Perfekte 3D-Drucke mit Simplify3D (eBook)

Dieses Kapitel beschreibt die technologische Basis und die Fachbegriffe des FFF-Verfahrens für die Anwendung von Simplify3D. Es wird nur kurz auf die Maschinen und die Kunststoffe eingegangen, um den Rahmen nicht zu sehr auszudehnen. Da die Kapitel 3 – 7 (Simplify3D Programmkomponenten und deren Bedienung) und Kapitel 8 (Druckparameter im Detail) auf diesem Kapitel aufbauen, ist es wichtig, die im Folgenden beschriebenen Technologiekenntnisse und Fachbegriffe zu kennen.

Die Basis der FFF-Technologie bildet das Aufschmelzen von Filament (Kunststoffdraht) in einer beheizten Düse und dem Auftragen der Schmelze in Fadenform auf den Drucktisch durch eine CNC-gesteuerte Mehrachsmaschine (Bild 2.1). Ein Druckteil entsteht aus diesen einzelnen Fäden, die in diesem Buch als Bahn bezeichnet werden. Diese Bahnen bilden die einzelnen Schichten, die aufeinander aufbauend aufgetragen werden und damit Schicht für Schicht die Druckteilgeometrie bilden. Durch die Verschweißung von bereits abgelegten Bahnen nebeneinander und Schichten übereinander wird der Kunststoff so zum soliden Kunststoffkörper verbunden. Beginnend mit der ersten Schicht wird jede Bahn mit einer Systematik aufgetragen, die verschiedene Elemente eines Druckkörpers betreffen. Dabei handelt es sich um eine feste Körperhülle, eine oft verwendete gitterartige Füllstruktur im Innern und Hilfselemente, die Überhänge stützen und weitere Aufgaben übernehmen.

Im Folgenden werden die technologiespezifischen Elemente und Begriffe erklärt, um die Basis für die dazu gehörigen Parametereinstellungen in Simplify3D zu bilden. Durch gezielten Einsatz der Parameter kann die Eigenschaft des Druckteils in vielen Details gezielt beeinflusst werden.

Das Kernelement des 3D-Druckers ist der Extruder, der aus dem zugeführten Kunststoffdraht (Filament) durch Aufschmelzen und Extrusion das Druckteil erzeugt. Dieser Druckkopf teilt sich auf in zwei Funktionsgruppen (Bild 2.2):

       den Filamentvorschub zur fein dosierten Zuführung des Filaments beim Druck,

       den Druckkopf mit den beheizten Düsen, die das Filament aufschmelzen und durch einen feinen Düsenauslass auf dem Drucktisch auftragen. Der Begriff Hotend bezeichnet im engeren Sinn nur den Heißbereich der Düse, im weiteren Sinn wird er häufig für den ganzen zuführenden Düsenbereich genutzt. In diesem Buch wird der Begriff Hotend nur in den Fällen genutzt, in dem nur der beheizte Bereich der Gesamtdüse angesprochen wird. Ansonsten wird die Gesamtdüse als Düse bezeichnet.

Durch den Filamentvorschub wird das Filament zuerst in den Kaltbereich und dann in den Schmelzbereich der Düse gefördert. Dieser beheizte Bereich wird als Hotend bezeichnet, in ihm findet das Aufschmelzen des thermoplastischen Kunststoffs statt. In Bild 2.3 ist der Aufbau einer Düse im Detail dargestellt. Der Kaltbereich führt das Filament in die Düse, dieses soll hier möglichst noch nicht angeschmolzen werden. Der Kaltbereich wird häufig aktiv gekühlt. Im Heißbereich entsteht die Kunststoffschmelze, die durch den Druck aus der Düse gefördert wird.

Der Düsendurchmesser des Düsenauslasses ist relativ klein (gängig sind Düsendurchmesser von 0,2 – 2 mm), sodass ein gewisser Druck notwendig ist, um die Kunststoffschmelze hindurchzupressen. Dieser Druck wird durch das Filament erzeugt, das wie ein Kolben wirkt, gleichzeitig aber selbst fortlaufend aufschmilzt. Damit diese Schmelze nicht unregelmäßig aus der Düse tropft, sondern mit einem gezielten und geregelten Volumenstrom aufgetragen werden kann, muss der Filamentvorschub möglichst genau geregelt werden.

Durch die exakte Steuerung der Filamentvorschublänge, die zum Fahrweg der Düse zugeordnet wird, entsteht auf dem Drucktisch eine Bahn mit einem fein dosierten Volumenstrom. So wird sichergestellt, dass die abgelegte Bahn eine genau definierte Breite und Höhe erhält.

Die Geometrie der Bahn ist zusätzlich definiert durch den Abstand der Düse zum Druckteil oder zum Drucktisch. Dieser Abstand der Düse zur darunterliegenden Schicht bildet die Schichthöhe. Die Düse presst sozusagen die Kunststoffschmelze in eine ovale Form zwischen Düsenspitze und darunter liegenden Schichten. Bild 2.4 stellt an zwei unterschiedlichen Schichthöhen dar, wie Schichthöhe und Extrusionsbreite durch den exakten Volumenstrom definiert werden.

Wird bei konstanter Schichthöhe der Volumenstrom erhöht, so wird die Extrusionsbreite größer. Die Schichthöhe wird in Simplify3D innerhalb des Druckteils konstant gehalten, sodass die Form und Breite der Bahn durch einen fein geregelten Volumenstrom bestimmt wird.

Die abgelegten Bahnen werden nebeneinander sukzessive miteinander verschweißt: Mit jeder neuen Bahn wird die angrenzende Bahn leicht aufgeschmolzen, wodurch sich die Bahnen verbinden und eine feste Schicht bilden. Durch die ovale Form der Bahn wird zusätzlich erreicht, dass die jeweiligen Bahnen eine größere Auflagefläche auf der darunter liegenden Schicht haben und sich so optimal mit dieser verschweißen können.

Genauso werden beim Auftragen neuer Bahnen auf die vorige Schicht die Schichten miteinander im Bereich der Bahn verschweißt. Wichtig sind für die Festigkeit dieser Verschweißung folgende Punkte:

       Der Wärmeeintrag durch die neu aufgeschmolzene Bahn stellt die Verschweißung her. Wird mit eher kühlen Temperaturen aufgeschmolzen, ist die Verschweißung schwächer als mit höheren Düsentemperaturen.

       Wird ein großes Volumen aufgetragen, so wird mehr Wärme und damit Energie für die Verschweißung eingebracht.

       Auch zu starke Druckkühlung führt zu einer geringeren Lagenverschweißung und Festigkeit.

Der wichtigste Faktor für gute 3D-Druckergebnisse liegt in der korrekten Kalibrierung der Extrusionsbreite und einem sehr präzisen Filamentvorschub. Wie oben beschrieben, fördert der Filamentvorschub genau die Länge an Filament in die Düse, die dem Volumen der Bahn für den gleichzeitigen Fahrweg entspricht. Der enthaltene Korrekturfaktor Extrusions-Multiplikator dient der Feinjustierung der Ist-Breite der Bahn in Abgleich mit der als Zielwert eingestellten Extrusionsbreite. Die Kalibrierung des Extrusions-Multiplikators wird in Abschnitt 9.8 beschrieben.

Bild 2.5 stellt in der Mitte die korrekte Einstellung des Multiplikators dar: Die Außenabmessungen entsprechen mit dieser Einstellung den Sollwerten, damit ist Maßhaltigkeit erreicht. Im Inneren berühren sich die Bahnen für gute Verschweißung (hier kommen häufig noch Überlappungsfaktoren hinzu für bessere Bahnverschweißung). Die obere Darstellung im Bild zeigt einen zu kleinen Extrusions-Multiplikator, damit ist sowohl die Außenabmessung zu klein als auch die Bahnverschweißung im Inneren mangelhaft. Dies wird auch als Unterextrusion bezeichnet. Die unterste Darstellung zeigt Überextrusion: Durch den zu großen Volumenstrom werden die Außenabmessungen des Druckteils zu groß. Im Innern bilden sich durch die Überextrusion Überstände durch überquellendes Material, die neben der unschönen Oberfläche auch zu Lagenversatz durch Hängenbleiben der Düse führen können.

Sinnvolle Werte der Schichthöhen und der Extrusionsbreiten werden in Abschnitt 2.9 beschrieben.