FFF-3D-Drucker erstellen Teile, indem sie Materialschichten quer zu einer Schicht extrudieren. Die Eigenschaften eines jeden Druckers – seine Zusammensetzung und die Qualität seiner Komponenten, seine Konstruktionsmöglichkeiten – beeinflussen die Qualität und den Umfang der Teile, die er herstellen kann.

Die Teile eines Druckers
Während FFF-Drucker in Größe, Material und Funktion variieren, verfügen sie fast alle über drei verschiedene elektromechanische Systeme. Die Funktion dieser Systeme bestimmt Ihre Druckqualität.

Die wesentlichen Bauteile eines 3D-Druckers, beschriftet.

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Druckkopf und Extrusionssystem: Das System, das das thermoplastische Druckmaterial durch eine Düse erwärmt und extrudiert, um das Teil zu formen. Faktoren wie Düsengröße und Extrusionsgeschwindigkeit beeinflussen den Detaillierungsgrad, den der Drucker erreichen kann, sowie die Druckgeschwindigkeit.

Druckbett und Z-Bewegungssystem: Das Druckkopf- und Extrusionssystem legt Material auf dem Druckbett ab. Beim Drucken eines Teils bewegt das Z-Bewegungssystem das Bett in diskreten, gleichen Schritten, um die Schichten des Teils zu bilden. Die Präzision der Motoren, die das Z-Bewegungssystem antreiben, steuert die Auflösung und Qualität des Teils, wenn es in Z-Richtung aufgebaut wird.

XY-Portalbewegungssystem: Das Druckportal steuert die X- und Y-Bewegung des Druckkopfs direkt. Es ist für das „Zeichnen“ der Werkzeugpfade verantwortlich, mit denen die einzelnen Ebenen erstellt werden. Die Steifigkeit dieses Portals und die Qualität der Motoren und Sensoren, die es steuern, beeinflussen die Präzision und Genauigkeit eines Teils in der Ebene mit dem Druckbett.

Wie wird ein Teil aufgebaut?
Ein FFF-3D-Drucker baut seine Teile in separaten Schichten auf, die als Layer bezeichnet werden. Wie in unserer 3D-Drucksoftware-Übersicht beschrieben, nimmt der 3D-Druck-Slicer eine STL-Datei, teilt sie in Ebenen auf, berechnet diese und erstellt einen Werkzeugpfad für jede Ebene. Am Anfang jeder Schicht wird das Druckbett auf eine vorgegebene Höhe eingestellt, und das Gantry-Bewegungssystem bewegt den Druckkopf entlang der Werkzeugbahn, wenn das Extrusionssystem Material abscheidet.

Ein 3D-Drucker baut ein Teil auf, indem das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird.

Beim 3D-Druckprozess wird ein Teil Schicht für Schicht erstellt.
Da ein 3D-Drucker das Material nicht in die Luft auftragen kann müssen alle Schichten unten an der Schicht verbunden sein. Während dies für einige Teile direkt zutrifft, weisen andere Überhänge auf, die Unterstützung benötigen. Die Support-Struktur oder auch Trägermaterial – ist ein automatisch erzeugtes Support-Gerüst, das in verschiedenen Formen vorliegt:

• Abziehbare Supportstruktur, die aus dem gleichen Material wie das Teil bestehen,
• lösliche Supportstruktur, die sich nach dem Druck in einem Bad auflöst,
• oder Trennschicht-Supportstruktur, die ein Gerüst aus Teilmaterial bildet als Zwischenschicht aus Trennmaterial zwischen dem Bauteil und der Supportstruktur. Drucker mit einem Sekundärmaterial für die Supportstruktur verwenden eine zweite Düse auf dem Druckkopf speziell für die Supportstruktur.

Das Schicht für Schicht -Prinzip des 3D-Druckprozesses führt dazu, dass 3D-gedruckte Teile transversale isotrope Materialeigenschaften aufweisen. Während isotrope Materialien in allen Richtungen einheitliche Materialeigenschaften aufweisen, haben transversale isotrope Materialien einen Satz von Eigenschaften entlang einer Achse und einen anderen Satz auf Ebenen, die senkrecht zu dieser Achse liegen. Dies übersetzt sich in 3D-gedruckte Teile, die auf XY-Ebenen über der Z-Achse eine höhere Festigkeit aufweisen. Daher ist es wichtig, die Druckorientierung während des Designprozesses zu berücksichtigen.

Die Grundlagen der Füllung
Während die Schale eines Teils die Form und die Genauigkeit bestimmt, ist das Ausfüllen für die Bestimmung der Leistung äußerst wichtig. Infill ist für Festigkeit und Druckqualität optimiert und besteht immer aus einer tessellierenden Form, die über die Fläche einer Ebene verteilt ist. Typischerweise werden Dreiecke wegen ihrer perfekten Lastverteilung verwendet, es können jedoch auch andere Formen verwendet werden. Wenn Sie die Form und Dichte der Füllung ändern, ändert sich die Masse und (zu einem geringeren Grad) die Stärke Ihres Teils. Die Ausrichtung von Füllungen richtet sich nach der Druckausrichtung. Wenn Sie also eine Ausrichtung in eine bestimmte Richtung wünschen, müssen Sie dies beim ersten Orientieren des Teils planen.

3D-gedruckte Teile werden normalerweise mit einem spärlichen Füllmuster gedruckt, um Material, Kosten und Druckzeit zu sparen.

Endlosfaserverstärkung
Ersetzt herkömmliche Füllungen in ausgewählten Geometrien, um die mechanischen Eigenschaften deutlich zu verbessern. Auf bestimmten Ebenen können Sie die normale Füllung eines Teils durch automatisch geführte Endlosfasern ersetzen. Die Erhöhung der Festigkeit, die diese Fasern bieten, hängt von der Druckorientierung ab, wie viel Endlosfaser Sie dem Teil hinzufügen, wo Endlosfaser hinzugefügt wird und welche Faser Sie hinzufügen möchten.

Endlosstränge aus Kompositfasern können anstelle des Füllmaterials aufgebracht werden, wodurch das Teil viel stärker, steifer und haltbarer wird.

Druckzeit und Material
Die Druckzeit hängt weitgehend davon ab, wie viele Materialpfade der Drucker auf jeder Ebene zeichnen muss. Erstens druckt die Füllung sehr schnell und die Schalen werden sehr langsam gedruckt. Zweitens drucken Träger nur sehr langsam, da sie eine riesige Oberfläche haben. Alle diese Faktoren summieren sich auf die Gesamtzeit, die zum Drucken eines bestimmten Teils benötigt wird. Infolgedessen sind Fläche, Träger und Volumen gleichermaßen wichtig für die Bestimmung der Druckzeit. Da das Teilevolumen je nach Größe eines Teils schwierig zu steuern ist, versuchen Sie, die Oberfläche und die Halterungen zu minimieren, um die Druckzeit zu reduzieren.

Die Schätzungen des Druckermaterials sind genau und einfach im 3D-Druck zu berechnen, da ein Drucker weiß, wie viel Material er benötigt, wenn er einen Werkzeugweg extrudiert. Genau wie beim Berechnen der Druckzeit gilt eine ähnliche Regel für den Materialverbrauch. Je mehr Fläche und Supportstruktur Sie haben, desto mehr Material wird verwendet. Die Supportstruktur kann einen erheblichen Teil des Materialverbrauchs ausmachen. Durch Minimieren der Supportstruktur kann der Materialverbrauch für einen gleichgroßen Teil reduziert werden.

3D-Druckgenauigkeit und Baugröße
Die Genauigkeit des 3D-Drucks hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter Material, Druckeinstellungen und Ausrichtung der Teile. Es gibt jedoch einige Möglichkeiten, die Genauigkeit zu erhöhen:

Drucken mit Standardeinstellungen: Die meisten Industriedrucker optimieren ihre Druckgenauigkeit anhand der Basiseinstellungen.

Druckfunktionen, die eine hohe Genauigkeit in der XY-Ebene erfordern: Da es sich bei dem XY-Portal um ein Unified Motion-System handelt, erzeugen Drucker auf der XY-Ebene (horizontal) wesentlich genauere Geometrien als die XZ- oder YZ-Ebene (vertikal). Versuchen Sie, Ihr Teil so zu entwerfen oder auszurichten, dass Löcher und andere wichtige Merkmale flach auf dem Druckbett liegen.

Ermitteln Sie die kritischen Abmessungen Ihres Teils und richten Sie Ihr Teil so aus, dass diese Merkmale flach auf dem Druckbett liegen. ‍

Stützen und Überhänge reduzieren: Stützen stellen sicher, dass geometrisch komplexe Drucke erfolgreich sind. Sie beeinträchtigen jedoch auch die unterstützte Oberfläche und liefern wesentlich weniger genaue Merkmale als Abschnitte, für die keine Unterstützung erforderlich ist.

Durch das Reduzieren der Stützen mit abgewinkelten Überhängen wird die Druckzeit gespart und die Teilequalität verbessert.

Erstellungsvolumen: Die Druckergröße wird durch das Erstellungsvolumen definiert – die maximale Reichweite des Gantry- und Z-Bewegungssystems. Das bedeutet jedoch nicht, dass Sie versuchen sollten, das gesamte Volume mit einem einzigen Teil zu füllen. Der 3D-Druck ist das Gegenteil einer subtraktiven Fertigung, bei der Sie mit einem Rohmaterialblock beginnen und versuchen, so wenig Material wie möglich zu entfernen. Infolgedessen sind große und blockige Teile mit anderen Verfahren oft billiger und schneller herzustellen.