Direktextrusion und Bowdensysteme

Eines der wichtigsten Elemente eines 3D-FDM-Druckers ist das Set, bestehend aus Extruder und Hotend.

Das Hotend ist das Element, das dazu dient, das Filament zu schmelzen, damit es durch die Düse fließen kann, während verhindert wird, dass Hitze außerhalb der sogenannten Heizzone übertragen wird.

Dafür haben die Hotends im Allgemeinen vier Teile:

• Die Düse oder Düse: Sie ist das Element, durch das das geschmolzene Filament fließt, um sich im Werkstück abzusetzen. Ihr Durchmesser bestimmt den Durchmesser des extrudierten Materialfadens und damit die Auflösung des Druckers in XY.
• Der Heizblock: Dies ist das Element, das die Düse auf die Drucktemperatur erhitzt und sie stabil hält.
• Der Heat Break: Dient als thermische Trennbrücke. Trennen Sie die Heizzone von der Kaltzone.
• Der Kühlkörper: Seine Funktion besteht darin, die Kaltzone gekühlt zu halten und die überschüssige Wärme zu dissipieren, die vom Heizblock übertragen wird.

Bild 1: Temperaturen im Inneren des Hotends. Quelle: E3D.com

Andererseits ist der Extruder dafür verantwortlich, das Filament in das Hotend zu ziehen, damit ausreichender Druck im Hotend erzeugt wird, damit das geschmolzene Material ständig und homogen durch die Düse fließt.

Bild 2: Direkter Extruder. Quelle: E3D.com

Derzeit gibt es zwei Möglichkeiten, das Hotend mit dem Extruder zu kombinieren: Direkte Extrusionssysteme und Bowden-Systeme.

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

In Direkten Extrusionssystemen bilden der Extruder und das Hotend ein einziges Element, wodurch der Abstand zwischen dem Ziehpunkt und der Düse minimiert wird.

In Bowden-Extrusionssystemen wird der Extruder im Rahmen des 3D-Druckers fixiert und schiebt das Filament in das Hotend durch ein Rohr namens Bowdenrohr.

Obwohl viel darüber diskutiert wurde, welches der beiden Systeme besser ist, haben beide große Vorteile, aber auch einige Nachteile. Die Wahl des am besten geeigneten hängt von mehreren Faktoren ab wie dem Typ des üblicherweise verwendeten Materials, den Druckgeschwindigkeiten oder der Qualität des Druckerrahmens.

Retraktionen

Wenn der Extruder das Filament in Richtung Hotend drückt, kann sich das Filament komprimieren und den erforderlichen Druck innerhalb der Düse erzeugen, damit das geschmolzene Material ordnungsgemäß fließt. Wenn jedoch kein Material extrudiert werden soll, reicht es nicht aus, das Filament nicht mehr zu drücken, da der Restdruck aufgrund der Kompression dazu führt, dass das Material weiterhin fließt. Aus diesem Grund muss jedes Mal, wenn das Hotend an eine neue Position bewegt wird und es nicht erforderlich ist, Material hinzuzufügen, das Filament die notwendige Strecke zurückgezogen werden, damit es sich entspannen und den Druck in der Düse freisetzen kann. Dies wird als Retraktion bezeichnet und ist im 3D-Druckprozess von großer Bedeutung.

Bild 4: Schema der Retraktion. Quelle: sublimelayers.com

Da Kunststoffe im Allgemeinen keine starren Materialien sind, je größer der Abstand zwischen Extruder und Hotend ist, desto größer ist die Kompression des Filaments erforderlich, um einen ausreichenden Druck an der Düse zu erreichen. Dies macht auch die Rückzugdistanz, die erforderlich ist, um diesen Druck freizugeben, größer. Deshalb liegen die Rückzugdistanzen bei direkten Systemen normalerweise zwischen 0,8 mm und 2 mm, während sie bei Bowden-Extrusionssystemen Werte von 5 oder 6 mm erreichen können.

Die Verwendung von geringen Rückzugswerten hat wichtige Vorteile. Einerseits sind die Rückzugszeiten kürzer, was bei Teilen, die viele Rückzüge erfordern, eine signifikante Reduzierung der Druckzeit bedeuten kann. Andererseits minimiert eine geringe Rückzugsentfernung das Risiko, dass der geschmolzene Teil des Filaments die kalte Zone des Hotends erreicht und so ein Verstopfen verursacht, indem er sich ausdehnt und erstarrt.

Es ist dieser letzte Faktor, der dazu führt, dass Bowden-Extruder eine komplexere und genauere Rückzugs-Kalibrierung erfordern, da es einen sehr kleinen Spielraum zwischen einem zu niedrigen Rückzugswert gibt, der zu Verschmierungen oder Fädenbildung führt, und einem zu hohen Wert, der eine Verstopfung verursacht.

Flexible Filamente

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

In Bowden-Systemen wird das Filament vom Extruder zum Hotend durch ein Rohr geführt, normalerweise aus Teflon. Obwohl der ideale Innendurchmesser des Rohrs derselbe sein sollte wie der des Filaments, ist dies in der Praxis nicht machbar, sowohl aufgrund kleiner Durchmesserabweichungen aufgrund von Fertigungstoleranzen als auch der hohen Reibungskräfte, die erzeugt würden. Deshalb haben alle Bowden-Rohre etwas Spiel, und obwohl dies bei den meisten Materialien kein Problem darstellt, ist es bei flexiblen Rohren der Fall.

Bild 5: Biegung des Filaments innerhalb eines Bowden-Rohrs. Quelle: E3D.com

Aufgrund ihrer hohen Flexibilität tendieren Materialien wie TPU und TPE dazu, sich innerhalb des Bowden-Rohrs zu biegen und Zugkräfte vom Extruder auf die Rohrwände umzuleiten. Dies macht es sehr schwierig, einen konstanten Druck auf die Düse zu erreichen, um eine korrekte Extrusion zu gewährleisten.

Darüber hinaus ist bei flexiblen Materialien die Kompression des Filaments, die erforderlich ist, um den erforderlichen Druck in der Düse zu erreichen, wesentlich größer als im Fall anderer Materialien wie PLA, was in vielen Fällen die Notwendigkeit eines übermäßig großen Rückzugabstands verursacht.

Trotz all dem können mit etwas Erfahrung jene flexiblen Materialien höherer Härte in Bowden-Systemen gedruckt werden, insbesondere wenn sie im Format von 2,85 mm oder 3 mm verwendet werden, die Verwendung von Rückzügen vermieden wird und ein hochwertiges und enges Bowden-Rohr wie das Capricorn XS verwendet wird.

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

Ohne Zweifel ist das ideale System für die Arbeit mit flexiblen Materialien die direkte Extrusion. Der kurze Weg zwischen Extruder und Hotend minimiert die Kompression des Filaments und ermöglicht es, dass es enger sitzt, wodurch verhindert wird, dass es sich im Inneren biegt. Diese sogenannten kompakten Extruder, wie der Titan Aero oder besonders der E3D Hemera, ermöglichen es, alle Arten von flexiblen Materialien auf einfache Weise und mit hoher Druckqualität zu verwenden.

Inertien

Trotz der Tatsache, dass sowohl in Bezug auf Schrumpfung als auch auf den Einsatz von flexiblen Filamenten direkte Extrusionssysteme siegreich sind, gibt es eine Eigenschaft, in der sich Bowden-Systeme auszeichnen und die für bestimmte Anwendungen von großer Bedeutung sein kann: Trägheiten.

Einer der grundlegenden Druckparameter ist die Geschwindigkeit. Und obwohl viele Drucker Geschwindigkeiten von bis zu 80 oder 100 mm/s ermöglichen, gibt es eine Schwelle, jenseits derer es unmöglich ist zu drucken, ohne die Teilequalität zu beeinträchtigen. Dies liegt daran, dass das Hotend nicht mit konstanter Geschwindigkeit bewegt werden kann, sondern jedes Mal, wenn es die Richtung ändert, muss es auf eine bestimmte Änderungsgeschwindigkeit abbremsen und dann wieder beschleunigen.

Dies geschieht aufgrund des ersten Newtonschen Gesetzes. Aufgrund der Masse, die das Hotend hat, hat es beim Bewegen eine bestimmte Trägheitskraft, die umso größer ist, je größer seine Masse oder Geschwindigkeit ist. Beim Ändern der Richtung wird die Trägheitskraft auf den Rest des Druckers übertragen, was Vibrationen und eine signifikante Präzisionsverluste verursacht. Um dies zu vermeiden, ist es vor der Richtungsänderung erforderlich, die Geschwindigkeit auf einen Wert zu reduzieren, der hauptsächlich von der Steifigkeit der Struktur des Druckers und dem Gewicht des Hotends abhängt. Eine weniger robuste und leichte Struktur bedeutet, dass niedrigere Richtungswechselgeschwindigkeiten und langsamere Beschleunigungs- und Verzögerungskurven verwendet werden müssen, da ihre Fähigkeit, Trägheiten aufzunehmen, geringer ist, was niedrigere Geschwindigkeiten und längere Druckzeiten bedeutet. Der einzige Weg, die Trägheit zu reduzieren, besteht darin, Geschwindigkeit oder Gewicht zu reduzieren.

Bild 7: Effekt von Vibrationen durch Trägheit auf die Druckqualität. Quelle: 2Dprinterwiki.com

Und hier spielen die Bowden-Systeme einen Vorteil aus. Indem der Extruder, der der schwerste Teil ist, fixiert wird und nur das Hotend bewegt wird, wird die Trägheit stark reduziert. Dies ermöglicht es 3D-Druckern mit Bowden-Systemen, deutlich höhere Druckgeschwindigkeiten als solche mit einem direkten System zu verwenden, ohne die Druckqualität zu beeinträchtigen.

Wahl zwischen einem Bowden-System und einem direkten

Die Wahl zwischen einem direkten System und Bowden hängt im Wesentlichen davon ab, ob die Druckgeschwindigkeit Vorrang hat oder die Vielseitigkeit und die Möglichkeit, neue Materialien zu verwenden.

Wenn Sie die meisten Teile in kürzester Zeit produzieren möchten und im Allgemeinen nur wenige Materialien und starre Materialien wie PLA oder PETG verwendet werden, ist ein Drucker mit dem Bowden-System die beste Lösung.

Andererseits, wenn die Priorität darin besteht, technische und elastische Materialien zu verwenden und die bestmögliche Qualität zu erzielen, auch wenn dadurch die Druckgeschwindigkeit beeinträchtigt wird, ist ein direktes Extrusionssystem die ideale Option.