteile. Zum einen sind die Schrumpfzeiten geringer, was bei Teilen mit vielen Schrumpfungen eine deutliche Reduzierung der Druckzeit bedeuten kann. Andererseits minimiert ein geringer Schrumpfungsabstand das Risiko, dass der geschmolzene Teil des Filaments in die kalte Zone des Hotends gelangt und dadurch nicht erstarrt und sich ausdehnt, was einen Stau verursacht.

Es ist der letztgenannte Faktor, der dazu führt, dass Bowdenextruder eine komplexere und genauere Schrumpfungskalibrierung erfordern, da es nur eine sehr geringe Spanne zwischen einem zu niedrigen Schrumpfungswert, der zu Nässen oder Fadenbildung führt, und einem zu hohen Wert, der Verstopfung verursacht, gibt.

Flexible Filamente

Eine weitere direkte Folge des Abstandes zwischen Extruder und Hotend ist das Verhalten der flexiblen Filamente.

Bei Bowdensystemen wird das Filament vom Extruder zum Hotend durch einen Schlauch, meist aus Teflon, geführt. Obwohl der Innendurchmesser des Rohrs idealerweise mit dem des Filaments übereinstimmen sollte, ist dies in der Praxis nicht machbar, sowohl wegen der kleinen Durchmesserabweichungen aufgrund von Fertigungstoleranzen als auch wegen der hohen Reibungskräfte, die dabei entstehen würden. Aus diesem Grund haben alle Bowdenzüge ein gewisses Spiel. Bei den meisten Materialien ist dies kein Problem, bei flexiblen Schläuchen jedoch schon.

Tubo Bowden

Bild 5: Fadenbiegung in einem Bowdenzugrohr. Quelle: E3D.com

Aufgrund ihrer hohen Flexibilität neigen Materialien wie TPU und TPE dazu, sich im Bowdenzugrohr zu verbiegen, wodurch die Zugkräfte des Extruders auf die Rohrwände umgeleitet werden. Dies macht es sehr schwierig, einen konstanten Druck in der Düse zu erreichen, um eine ordnungsgemäße Extrusion zu gewährleisten.

Außerdem ist die zum Erreichen des richtigen Düsendrucks erforderliche Filamentkompression bei flexiblen Materialien viel höher als bei anderen Materialien wie PLA, was in vielen Fällen dazu führt, dass zu hohe Schrumpfungsabstände verwendet werden müssen.

Trotz alledem lassen sich mit etwas Erfahrung auch solche flexiblen Materialien mit höherer Härte auf Bowdensystemen bedrucken, insbesondere wenn man das Format 2,85 mm oder 3 mm verwendet, den Einsatz von Schrumpfung vermeidet und einen hochwertigen Bowdenschlauch mit engem Durchmesser wie den Capricorn XS verwendet.

Capricorn XS

Bild 6: Bowden Capricorn XS Rohr. Quelle: Captubes.com

Das ideale System für die Arbeit mit flexiblen Materialien ist zweifelsohne die Direktextrusion. Der kurze Weg zwischen dem Extruder und dem Hotend minimiert die Kompression des Filaments und lässt es enger werden, so dass es sich nicht im Inneren verbiegen kann. Die sogenannten Kompaktextruder, wie der Titan Aero oder insbesondere der E3D Hemera, ermöglichen es, alle Arten von flexiblen Materialien einfach und mit einer hohen Druckqualität zu verarbeiten.

Inertien

Obwohl sowohl in Bezug auf die Schrumpfung als auch auf die Verwendung flexibler Filamente Direktextrusionssysteme zu den Gewinnern zählen, gibt es eine Eigenschaft, in der sich Bowdensysteme auszeichnen und die für bestimmte Anwendungen von großer Bedeutung sein kann: die Trägheit.

Einer der grundlegenden Druckparameter ist die Geschwindigkeit. Und obwohl viele Drucker Geschwindigkeiten von bis zu 80 oder 100 mm/s zulassen, gibt es einen Schwellenwert, ab dem es unmöglich ist, ohne Einbußen bei der Teilequalität zu drucken. Das liegt daran, dass sich das Hotend nicht mit einer konstanten Geschwindigkeit bewegen kann, sondern bei jeder Richtungsänderung auf eine bestimmte Richtungsänderungsgeschwindigkeit abbremsen und dann wieder beschleunigen muss.

Dies ist auf das erste Newtonsche Gesetz zurückzuführen. Aufgrund der Masse des Hotends hat es bei der Bewegung eine gewisse Trägheitskraft, die umso größer ist, je höher seine Masse oder Geschwindigkeit ist. Bei einer Richtungsänderung wird die Trägheitskraft auf den Rest des Druckers übertragen, was zu Vibrationen und einem erheblichen Verlust an Präzision führt. Um dies zu vermeiden, ist es notwendig, vor dem Richtungswechsel die Geschwindigkeit auf einen Wert zu reduzieren, der hauptsächlich von der Steifigkeit der Druckerstruktur und dem Gewicht des Hotends abhängt. Eine weniger robuste und leichte Struktur bedeutet, dass geringere Richtungsänderungsgeschwindigkeiten und langsamere Beschleunigungs- und Abbremskurven verwendet werden müssen, da die Kapazität zur Aufnahme der Trägheiten geringer ist, was zu niedrigeren Geschwindigkeiten und längeren Druckzeiten führt. Die einzige Möglichkeit, die Trägheit zu reduzieren, ist die Reduzierung der Geschwindigkeit oder des Gewichts.

Ringing

Bild 7: Auswirkung von Trägheitsschwingungen auf die Druckqualität. Quelle: 2Dprinterwiki.co

Hier haben Bowdensysteme einen Vorteil. Indem der Extruder, der das schwerste Teil ist, stationär bleibt und nur das Hotend bewegt wird, wird die Trägheit erheblich reduziert. Dadurch können 3D-Drucker mit Bowden-Systemen wesentlich höhere Druckgeschwindigkeiten nutzen als solche mit direkten Systemen, ohne dass die Druckqualität darunter leidet.

Wahl zwischen einem Bowdensystem und einem direkten System

Die Wahl zwischen einem Direkt- und einem Bowdensystem hängt im Wesentlichen davon ab, ob die Druckgeschwindigkeit oder die Vielseitigkeit und Einfachheit bei der Verwendung neuer Materialien im Vordergrund steht.

Wenn es Ihnen darum geht, möglichst viele Teile in kürzester Zeit zu produzieren und in der Regel nur wenige und starre Materialien wie PLA oder PETG verwendet werden, ist ein Drucker mit Bowdensystem die beste Lösung. Durch eine geringere bewegte Masse wird die Trägheitskraft erheblich reduziert, was die Verwendung höherer Geschwindigkeiten und Beschleunigungen ermöglicht, ohne dass die Gefahr besteht, dass Vibrationen entstehen, die die Endqualität beeinträchtigen.

Steht hingegen die Verwendung technischer und elastischer Materialien im Vordergrund und soll die bestmögliche Qualität auf Kosten der Druckgeschwindigkeit erreicht werden, ist ein Direktextrusionssystem die ideale Option. Mit direkten Systemen ist die Konfiguration neuer Materialien viel einfacher und die Möglichkeit von Fehlschlägen bei flexiblen und halbstarren Materialien wird deutlich reduziert.

5 Kommentare

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    ALBERT
    jul 1, 2020

    La única forma de reducir la inercia es reducir la velocidad o el peso. CON RESPETO, hay otro factor que tu mism@ comentas, la rigided de la estructura de la impresora, y es muy simple de reforzar en la mallorría de los casos. me gusto.

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      Filament2Print
      jul 2, 2020

      Hola Albert, Muchas gracias por tu comentario. Aunque muchas veces podemos cometer errores y tratamos de corregirlos en cuanto nos los hacéis llegar, en nuestros posts también nos gusta ser rigurosos con los conceptos físicos y técnicos. La inercia o masa inercial de un cuerpo es una propiedad física de los cuerpos en movimiento que se define como la derivada temporal del producto de la masa por la velocidad de dicho cuerpo (respecto a un sistema de referencia inercial). Estrictamente hablando la única forma de reducir la inercia de un cuerpo en movimiento es reducir una de estas dos variables. Otra cosa distinta es que una estructura más estable o con mayor rigidez absorba mejor las vibraciones y transmita y amortigüe mejor los esfuerzos derivados de este fenómeno, como también comentamos en este post. Una mejor estructura permite absorber mejor las vibraciones y por tanto soportar masas inerciales mayores, pero no afecta de ningún modo al valor de la masa inercial del cabezal.

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    Carlos
    feb 9, 2021

    Hola, super interesante. Muyyy buen artículo. Soy pollo en esto, llevo unos pocos meses. Hay una cosa que no me queda clara al final.. Decís que para piezas en mucha cantidad primando velocidad es mejor bowden.. Pero.. No requiere retracciones mas largas y por lo tanto más tiempo que extrusión directa? Realmente no me queda claro el último apartado.. Pq si que entiendo que para materiales varios.. Y entre ellos flexibles. Extrusión directa es mejor..

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      Filament2Print
      feb 9, 2021

      Hola, Carlos. Lo explicamos en el apartado "inercias". En el extrusor directo, el extrusor y el hotend van unidos, mientras que en el de tipo Bowden el extrusor queda fijo mientras que el hotend es que realiza los movimientos. Así, la masa en movimiento es mayor en el extrusor directo y se generan más fuerzas inerciales que pueden llegar a interferir en la calidad de impresión si se imprime a velocidades muy altas.

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    gabriel
    may 13, 2021

    Hola,, muy bueno y claro el articulo, me quitaste algunas dudas que tenía. Felicitaciones. Te hago una consulta en cuanto a las velocidades de retracción en extrusión directa, entre qué valores oscila aproximadamente? porque hice el cambio de una cr10s pro, manteniendo el extrusor y hotend originales, y no puedo conseguir eliminar los hilitos. Sé que la no es la idea hacer ste tipo de consultas pero ya no se qué hacer. Muchas gracias