Hochgeschwindigkeits-3D-Druck

In den letzten Monaten ist das Konzept des Hochgeschwindigkeits-FFF-3D-Drucks dank der Einführung des Hyper-FFF-Kits für die Pro3-Serie von Raise3D und in der Folge der Hochgeschwindigkeitsdruckfähigkeiten einiger neuer Modelle wie dem Bambulab X1, dem Ankermake M5 oder den kürzlich vorgestellten Prusa MK4 und Creality K1 sehr populär geworden.

Diese neuen Drucker versprechen eine bis zu fünfmal höhere Druckgeschwindigkeit ohne Beeinträchtigung der Teilequalität, aber wie viel ist Realität und wie viel ist Marketing?

Zunächst einmal muss man die Grenzen und Probleme verstehen, die beim Hochgeschwindigkeitsdruck auftreten.

Grenzen des 3D-Hochgeschwindigkeitsdrucks

The concept of high-speed FFF 3D printing generally refers to desktop 3D printers. This is because these printers, due to their cost and compact construction, are more susceptible to vibrations due to movement and their heads, which are more compact than those of industrial equipment, are not prepared to extrude high volumetric flow rates. This is why the maximum speed that an FFF 3D printer can accept depends on three factors:

Das Konzept des Hochgeschwindigkeits-FFF-3D-Drucks bezieht sich im Allgemeinen auf Desktop-3D-Drucker. Das liegt daran, dass diese Drucker aufgrund ihrer Kosten und ihrer kompakten Bauweise anfälliger für Vibrationen durch Bewegungen sind und ihre Köpfe, die kompakter sind als die von Industriegeräten, nicht für hohe Volumenströme ausgelegt sind. Aus diesem Grund hängt die maximale Geschwindigkeit, die ein FFF-3D-Drucker zulässt, von drei Faktoren ab:

• Der Verlust an Präzision und Qualität, der durch die Vibrationen der Struktur verursacht wird.
• Der maximale Volumendurchsatz, den der Druckkopf extrudieren kann.
• Das thermische Verhalten des Druckmaterials.

Bild 1: Industrieller FFF-3D-Drucker (links) und Desktop-FFF-3D-Drucker (rechts). Quelle: Raise3D.

Vibrationen und ihre Auswirkungen auf die Druckqualität

Mit zunehmender Spindeldrehzahl und -beschleunigung steigen auch die auf die Struktur übertragenen Trägheiten und damit die Vibrationen. Bei niedrigen Geschwindigkeiten sind die Druckerstrukturen in der Lage, Schwingungen zu absorbieren und zu dämpfen, doch mit steigenden Geschwindigkeits- und Beschleunigungswerten steigt das Risiko eines Resonanzphänomens. Sobald die Struktur in Resonanz gerät, beginnt sie mit einer bestimmten, für jeden Drucker charakteristischen Frequenz zu schwingen.

Diese Vibration wird während der Bewegung auf die Spindel übertragen, was zwei Folgen hat:

• Verlust der Positioniergenauigkeit.
• Das Auftreten eines Wellenmusters auf der Oberfläche des Werkstücks.

Je nach Steifigkeit der Struktur variieren Frequenz und Amplitude der Schwingungen. Stabilere Strukturen haben höhere Resonanzfrequenzen und geringere Amplituden, was zu geringeren Genauigkeitsverlusten und weniger sichtbaren Auswirkungen auf die Oberfläche des Teils führt.

Bild 2: Muster, das durch Resonanz auf der Oberfläche eines Teils entsteht. Quelle: simplify3D.com.

Die gängigste Methode, dieses Problem bei Desktop-FFF-3D-Druckern zu lösen, basierte auf der Entwicklung mechanisch stabilerer Strukturen, bis Klipper, eine kostenlose Firmware-Alternative zu Marlin, eine Methode zur Resonanzkompensation implementierte, die auf der Schwingungssteuerungsmethode "Input Shaping" basiert. Bei dieser softwarebasierten Methode wird, sobald die Schwingungsfrequenz bekannt ist, eine Folge von Impulsen an die Motoren gesendet, die die Spindel in einem zur Resonanz umgekehrten Muster schwingen lassen und so die Spindelschwingungen während der Bewegung auslöschen. Diese Methode ähnelt derjenigen, die zum Beispiel bei Kopfhörern mit Geräuschunterdrückung oder optischen Stabilisatoren verwendet wird.

Video 1: Beispiel für die Schwingungskompensation mit der Input-Shaping-Methode. Quelle: ACS Motion Control.

Begrenzung des Extrusionsvolumenstroms

Eine weitere wichtige Einschränkung beim Hochgeschwindigkeitsdruck ist die maximale Kapazität einer Düse zum Schmelzen und Extrudieren von Kunststoff. Dieses Konzept, das als maximale volumetrische Geschwindigkeit bezeichnet wird, ist ein spezifischer Parameter für jedes Hotend und variiert je nach verwendetem Material. Die maximale volumetrische Geschwindigkeit hängt von drei Variablen ab:

• Düsendurchmesser
• Die Schichthöhe
• Maximale Druckgeschwindigkeit

Entsprechend dem folgenden Verhältnis:

Daher wird bei einem bestimmten Drucker die maximale Druckgeschwindigkeit auch durch die maximale volumetrische Geschwindigkeitscharakteristik seines Extruders gemäß dem folgenden Verhältnis begrenzt:

Die übliche maximale Volumengeschwindigkeit eines Desktop-Druckers beim Drucken von ABS liegt bei etwa 10 mm³/s, was bedeutet, dass die theoretische Höchstgeschwindigkeit, mit der ABS mit der Standardkonfiguration auf der Grundlage einer Schichthöhe von 0,2 mm und einer Düse von 0,4 mm erfolgreich gedruckt werden könnte, nur 125 mm/s betragen würde. Wenn wir auch eine andere gängige Konfiguration wie eine 0,6-mm-Düse und eine Schichthöhe von 0,3 mm verwenden, würde die maximale Druckgeschwindigkeit auf 55 mm/s sinken. Bei höheren Geschwindigkeiten wäre das Risiko einer fehlenden Extrusion und einer Delaminierung der Schichten groß.

Bild 3: Volcano Hotend, mit einem größeren Schmelzbereich als bei herkömmlichen Hotends. Quelle: e3d-online.com.

Um die maximale volumetrische Geschwindigkeit zu erhöhen, wurden neue Hotend- und Düsendesigns entwickelt. So können die Volcano-Hotends von E3D die maximale volumetrische Geschwindigkeit um etwa 70 % erhöhen, während die CHT-Düsen von Bondtech die maximale volumetrische Geschwindigkeit um 30 % erhöhen können, ohne dass das Hotend verändert werden muss.

Video 2: Bondtech CHT-Düse im Vergleich zu einer herkömmlichen V6-Düse. Quelle: Bondtech.

Materialeigenschaften

Der letzte wichtige Punkt beim Hochgeschwindigkeitsdruck ist das verwendete Material. Wie im vorangegangenen Abschnitt erläutert, hängt die maximale volumetrische Geschwindigkeit nicht nur von der Konstruktion des Hotends, sondern auch vom verwendeten Material ab. Auf einem Desktop-Drucker wird die maximale volumetrische Geschwindigkeit mit PLA (ca. 15 mm³/s) erreicht, während andere Materialien wie ABS, ASA oder PETg auf eine maximale Geschwindigkeit von 10 mm³/s begrenzt sind. Es gibt auch einige Materialien wie TPU oder TPE, bei denen es schwierig sein kann, eine Volumengeschwindigkeit von 3-5 mm³/s zu erreichen.

Deshalb ist die Entwicklung spezieller Kunststoffe für den Hochgeschwindigkeitsdruck in Kombination mit neuen Hotend-Konstruktionen von entscheidender Bedeutung, um die Vorteile des 3D-Hochgeschwindigkeits-FFF-Drucks voll auszuschöpfen.

Bild 4: Gewöhnliches kohlenstofffaserverstärktes Filament (links) im Vergleich zu Raise3Ds Hypercore-Technologie-Filament. Quelle: Raise3D.

Hochgeschwindigkeits-Implementierungen in kommerziellen Druckern

Wie eingangs erwähnt, begann das Interesse an der Implementierung von Hochgeschwindigkeits-FFF-3D-Drucksystemen auf Desktop-Druckern mit der Popularisierung der kostenlosen Klipper-Firmware, die jedoch aufgrund der Art dieses Projekts nur in der Maker-Umgebung verfügbar war. Der erste Hersteller, der ein professionelles Hochgeschwindigkeitssystem für seine Drucker entwickelt hat, war das renommierte Unternehmen Raise3D mit der Einführung des Hyper FFF Kit für die Pro3-Serie.

Video 3: Vergleich von Raise Pro3 mit Hyper FFF mit dem Standard-Raise Pro3. Quelle: Raise3D.

Das Hyper FFF-System ist das erste, das einen umfassenden Ansatz bietet, der alle drei der oben genannten Einschränkungen zusammen berücksichtigt:

Resonanz-Kompensation: Die Hyper FFF-Firmware für die Pro3-Serie implementiert ein Input-Shaping-Resonanzkompensationssystem, ähnlich dem in Klipper verwendeten. Zur Bestimmung der Resonanzfrequenzen in X und Y enthält der Hyper FFF-Bausatz einen Kalibrierkopf, der mit einem hochpräzisen Beschleunigungsmesser ausgestattet ist. In Verbindung mit einer hochstabilen Struktur, die im Laufe der Jahre seit der N2-Serie optimiert wurde, garantiert dies eine präzise Resonanzkompensation bei jeder Geschwindigkeit.

Maximale volumetrische Geschwindigkeit: Das Raise3D Hyper FFF Kit enthält zwei neue, überarbeitete Hotends, die die maximale volumetrische Geschwindigkeit um bis zu 200% gegenüber dem ursprünglichen Hotend erhöhen.

An den Hochgeschwindigkeitsdruck angepasste Materialien: Raise3D hat in Verbindung mit dem FFF-Kit eine neue Serie von Hyperspeed Filamenten entwickelt, mit denen die maximale volumetrische Geschwindigkeit im Vergleich zu Standardmaterialien um bis zu 50% erhöht werden kann. Darüber hinaus garantiert die neue Linie der Hyper Core Verbundwerkstoffe maximale mechanische Eigenschaften beim Hochgeschwindigkeitsdruck.

Bild 5: Hyper-FFF-Kit für Raise3D Pro3. Quelle: Raise3D.

Dieser globale Ansatz ermöglicht Druckgeschwindigkeiten, die 3 bis 5 Mal höher sind als die eines Standard-Desktop-Druckers, ohne die ästhetische Qualität der Teile oder ihr mechanisches Verhalten zu beeinträchtigen.

Nach Raise3D haben mehrere Hersteller auf die eine oder andere Weise Hochgeschwindigkeits-FFF-3D-Drucksysteme eingeführt. Vor kurzem hat Prusa das neue Prusa MK4 vorgestellt, das ein Hochgeschwindigkeitsdrucksystem enthält. Dieses System basiert auf einer Implementierung des Klipper-Moduls in Marlin. In Verbindung mit dem neuen Hotend, das im Vergleich zum ursprünglichen V6 eine größere Fixierfläche bietet, kann die Druckgeschwindigkeit um 150 % bis 200 % erhöht werden. Was die Bestimmung der Resonanzfrequenzen anbelangt, so enthält der Drucker vom Hersteller festgelegte generische Werte in der Firmware. Dies kann zwar effektiv sein, ist aber die ungenaueste Methode der Kalibrierung. Nach Angaben des Herstellers verfügt der MK4 über einen speziellen Anschluss für einen Beschleunigungsmesser, obwohl nicht bekannt ist, ob dieser in Zukunft für die tatsächliche Kalibrierung verwendet werden kann.

Bild 6: Prusa MK4. Quelle: Prusa3d.com.

Gleichzeitig haben einige bekannte chinesische Hersteller wie Creality, Ankermake oder Bambulab Modelle für den professionellen Bereich vorgestellt, die den FFF-3D-Druck mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen. Dabei handelt es sich um Drucker, die direkt angepasste Versionen von Klipper implementieren. Gerade diese Hersteller werben mit höheren Geschwindigkeiten und bieten maximale Volumengeschwindigkeiten von bis zu 32 mm³/s und Druckgeschwindigkeiten von bis zu 600 mm/s. Obwohl die Implementierung von Klipper und der Einbau von neuen Hotends höhere Druckgeschwindigkeiten garantieren, sind die angegebenen Werte nicht realistisch und lediglich eine Marketingstrategie. Zunächst einmal sind bekannte High-Flow-Systeme wie das E3D Volcano System in der Lage, unter Standardbedingungen (0,4 mm Düse und 0,2 mm Schichthöhe) maximale Volumengeschwindigkeiten von 20 mm³/s mit PLA zu erreichen. Nur einige spezielle Konfigurationen wie die E3D Supervolcano Hotends können ähnliche Werte wie die beworbenen garantieren. Aber selbst wenn diese Drucker eine maximale Volumengeschwindigkeit von 32 mm³/s garantieren könnten, wäre die maximale Druckgeschwindigkeit unter Standardbedingungen auf 400 mm/s begrenzt, wie aus der Formel zwischen Druckgeschwindigkeit und maximaler Volumengeschwindigkeit hervorgeht. Diese Grenze ist weit von den beworbenen Werten von 600 mm/s entfernt.

Bild 7: Werbebanner für einen Hochgeschwindigkeitsdrucker. Quelle: Creality.com.

Schlussfolgerung

Der Hochgeschwindigkeits-FFF-3D-Druck ist eine Revolution, die verspricht, eines der größten Handicaps des Druckens zu minimieren, indem die Produktivität dieser Technologie erhöht wird. Es handelt sich jedoch um ein komplexes Verfahren, das einen umfassenden Ansatz erfordert, der über die Resonanzkompensation hinausgeht. Es erfordert auch die Entwicklung von Hotends, die in der Lage sind, hohe volumetrische Geschwindigkeiten zusammen mit neuen Materialrezepturen zu garantieren, um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, ohne die Endbearbeitung und die endgültigen Eigenschaften des Teils zu beeinträchtigen. Dies ist besonders kritisch bei technischen Materialien wie Verbundwerkstoffen, für die bisher nur das Raise3D-System technische Materialien enthält, die für hohe Geschwindigkeiten optimiert sind.

Was die heute erreichbaren Höchstgeschwindigkeiten angeht, so liegen die realistischsten Werte bei Druckern mit Resonanzkompensation und optimierten Hotends bei etwa 150-200 mm/s. Diese Werte entsprechen den für den Prusa Mk4 beworbenen Werten, sind aber weit von den von anderen Marken beworbenen Werten entfernt. Bei der Verwendung spezieller Materialien für hohe Geschwindigkeiten könnte der Anstieg bis zu 250-300 mm/s betragen. Das bedeutet nicht, dass es nicht möglich ist, höhere Geschwindigkeiten zu erreichen, ohne dass Geisterbilder oder Ringelungen auf dem Teil auftreten, aber die endgültigen Eigenschaften und das mechanische Verhalten des Teils werden durch das Auftreten von Defekten oder eine geringe Haftung zwischen den Schichten beeinträchtigt.