Geschwindigkeiten und Beschleunigungen im 3D-Druck

Die richtige Konfiguration der Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparameter ist grundlegend. Die maximale Druckgeschwindigkeit ist in der Regel effektiv begrenzt durch die maximale volumetrische Durchflussrate, die der Hotend liefern kann, während es keine genaue Grenze für die Kopfbewegungsgeschwindigkeit gibt, aber höhere Geschwindigkeiten und Beschleunigungen neigen dazu, die Druckqualität zu verringern.

Geschwindigkeits- und Beschleunigungsparameter

Gerade Bewegungen auf den Achsen bestehen aus drei Phasen:

• Beschleunigung von der Richtungswechselgeschwindigkeit zur maximalen Geschwindigkeit.

• Fahrt mit konstanter maximaler Geschwindigkeit

• Abbremsung zur Richtungswechselgeschwindigkeit.

Deshalb gibt es drei Parameter, die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen definieren bei der Bewegung eines FFF-3D-Druckers für jede der 4 Achsen (X, Y, Z, E). Diese Parameter sind maximale Geschwindigkeit, Beschleunigung und Richtungswechselgeschwindigkeit (Ruck).

Maximale Geschwindigkeit: Maximale Geschwindigkeit, mit der sich der Kopf auf jeder Achse bewegen kann. In der Regel im Slicer konfiguriert und kann für jedes Teilelement unterschiedlich sein.

Richtungswechselgeschwindigkeit: In der Regel direkt im Firmware konfiguriert und für jede Achse normalerweise konstant. Es ist die maximale Geschwindigkeit, die vor einem Richtungswechsel erlaubt ist.

Beschleunigung: Es ist der Beschleunigungswert, der angewendet wird, um den Übergang von der Richtungswechselgeschwindigkeit zur maximalen Geschwindigkeit und umgekehrt zu bewirken. In der Regel im Firmware konfiguriert und für jede Achse normalerweise konstant.

Obwohl es im Allgemeinen als Auswirkung auf die Qualität des Druckstücks angesehen wird, sind die Parameter, die in diesem Sinne den größten Einfluss haben, Beschleunigung und Richtungswechselgeschwindigkeit, da hohe Verzögerungen und Richtungswechselgeschwindigkeiten die Energie des Kopfes schneller an die Struktur des Druckers übertragen, was Vibrationen und mögliche Schrittausfälle des Motors verursachen kann.

Dies bedeutet jedoch nicht, dass die Druckgeschwindigkeit selbst keinen Einfluss hat. Je höher die Geschwindigkeit, desto größer der lineare Impuls des Kopfes und daher wird mehr Energie bei der Abbremsung und beim Richtungswechsel dissipiert, sodass hohe Druckgeschwindigkeiten auch die Druckqualität beeinflussen werden.

Geschwindigkeitskonfiguration

Im Allgemeinen enthalten Hersteller in der Regel korrekte Beschleunigungs- und Richtungswechselgeschwindigkeitskonfigurationen im Firmware ihrer Geräte, daher wird nicht empfohlen, diese zu ändern. Die häufigste Konfiguration basiert auf der Anpassung der Druckgeschwindigkeit in der Slicing-Software.

Derzeit erlauben die meisten Slicing-Softwaretools die Änderung des Geschwindigkeitswerts für die verschiedenen Teile des Druckstücks. Dies ist ein wichtiger Vorteil, wenn es darum geht, Druckzeiten zu optimieren, da nicht alle Bereiche des Stücks die gleiche Druckqualität erfordern. Die häufigsten Elemente, auf denen die Druckgeschwindigkeit geändert werden kann, sind:

• Umrisse: Große Defekte in internen Umrissen können sich auf der Oberfläche des Stücks widerspiegeln. Deshalb werden in der Regel mittlere Werte im Vergleich zu denen in externen Umrissen und Füllungen verwendet.

• Externe Umrisslinien: Zusammen mit der ersten und letzten Schicht ist es der sichtbare Teil des Stücks. Es wird empfohlen, mittlere oder niedrige Geschwindigkeiten zu verwenden, um ein gutes Finish zu gewährleisten. Im Allgemeinen wird die Druckgeschwindigkeit um 25% bis 50% reduziert.

• Füllung: In der Regel wird maximale Geschwindigkeit verwendet, da Mängel oder Vibrationen, die in diesem Bereich auftreten, normalerweise außerhalb des Stücks nicht sichtbar sind. Bei der Verwendung sehr hoher Füllgeschwindigkeiten wird empfohlen, niedrige Füllüberlappungswerte (10% - 15%) zu verwenden.

• Vollfüllung: Wie bei der Füllung wird normalerweise maximale Geschwindigkeit verwendet, da Mängel normalerweise nicht die Qualität des Stücks beeinträchtigen.

• Erste Schicht: Um eine gute Haftung an der Druckplatte sicherzustellen, werden für die erste Schicht normalerweise sehr niedrige Geschwindigkeiten verwendet. Es ist am häufigsten, 20 mm/s nicht zu überschreiten.

• Letzte Schicht: Wie im Fall externer Umrisse wird normalerweise eine Geschwindigkeitsreduktion zwischen 25% und 50% verwendet, um eine gute Qualität sicherzustellen.

• Stützmaterial: Die Geschwindigkeit hängt weitgehend davon ab, ob lösliches Material verwendet wird oder ob die Stützen aus dem gleichen Material wie das Stück hergestellt sind. Im Allgemeinen werden auf Stützen leicht niedrigere Geschwindigkeiten verwendet, da ihre geringe Dichte das Risiko eines Versagens birgt. Lösliche Materialien erfordern aufgrund ihrer geringen Haftung normalerweise niedrigere Geschwindigkeiten.

• Brücken: Um die Qualität von Überhängen in Brücken zu verbessern, werden normalerweise hohe Geschwindigkeiten ausgewählt. Übliche Werte liegen bei 110% oder 120%.

Unten sind einige sichere Werte für Drucker mit leichten und schweren Köpfen aufgeführt.

Je nachdem, wie stabil die Struktur des 3D-Druckers ist, können höhere Geschwindigkeiten verwendet werden.

Beschränkungen basierend auf der Größe und Geometrie des Stücks

Es ist möglich, dass bei einigen Stücken die maximale Geschwindigkeit nicht verwendet werden kann. Dies liegt daran, dass bei kurzen Fahrten möglicherweise eine Abbremsung erforderlich ist, bevor die maximale Geschwindigkeit erreicht wird. Dies tritt hauptsächlich in Konfigurationen mit sehr niedrigen Beschleunigungswerten und kleinen Stücken mit komplexen Geometrien auf. In diesen Fällen besteht in der Regel ein erheblicher Unterschied zwischen der geschätzten Druckzeit durch die Slicing-Software und der tatsächlichen Druckzeit.

Bild 1: Beschleunigungs-, konstante Geschwindigkeits- und Abbremsprofile für kurze und lange Fahrten. Quelle: Filament2print.com

Probleme, die sich aus einer schlechten Anpassung von Geschwindigkeiten oder Beschleunigungen ergeben

Im Allgemeinen führen niedrige Geschwindigkeiten in der Regel nicht zu Problemen, abgesehen von übermäßig langen Druckzeiten. Nur wenn die Geschwindigkeiten übermäßig niedrig sind (5-10 mm/s) können Probleme mit inkonsistenter Extrusion auftreten aufgrund der niedrigen Geschwindigkeit des Extrudermotors, der nicht in der Lage ist, einen konstanten Fluss bereitzustellen. Bei diesen Extrudern, die Getriebe mit Untersetzung enthalten, tritt dieses Problem nicht auf.

Allerdings sind hohe Geschwindigkeiten oft die Ursache von Problemen:

• Vibrationen: Eines der häufigsten Probleme ist das Auftreten von Vibrationen. Diese Vibrationen zeigen sich in der Regel in Wellenmustern auf der Oberfläche des Stücks, normalerweise um die Kanten herum.

Bild 2: Muster auf der Oberfläche eines Stücks durch Vibrationen im Drucker. Quelle: Simplify3D.com

• Schrittausfälle des Motors: Die Kombination aus hohen Geschwindigkeiten zusammen mit Motoren, die mit niedrigen Strömen betrieben werden, kann Schrittausfälle des Motors verursachen, die sich in dimensionalen Fehlern des Stücks oder Schichtverschiebungen widerspiegeln.

Bild 3: Stück mit Schichtverschiebung. Quelle: Zortrax.com

• Lösen des Stücks von der Basis: Hohe Geschwindigkeiten sind auch eine der häufigsten Ursachen für das Ablösen des Stücks oder der Stützen von der Basis. Dies kann durch Vibrationen, Düsenreibung am Stück oder eine Kombination aus beidem verursacht werden.

• Verbinden von Füllungen und Umrisse und Schließung des Umfangs: Hohe Druck- oder Richtungswechselgeschwindigkeiten können zu einer schlechten Haftung zwischen der Füllung und den Umrissen führen oder verhindern, dass der Umfang richtig geschlossen wird, indem sie eine schlechte Haftung der Endabschnitte der finalen Linie erzeugen. Dieses Phänomen tritt häufiger in der ersten Schicht auf.

Hinweis: Diese Anleitung behandelt Konzepte in allgemeiner Weise, ohne sich auf eine bestimmte Marke oder ein bestimmtes Modell zu konzentrieren, obwohl sie möglicherweise an einigen Stellen erwähnt werden. Es können erhebliche Unterschiede in den Kalibrierungs- oder Einstellverfahren zwischen verschiedenen Marken und Modellen bestehen. Es wird daher empfohlen, das Handbuch des Herstellers zu konsultieren, bevor Sie diese Anleitung lesen.