Fusionierte Filamentherstellung

Fused Filament Fabrication (FFF) ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Endlosfilament aus einem thermoplastischen Material verwendet wird. Dies wird von einer großen Spule durch einen beweglichen, beheizten Drucker-Extruderkopf gespeist. Geschmolzenes Material wird aus der Druckkopfdüse ausgestoßen und auf dem wachsenden Werkstück abgeschieden. Der Kopf wird unter Computersteuerung bewegt, um die gedruckte Form zu definieren. Normalerweise bewegt sich der Kopf in Schichten, bewegt sich in zwei Dimensionen, um jeweils eine horizontale Ebene abzulegen, bevor er sich leicht nach oben bewegt, um eine neue Schicht zu beginnen. Die Geschwindigkeit des Extruderkopfs kann auch gesteuert werden, um die Ablagerung zu stoppen und zu starten und eine unterbrochene Ebene ohne Fadenbildung oder Dribbling zwischen Abschnitten zu bilden. Die Herstellung von Fused Filament wurde von den Mitgliedern des RepRap-Projekts geprägt, um einen Satz zu formulieren, der in seiner Verwendung rechtlich uneingeschränkt anwendbar sein sollte, da Patente Fused Deposition Modeling (FDM) abdecken.

Fused Filament Printing ist heute der beliebteste Prozess (nach Anzahl der Maschinen) für Hobby-3D-Druck. Andere Techniken wie Photopolymerisation und Pulversintern können bessere Ergebnisse liefern, jedoch sind ihre Kosten stark erhöht.

Der 3D-Druckerkopf oder 3D-Drucker-Extruder ist ein Teil des Materials, das beim Extrudieren von Materialien für das Schmelzen von Rohmaterial und das Bilden desselben zu einem kontinuierlichen Profil verantwortlich ist. Eine große Vielzahl von Materialien wird extrudiert, einschließlich Thermoplasten wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymilchsäure (PLA), hochschlagfestem Polystyrol (HIPS), thermoplastischem Polyurethan (TPU), aliphatischen Polyamiden (Nylon) und neuerdings auch PEEK. Pastenartige Materialien wie Keramik und Schokolade können unter Verwendung des Schmelzfilamentprozesses und eines Pastenextruders extrudiert werden.

Einführung
Die additive Fertigung (AM), auch als 3D-Druck bezeichnet, beinhaltet die Herstellung eines Teils, indem Schicht für Schicht Material abgeschieden wird. Es gibt eine breite Palette verschiedener AM-Technologien, die Schicht für Schicht zu einem Teil werden können, einschließlich Materialextrusion, Binder-Jetting, Material-Jetting und gerichtete Energie-Deposition.

Diese Verfahren haben verschiedene Typen von Extrudern und Extrudieren verschiedener Materialien, um das Endprodukt unter Verwendung von Schicht-für-Schicht-Zugabe von Material zu erhalten. Der 3D-Drucker-Liquefier ist die Komponente, die vorwiegend im Material-Extrusions-Druck zum Einsatz kommt.

Extrusion
Die Extrusion im 3-D-Druck unter Verwendung der Materialextrusion umfasst ein kaltes Ende und ein heißes Ende.

Das kalte Ende ist Teil eines Extrudersystems, das das Material von der Spule zieht und zuführt und es zum heißen Ende hin drückt. Das kalte Ende ist hauptsächlich ein Zahnrad- oder Walzen-basiertes Zuführen von Drehmoment zu dem Material und Steuern der Vorschubgeschwindigkeit mittels eines Schrittmotors. Auf diese Weise wird die Prozessrate gesteuert.

Das heiße Ende ist der aktive Teil, der auch den Verflüssiger des 3D-Druckers beherbergt, der das Filament schmilzt. Es ermöglicht, dass der geschmolzene Kunststoff aus der kleinen Düse austritt, um eine dünne und klebrige Kunststoffraupe zu bilden, die an dem Material haftet, auf dem sie aufliegt. Das heiße Ende besteht aus einer Heizkammer und einer Düse. Das Loch in der Spitze (Düse) hat einen Durchmesser zwischen 0,3 mm und 1,0 mm. Abhängig von dem zu bedruckenden Material werden verschiedene Arten von Düsen und Heizverfahren verwendet.

Einige Arten von 3-D-Druckmaschinen können eine andere Art von Extrusionssystem aufweisen, die möglicherweise keine Heizkammer haben – die Wärme wird von einer anderen Quelle, z. B. einem Laser, geliefert.

Xtruder-Halterung zum Rest der Maschine
Die Art und Weise, wie Extruder auf dem Rest der Maschine montiert werden, hat sich im Laufe der Zeit zu informellen Montagestandards entwickelt. Zu diesen informellen Standards gehören:

Vertikaler X-Achsen-Standard
Quick-Fit-Extruderhalterung
OpenX-Halterung
etc.

Solche Faktorenstandards ermöglichen es, neue Extruderkonstruktionen an bestehenden Druckerrahmen zu testen, und neue Druckerrahmenkonstruktionen können bestehende Extruder verwenden.

Fused Deposition Modeling
Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine Additive Manufacturing (AM) -Technologie, die üblicherweise für Modellierungs-, Prototyping- und Produktionsanwendungen verwendet wird, wie von Stratasys Inc. geschützt. Es ist eine der Techniken, die für den 3D-Druck verwendet werden. FDM arbeitet nach einem “additiven” Prinzip, indem es Material in Schichten ablegt; ein Kunststofffaden oder Metalldraht wird von einer Spule abgewickelt und liefert Material, um ein Teil zu erzeugen. Daher ist FDM auch als solide AM-Technologie bekannt.

Geschichte
Fused Deposition Modeling (FDM) wurde in den späten 1980ern von S. Scott Crump entwickelt und 1990 von Stratasys vermarktet. Mit dem Ablauf des Patents US 5121329 A auf dieser Technologie gibt es jetzt eine große Open-Source-Entwicklungsgemeinschaft (genannt RepRap), sowie kommerzielle und DIY-Varianten, die alle diese Art von 3D-Drucker verwenden. Dies hat zu einem Preisrückgang um zwei Größenordnungen geführt, seit diese Technologie erstellt wurde.

Verarbeiten
FDM beginnt mit einem Softwareprozess, der eine STL-Datei (STereoLithography-Dateiformat) verarbeitet und das Modell für den Erstellungsprozess mathematisch schneidet und orientiert. Bei Bedarf können Support-Strukturen generiert werden. Die Maschine kann mehrere Materialien ausgeben, um unterschiedliche Ziele zu erreichen:

Man kann ein Material verwenden, um das Modell aufzubauen.
Verwenden Sie eine andere als lösliche Trägerstruktur.
Man könnte mehrere Farben derselben Art von Thermoplast auf demselben Modell verwenden.

Das Modell oder Teil wird durch Extrudieren von kleinen abgeflachten Strängen geschmolzenen Materials zur Bildung von Schichten hergestellt, wenn das Material unmittelbar nach der Extrusion aus der Düse aushärtet.

Ein Kunststofffaden wird von einer Spule abgewickelt und führt Material einer Extrusionsdüse zu, die die Strömung an- und abschalten kann. Es gibt typischerweise einen genau gesteuerten Antrieb, der das Filament in die Düse drückt.

Die Düse wird erhitzt, um das Material zu schmelzen. Die Thermoplaste werden weit über ihre Glasübergangstemperatur hinaus erhitzt und dann durch einen Extrusionskopf abgeschieden.

Die Düse kann sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung durch einen numerisch gesteuerten Mechanismus bewegt werden. Die Düse folgt einem Werkzeugweg, der durch ein Computer-Aided Manufacturing (CAM) -Softwarepaket gesteuert wird, und das Teil wird von unten nach oben, eine Schicht nach der anderen, aufgebaut. Schrittmotoren oder Servomotoren werden typischerweise verwendet, um den Extrusionskopf zu bewegen. Der verwendete Mechanismus ist oft eine geradlinige XYZ-Konstruktion, obwohl andere mechanische Konstruktionen, wie z. B. deltabot, verwendet wurden.

Obwohl FDM als Drucktechnologie sehr flexibel ist und kleine Überhänge durch die Unterstützung von unteren Schichten bewältigen kann, hat FDM im Allgemeinen einige Einschränkungen hinsichtlich der Neigung des Überhangs und kann keine nicht unterstützten Stalaktiten erzeugen.

Unzählige Materialien sind verfügbar, wie beispielsweise Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymilchsäure (PLA), Polycarbonat (PC), Polyamid (PA), Polystyrol (PS), Lignin, Gummi und viele andere mit unterschiedlichen Kompromissen zwischen den Festigkeiten und Temperatureigenschaften. Zusätzlich kann sogar die Farbe eines gegebenen thermoplastischen Materials die Festigkeit des gedruckten Objekts beeinflussen. Kürzlich demonstrierte ein deutsches Unternehmen erstmals die technische Möglichkeit, granuläres PEEK zu Filamentform und 3D-Druckteile aus dem Filamentmaterial mittels FDM-Technologie zu verarbeiten.

Während des FDM wird das heiße geschmolzene Polymer Luft ausgesetzt. Der Einsatz des FDM-Prozesses in einer Inertgasatmosphäre wie Stickstoff oder Argon kann die Schichthaftung deutlich erhöhen und zu verbesserten mechanischen Eigenschaften der 3D-Druckobjekte führen. Ein Inertgas wird routinemäßig verwendet, um eine Oxidation während des selektiven Lasersinterns zu verhindern.

Allgemeiner Prozess
Die Strömungsgeometrie des Extruders, das Erwärmungsverfahren und das Schmelzflussverhalten einer nicht-Newtonschen Flüssigkeit sind in dem Teil von wesentlicher Bedeutung.

Ein Kunststofffaden wird von einer Rolle geliefert, entweder im Handel erhältlich oder in Eigenproduktion, und in einen erhitzten Verflüssiger eingespeist, wo er geschmolzen wird. Diese Schmelze wird dann durch eine Düse extrudiert, während das ankommende Filament, das noch in fester Phase ist, als “Kolben” wirkt.

Die Düse ist auf einem mechanischen Tisch montiert, der in der xy-Ebene bewegt werden kann. Wenn die Düse in einer vorgeschriebenen Geometrie über den Tisch bewegt wird, lagert sie eine dünne Wulst aus extrudiertem Kunststoff ab, die als “Straße” bezeichnet wird und bei Kontakt mit früher abgelagertem Substrat und / oder Straßen schnell erstarrt.

Solid-Layer werden erzeugt, indem einer Rasterungsbewegung gefolgt wird, bei der die Straßen innerhalb einer umhüllenden Domänengrenze nebeneinander abgelegt werden.

Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, wird die Plattform in z-Richtung abgesenkt, um die nächste Schicht zu starten. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis die Herstellung des Objekts abgeschlossen ist.

Für eine erfolgreiche Verbindung der Straßen im Prozess ist die Kontrolle der thermischen Umgebung notwendig. Daher wird das System in einer Kammer gehalten, die auf einer Temperatur knapp unterhalb des Schmelzpunktes des abzuscheidenden Materials gehalten wird.

Physik
Während der Extrusion wird das thermoplastische Filament durch mechanischen Druck von den Walzen in den Verflüssiger eingeführt, wo es schmilzt und dann extrudiert wird. Die Walzen sind der einzige Antriebsmechanismus in dem Materialzuführsystem, daher steht das Filament vor der Walze unter Zugspannung und unter der Kompression auf der stromabwärtigen Seite, die als ein Kolben wirkt. Daher ist die Druckspannung die treibende Kraft hinter dem Extrusionsprozess.

Die zum Extrudieren der Schmelze erforderliche Kraft muss ausreichend sein, um den Druckabfall über das System zu überwinden, der streng von den viskosen Eigenschaften des geschmolzenen Materials und der Strömungsgeometrie des Verflüssigers und der Düse abhängt. Das geschmolzene Material unterliegt während des Fließens einer Scherverformung. Das Scherverdünnungsverhalten wird in den meisten Materialien beobachtet, die bei dieser Art von 3-D-Drucken verwendet werden. Dies wird unter Verwendung des Potenzgesetzes für verallgemeinerte Newtonsche Fluide modelliert.

Die Temperatur wird durch Wärmezufuhr von elektrischen Heizelementen geregelt. Das System passt kontinuierlich die den Spulen zugeführte Leistung entsprechend der Temperaturdifferenz zwischen dem gewünschten Wert und dem vom Thermoelement erfassten Wert an, wodurch eine negative Rückkopplungsschleife gebildet wird. Dies ist vergleichbar mit der Wärmeflussrate in zylindrischen Rohren.

Kommerzielle Anwendungen
FDM, eine herausragende Form des Rapid Prototyping, wird für das Prototyping und die Rapid Manufacturing eingesetzt. Rapid Prototyping erleichtert iteratives Testen, und bei sehr kleinen Auflagen kann die schnelle Herstellung eine relativ kostengünstige Alternative sein.

FDM verwendet unter anderem die Thermoplaste PLA, ABS, ABSi, Polyphenylsulfon (PPSF), Polycarbonat (PC), PETG und Ultem 9085. Diese Materialien werden wegen ihrer Wärmebeständigkeitseigenschaften verwendet. Ultem 9085 weist auch eine Feuerhemmung auf, wodurch es sich für Luft- und Raumfahrtanwendungen eignet.

FDM wird auch in Prototyping-Scaffolds für medizinische Tissue-Engineering-Anwendungen eingesetzt.

Kostenlose Anwendungen
Mehrere Projekte und Unternehmen bemühen sich, erschwingliche 3D-Drucker für den Heim-Desktop-Einsatz zu entwickeln. Ein Großteil dieser Arbeit wurde von DIY- / Enthusiasten- / Early-Adopter-Communities mit zusätzlichen Verbindungen zu akademischen und Hacker-Communities vorangetrieben.

RepRap ist eines der am längsten laufenden Projekte in der Desktop-Kategorie. Das RepRap-Projekt zielt darauf ab, einen kostenlosen und Open-Source-Hardware (FOSH) 3D-Drucker zu produzieren, dessen vollständige Spezifikationen unter der GNU General Public License veröffentlicht werden und der sich selbst reproduzieren kann, indem er viele seiner eigenen (Kunststoff-) Teile druckt Maschinen. RepRaps haben sich bereits als in der Lage erwiesen, Leiterplatten und Metallteile zu bedrucken.
Fab @ Home ist das andere OpenSource-Hardware-Projekt für DIY-3D-Drucker.

Aufgrund der FOSH-Ziele von RepRap haben viele verwandte Projekte ihr Design zur Inspiration genutzt und ein Ökosystem verwandter oder abgeleiteter 3D-Drucker geschaffen, von denen die meisten auch Open-Source-Designs sind. Die Verfügbarkeit dieser Open-Source-Designs bedeutet, dass Varianten von 3D-Druckern einfach zu erfinden sind. Die Qualität und Komplexität von Druckerdesigns sowie die Qualität von Bausätzen oder fertigen Produkten variieren jedoch von Projekt zu Projekt erheblich. Diese rasante Entwicklung von Open-Source-3D-Druckern wird in vielen Bereichen immer interessanter, da sie eine Hyper-Anpassung und die Verwendung von Public-Domain-Designs ermöglicht, um Open-Source-geeignete Technologien herzustellen. Diese Technologie kann auch Initiativen im Bereich der nachhaltigen Entwicklung unterstützen, da Technologien einfach und wirtschaftlich aus Ressourcen für die lokale Bevölkerung hergestellt werden können.

Kosten für 3D-Drucker
Die Kosten für 3D-Drucker sind seit etwa 2010 drastisch gesunken, und Maschinen, die früher 20.000 US-Dollar kosten, kosten jetzt weniger als 1.000 US-Dollar. Zum Beispiel verkaufen mehrere Firmen und Einzelpersonen ab 2017 Teile, um verschiedene RepRap-Designs zu bauen, wobei die Preise bei etwa 99 GB / 100 US-Dollar liegen. Der meistverkaufte Desktop-FDM-Drucker, Prusa i3 MK2, kostet 900 US-Dollar zusammengebaut oder 600 US-Dollar für die Selbstmontage.

Das Open-Source-Projekt Fab @ Home hat Drucker für den allgemeinen Gebrauch mit allem entwickelt, was durch eine Düse extrudiert werden kann, von Schokolade über Silikondichtungsmittel bis hin zu chemischen Reaktanten. Drucker, die den Entwürfen des Projekts folgen, sind seit 2012 in Kits oder in vormontierter Form bei Zulieferern zu Preisen im Bereich von 2000 US-Dollar erhältlich.

Die von Aleph Objects hergestellten LulzBot 3D-Drucker sind ein weiteres Beispiel für eine Open-Source-Anwendung der Fused Deposition Modeling-Technologie. Das Flaggschiff der LulzBot-Linie, der TAZ-Drucker, wurde von den Modellen RepRap Mendel90 und Prusa i3 inspiriert. Der LulzBot 3D-Drucker ist derzeit der einzige Drucker auf dem Markt, der von der Free Software Foundation die Zertifizierung “Respects Your Freedom” erhalten hat.

Ab September 2018 sind RepRap-Drucker in Form von Kits über Online-Händler wie Amazon und eBay erhältlich. Diese Kits werden komplett mit allen Teilen geliefert, die für einen funktionierenden Drucker erforderlich sind. Oft enthalten sie elektronische Dateien für den Testdruck sowie eine kleine Menge PLA-Filament. Ein beliebter Drucker dieser Art ist der Anet A8, der unter 200 US-Dollar kostet und leicht in der Lage ist, Objekte zu drucken, wenn sie zusammengebaut sind. Der Montageprozess dauert insgesamt etwa 6 bis 8 Stunden und ist auf Videografie-Websites wie YouTube gut dokumentiert.

Entwicklung
Kundenorientierte Produktanpassungen und die Forderung nach Kosten- und Zeiteinsparungen haben das Interesse an der Flexibilität des Herstellungsprozesses erhöht. Dies hat zu Verbesserungen bei RP-Technologien und insbesondere bei Fused Deposition Modeling geführt. Die Entwicklung von Extrudern schreitet aufgrund der Open-Source-3D-Druckerbewegung, die durch Produkte wie RepRap verursacht wird, schnell voran. Konsequente Verbesserungen werden in Form einer erhöhten Erwärmungstemperatur des Verflüssigers, der Gesamtkontrolle und der Präzision des Verfahrens und einer verbesserten Unterstützung für eine Vielzahl von zu druckenden Materialien, einschließlich Keramik, gesehen.

Die Art und Weise, wie Extruder an der Maschine angebracht werden, hat sich im Laufe der Zeit zu informellen Montagestandards entwickelt. Zu diesen informellen Standards gehören der vertikale X-Achsen-Standard, der Quick-Fit-Extruder-Halter, der OpenX-Halter usw.

Druckkopf Kinematik
Die Mehrzahl der verschmolzenen Filamentdrucker folgt dem gleichen Grunddesign. Ein flaches Bett wird als Ausgangspunkt für das Druckwerkstück verwendet. Ein darüber befindliches Portal trägt den beweglichen Druckkopf. Das Gantry-Design ist für die Bewegung hauptsächlich in den horizontalen X- und Y-Richtungen optimiert, mit einem langsamen Anstieg in der Z-Richtung, wenn das Stück gedruckt wird. Schrittmotoren treiben die Bewegung entweder durch Leitspindel oder Zahnriemenantrieb an. Es ist üblich, aufgrund der unterschiedlichen Bewegungsgeschwindigkeit Zahnriemen für die X-, Y-Antriebe und eine Leitspindel für Z zu verwenden. Einige Maschinen haben auch eine X-Achsenbewegung an der Gantry, aber bewegen das Bett (und den Druckauftrag) für Y Da im Gegensatz zu Laserschneidmaschinen die Kopfbewegungsgeschwindigkeiten gering sind, werden Schrittmotoren universell verwendet und es müssen keine Servomotoren verwendet werden.

Viele Drucker, die ursprünglich vom RepRap-Projekt beeinflusst wurden, verwenden häufig 3D-gedruckte Bauteile in ihrer eigenen Konstruktion. Dies sind typischerweise gedruckte Verbinderblöcke mit einer Vielzahl von gewinkelten Löchern, die durch billige Stahlgewindestangen verbunden sind. Dies macht eine Konstruktion möglich, die billig und einfach zu montieren ist, leicht nicht-senkrechte Rahmenverbindungen erlaubt, aber Zugang zu einem 3D-Drucker erfordert. Der Begriff “Bootstrapping” von 3D-Druckern ist in den RepRap-Entwürfen so etwas wie ein dogmatisches Thema. Die fehlende Steifigkeit der Stange erfordert auch entweder eine Triangulation oder das Risiko einer Gantry-Struktur, die sich biegt und vibriert, was die Druckqualität verringert.

Viele Maschinen verwenden nun kastenartige halb geschlossene Rahmen aus lasergeschnittenem Sperrholz, Kunststoff oder gepresstem Stahlblech. Diese sind billig, starr und können auch als Basis für ein eingeschlossenes Druckvolumen verwendet werden, wobei die Temperatursteuerung in ihr das Verziehen des Druckauftrags steuern kann.

Eine Handvoll Maschinen verwendet stattdessen Polarkoordinaten, normalerweise Maschinen, die für das Drucken von Objekten mit Kreissymmetrie optimiert sind. Diese haben eine radiale Portalbewegung und ein rotierendes Bett. Obwohl dieses Design einige potentielle mechanische Vorteile für den Druck von Hohlzylindern bietet, sind ihre unterschiedliche Geometrie und der sich daraus ergebende Non-Mainstream-Ansatz für die Druckplanung noch immer nicht populär genug. Obwohl es eine einfache Aufgabe für die Bewegungsplanung eines Roboters ist, von kartesischen Koordinaten in Polarkoordinaten zu konvertieren, erfordert ein Gewinn von diesem Entwurf auch, dass die Druck-Slicing-Algorithmen von Anfang an auf die Rotationssymmetrie achten.

Rostocker Druckereien
Ein anderer Ansatz wird mit Rostock-Musterdruckern verfolgt, die auf einem Delta-Roboter-Mechanismus basieren. Diese haben ein großes offenes Druckvolumen mit einem oben montierten dreiarmigen Delta-Roboter. Dieses Design des Roboters ist für seine geringe Trägheit und Fähigkeit für schnelle Bewegung über ein großes Volumen bekannt. Stabilität und Vibrationsfreiheit beim Bewegen eines schweren Druckkopfes am Ende von spindeldürren Armen ist jedoch eine technische Herausforderung. Dieses Design wurde hauptsächlich bevorzugt, um ein großes Druckvolumen ohne eine große und schwere Gantry zu erhalten.

Wenn der Druckkopf den Abstand seines Filaments von der Speicherspule zum Kopf bewegt, ändert sich auch die Spannung, die auf dem Filament erzeugt wird, eine weitere technische Herausforderung, um die Druckqualität nicht zu beeinträchtigen.