Innovative Projekte   

auf www.florianschiele.de     

3D-Drucker

Einen 3D-Drucker kann als Gegensatz zu einer CNC-Fräse angesehen werden. Das Material wird Schicht für Schicht aufgetragen. So ist die Fertigung von klomplexen 3D-Modellen aus Kunststoff auch mit Hinterschneidungen und Hohlräumen möglich.

Ein Nachteil besteht in der Einschränkung der zu druckenden Materialien. Hier beschränkt man sich auf einige Thermoplaste. Das am einfachsten zu druckende Material ist Polylactide (PLA). Leider ist dieser Kunststoff nicht witterungsbeständig und eine weitere zerspanende Nachbearbeitung wegen der niedrigen Schmelztemperatur nur schwer möglich.

Als ernst zu nehmender Kunstoff hat sich Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat (ABS) herausgestellt. Dieser Kunstoff lässt sich in der Nachbearbeitung hervorragend drehen, fräsen und schleifen. Die Oberfläche ist außerdem gut lackierbar und witterungsbeständig.

Da ich bisher das 3D drucken eher als amateurhaftes gebastel in Sachen Maßhaltigkeit und Festigkeit abgetan habe, musste ich mich vorab mit wenig Material- und Finanzeinsatz von der Verfahrensweise überzeugen.

Die Ersten Versuche mit einem gekauften Extruder an meiner CNC-Fräse

Für diese einfache "hingeschluderte" mechanische Erweiterung der Fräse und ein wenig entwickelte Software sind die erzielten Ergebnisse schon ganz ok. Das ist auf jeden Fall ein ausbaufähiges Konzept, welches sich in vielen Details optimieren lässt. Man muss es nur richtig machen. Das Projekt 3D-Drucker kann starten!

Entwurf der Komponenten des Druckers im CAD


Extruder

Der Extruder ist ein Antrieb, der den zu druckenden Roh-Kunststoff in Form eines Filaments zum Hotend transportiert. Die genaue Dosierung ist obligatorisch um ein sauberes und stabiles Druckergebnis zu erzielen.
Einige der Bauteile werden mit dem Testaufbau "3D-Druckkopf an der CNC-Fräse" hergestellt.

Hotend


Eine der komplizierteren Entwicklungen ist das Hotend. Es ist für die Erwärmung des Filaments zuständig. Das Filament, wird über einen Heizwiderstand erwärmt und verflüssigt. Die Thermoeigenschaften des Hotends wirken sich auf die Genauigkeit der Temperaturregelstrecke aus. Die Einhaltung der Filament-Temperatur ist wichtig für ein exaktes Druckergebnis.
Der Heizblock wird aus Aluminium gefräst. Aluminium besitzt eine gute Wärmeleitfähigkeit, die für die Anwendung als Hotend obligatorisch ist. Als Heizwiderstand dient ein standard Keramik-Leistungswiderstand. Im Gegensatz zu anderen Hotend-Produkten, wird durch den Einsatz von Standardkomponenten eine erhebliche Preisersparnis erzielt. Die Temperaturmessung ist mit einem Platin-Sensor realisiert. Dieser ist nazu linear. Die Befestigung am Druckkopf erfolgt mit einer aufgebohrten Gewindestange aus Edelstahl. Wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit von Edelstahl, wird eine gute Isolation zwischen Heizblock und Druckkopf erreicht. Das Filament wird durch einen in die Gewindestange eingesetzten Teflon-Schlauch geführt.


Druckbett

Auf dem Druckbett wird schichtweise der Kunststoff aufgetragen. Die Oberfläche muss orthogonal zum Hotend ausgerichtet sein. Die erste Schicht eines 3D-Drucks ist knifflig. Hier ist ein konstanter Abstand zwischen Hotend und Druckbettoberfläche Voraussetzung für eine gleichmäßige und kontrollierte Schichtdicke. Das Druckbett wird aus Aluminium mit der CNC-Fräse ausgeschnitten. Anschließend wird es plangefräst und geschliffen. Die richtige Beschichtung eines 3D-Druckbetts gibt Stoff für weitreichende Diskussion in der Expertenszene der Konstrukteure. Von Glasplatten über Carbon-Epoxid-Verbundstoff bis hin zu Klebebändern wird viel experimentiert. Ich habe auch einige Materialien getestet. Als dauerhafte Druckoberfläche hat sich eine Laserdruckfolie, die mit L287 Epoxidharz auf eine plangefräste Aluminiumplatte aufgetragen wird als optimal erwiesen. Die Druckplatte wird mit einer Heizung auf 120 Grad Celsius bei ABS und 80 Grad Celsius bei PLA erwärmt. Dies fördert die Haftung des ersten Layer und verhindert ein Verziehen durch Spannungen im gedruckten Kunststoff.

Gehäuse und Positioniermechanik