Wie ist ein industrieller 3D-Drucker aufgebaut und welche Funktionen haben seine Teile - Wellen, Zahnriemen und Rahmen

3D-Druck hat die industrielle Fertigung und den Prototypenbau revolutioniert. In dieser Technologie werden Gegenstände schichtweise aus einem digitalen Modell hergestellt. Bestehend aus den Hauptkomponenten: Rahmen, Druckkopf, Druckbett, Steuerungseinheit, Wellen, Zahnriemen und Motoren benötigt ein typischer 3D-Drucker Aufbau in der Regel noch einiges an Zubehör. Aber wie genau funktioniert ein industrieller 3D-Drucker? Dieser Artikel beleuchtet den Aufbau und die Funktion der wichtigsten Komponenten und nennt kurz einige Anwendungsgebiete.

Ein 3D-Drucker erstellt dreidimensionale Objekte durch schichtweises Auftragen von Material, basierend auf einem digitalen Modell. Dabei spricht man auch vom additiven Fertigungsverfahren, da nach und nach Material am unfertigen Werkstück hinzugefügt wird.

Der Prozess beginnt mit einer digitalen Design-Datei, die oft im STL-Format (STL = Stereo Lithography) bereitgestellt wird. Diese wird in eine spezielle Software geladen, mit der das 3D-Modell in eine für den 3D-Drucker verständliche Steuerdatei umgewandelt wird. Diese Datei wird in den sogenannten G-Code konvertiert (G-Code ist eine Maschinensprache zur Programmierung von CNC-Maschinen). Dabei wird das Datenmodell durch eine Slicer-Software in G-Code-Layer bzw. in dünne horizontale Schichten zerlegt. Dieser Vorgang nennt sich slicen.

Der Drucker liest diese Datei und druckt die Schichten sukzessive aus, indem er das Material - oft Kunststoff, Harz oder Metallpulver - Schicht für Schicht aufträgt und verfestigt, bis das gesamte Objekt erstellt ist.

Der genaue Vorgang variiert je nach Drucktechnologie, beispielsweise ob das Material durch Erhitzen geschmolzen (FDM) oder durch Belichtung gehärtet wird (SLA). Folgende Drucktechnologien gibt es aktuell:

• Stereolithografie (SLA): Eine dünne Kunstharzschicht wird in ein Becken gegossen. Anschließend belichtet ein UV-Laser die Stellen, die ausgehärtet werden sollen. Bei dieser Technologie kommt eine 3D-Drucker-Einhausung zum Einsatz.
• Masked Stereolithographie (MSLA): Bei dem MSLA-Druckverfahren wird das Kunstharz von unten mit einem LCD-Display selektiv beleuchtet. Das LCD-Display bildet eine Maske pro Druckschicht ab und blockiert so das UV-Licht an den vorgegebenen Stellen. Anstelle eines Laserstrahls, der die Schichten abtastet, verwenden MSLA-Drucker eine leistungsstarke ultraviolette Lichtquelle.
• Selektives Lasersintern (SLS): Verschiedene Materialien in Pulverform werden auf der Druckplatte verteilt und mittels Laser verschmolzen. Am Schluss muss das fertige Produkt vom umliegenden Pulver befreit werden.
• Fused Deposition Modeling (FDM): Im Schichtschmelzverfahren wird das Material durch eine beheizte Düse auf die Druckplatte gebracht, wo es anschließend verfestigt.
• Luminated Object Manufacturing: Das Material wird schichtweise übereinander geklebt und im Nachgang mit einem Schneidewerkzeug (Laser oder Messer) modelliert.
• Computed Axial Lithography (CAL): Bei dem CAL-Druckverfahren wird Licht in ein flüssiges, lichtempfindliches Harz projiziert, welches sich darauf hin in kürzester Zeit verfestigt. Durch dieses Verfahren können Objekte in kürzester Zeit hergestellt werden.

Aufbau eines 3D-Druckers

Industrielle 3D-Drucker haben einige Grundkomponenten, die nach gewählter Drucktechnologie zum Einsatz kommen.

Rahmen von 3D-Druckern

Der Rahmen ist das Grundgerüst für alle elektronischen und strukturellen 3D-Drucker-Komponenten und bildet außerdem die Grundlage für einen qualitativ hochwertigen Druck. Er gibt dem Drucker Stabilität und Struktur. Je steifer und starrer der Rahmen ist, desto besser sind die Druckergebnisse. In industriellen Druckern sind die Rahmen oft aus robusten Metalllegierungen gefertigt, um Vibrationen zu minimieren und eine hohe Druckgenauigkeit zu gewährleisten. Bei MISUMI finden Sie ein vielfältiges Sortiment an Rahmen-Komponenten in hoher Qualität, wie zum Beispiel Alu-Konstruktionsprofile, Zubehör für Linearführungen oder Winkelplatten.

Achsen in 3D-Druckern

Innerhalb eines fest definierten dreidimensionalen Raums muss der Industrie-3D-Drucker jeden Punkt erreichen können, um den Druck aller denkbaren Formen zu gewährleisten. Dazu gibt es folgende Achsen:

• X-Achse: Beschreibt den Weg horizontal von links nach rechts
• Y-Achse: Beschreibt den Weg horizontal von vorn nach hinten
• Z-Achse: Beschreibt den Weg vertikal von oben nach unten

Die Bewegung des Druckkopfes erfolgt dabei innerhalb der X-Achse und Y-Achse, beispielsweise mittels Zahnriemen und Schrittmotoren.

Die vertikale Bewegung wird durch einen Schrittmotor realisiert. Die Drehbewegung wird über einen Zahnriemen auf eine Gewindespindel bzw. ein Gewindeantrieb übertragen. Der Hub der Z-Achse bestimmt die Stärke der aufgetragenen Materialschicht.

Die Präzision der einzelnen Übertragungskomponenten ist entscheidend für die Qualität und Maßhaltigkeit des zu druckenden Objektes.

Druckkopf (Extruder) von 3D-Druckern (FDM)

Der Extruder fördert das Filament (Druckmaterial) aus der Materialbereitstellung z.B. einer Filamentrolle in einen Heizblock mit Heizung und Temperaturüberwachung. Dieser Bereich wird auch als Hotend bezeichnet. Über diesen Kanal wird das verflüssigte Filament zur Düse (Nozzle) gefördert und auf die Druckplatte aufgetragen.

Es gibt verschiedene Arten des Filamenttransports durch den Extruder. Hier einige der gängigsten Arten:

• Direktantrieb (Direct Drive Extruder): Bei dieser Methode wird das Filament direkt von einem Motor im Extruder gezogen und in den Heizblock transportiert. Der Motor befindet sich in unmittelbarer Nähe zur Düse, was zu einer präziseren Materialauftragung führt. Diese Methode wird oft in Desktop-3D-Druckern verwendet.
• Bowden-Extruder: Im Gegensatz zum Direktantrieb befindet sich der Motor bei einem Bowden-Extruder nicht direkt am Extruder. Das Filament wird durch einen flexiblen Schlauch (Bowden-Schlauch) zum Extruder gefördert. Dies verringert das Gewicht des Extruders, was sich positiv auf die Druckqualität auswirken kann. Jedoch kann die Genauigkeit der Filamentförderung bei dieser Methode leicht beeinträchtigt sein.

Beide Varianten lassen sich mit mehreren Druckköpfen ausstatten, sodass unterschiedliche Materialien und Farben verarbeitet werden können. Verwendet der 3D-Drucker statt Filament ein Pulver, werden in der Regel keine Extruder verwendet, sondern Walzen, mit deren Hilfe das Material aufs Druckbett aufgetragen wird.

Druckbett (Build Plate) in 3D-Druckern

Auf dem Druckbett wird das Objekt schichtweise aufgebaut. Es kann beheizt sein, um eine bessere Haftung des Materials zu gewährleisten, Materialverzug zu vermeiden und eine verbesserte Oberflächenqualität zu erzielen. Auch das Material des Druckbetts beeinflusst die Haftung. Glas, Keramik oder Aluminiumgussplatten eignen sich hierbei besonders. Es ist außerdem möglich, das Entfernen des Endproduktes mittels abnehmbarer Platten zu erleichtern.

Steuerungseinheit in 3D-Druckern

Die Steuerungseinheit steuert den gesamten Druckprozess. Außerdem lässt sich damit der 3D-Drucker kalibrieren. Der Kalibrierungsvorgang ist von entscheidender Bedeutung zur Vermeidung von Druckfehlern. Ein unebenes Druckbett oder falsch eingestellte Düsen haben erheblichen Einfluss auf die Qualität des Endproduktes.

Die Steuerungseinheit muss die digitalen 3D-Modellinformationen aus einer STL-Datei oder anderen Dateiformat interpretieren. Dafür verwendet die Steuerungseinheit eine Slicing-Software, um das 3D-Modell in eine Abfolge horizontaler Schichten (Slices) aufzuteilen. Dabei werden u.a. Informationen über die Schichthöhe, Durchmesser der Düsenöffnung (Nozzlegröße), die Druckparameter, die Extrusion des Druckmaterials, die Temperaturen und die Bewegungsbahnen des Druckkopfs generiert und daraus der G-Code erzeugt.

Die Steuerungseinheit steuert die Antriebe des 3D-Druckers, um den Druckkopf und das Druckbett präzise zu bewegen. Sie setzt die im G-Code definierten Bewegungen um, wobei Geschwindigkeit, Beschleunigung und Verzögerung berücksichtigt werden.

Die Steuerungseinheit kontrolliert den Extruder, der das Druckmaterial wie beispielsweise Filament erhitzt und in gleichmäßiger Weise auf die Bauplattform aufträgt, um sicherzustellen, dass das Material gleichmäßig verteilt wird. Dabei wird die Temperatur im 3D-Drucker, dem Extruder sowie den Heizelementen überwacht und geregelt.

Natürlich wird der Druckprozess durch die Steuereinheit auf Fehler und Unregelmäßigkeiten überwacht und bei auftretenden Problemen wie Materialstau oder Überhitzung entsprechend reagiert.

Eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) dient als Schnittstellen für den Anwender, um den Druckvorgang zu starten, Einstellungen anzupassen und den Drucker zu steuern sowie Statusmeldungen zu erhalten und entsprechend zu interagieren. Dies kann über ein Display oder einen Touchscreen erfolgen.

Über Schnittstellen kann die Steuereinheit mit externen Geräten kommunizieren, um Druckaufträge zu empfangen und Daten auszutauschen.

Wellen in 3D-Druckern

Wellen werden als Übertragungselement und als Führungselement eingesetzt, um die Bewegung von Bauteilen, Material, Druckköpfen und anderen wichtigen Komponenten zu ermöglichen.

Werden Wellen als Übertragungselement verwendet, wird eine Bewegung von der Antriebsquelle zur Abtriebsseite übertragen. Das geschieht in Kombination von beispielsweise Motor, Keilriemenrädern und Zahnriemenrädern, Riemen, Ketten, Kupplungen, Getrieben oder anderen Elementen.

In einigen 3D-Druckern werden Kugelgewindetriebe anstelle von herkömmlichen Gewindeführungen verwendet. Kugelgewindetriebe sind präziser und haben eine geringere Reibung als herkömmliche Gewindeführungen. Dies führt zu einer noch besseren Druckgenauigkeit.

Wellen ermöglichen als Führungselemente die präzise Bewegung des Druckkopfs oder des Druckbetts in verschiedene Richtungen. Sie sind meist zylindrisch und aus robusten Materialien gefertigt, um Genauigkeit und Langlebigkeit zu gewährleisten. Die Welle ist in der Regel glatt und hat eine hohe Oberflächengenauigkeit, um reibungsarme Bewegung zu ermöglichen. Um die Welle zu führen und die Bewegung zu ermöglichen, werden spezielle Linearlager oder Linearführungen entlang der Welle angebracht.

Zahnriemen in 3D-Druckern

Zahnriemen wandeln die Drehbewegung der Motoren in eine lineare Bewegung der beweglichen Teile des Druckers um. So werden z.B. die Druckköpfe auf der X-Achse und Y-Achse bewegt. Sie spielen eine entscheidende Rolle für die Geschwindigkeit und Präzision des Druckvorgangs. Es kommt vor allem auf einen festen Sitz und makellose Qualität an. Andernfalls kann es zu Nachschwingungen kommen, die das Endprodukt verzerren. Zahnriemen sind in der Regel aus elastomeren Materialien mit eingelegten Zahnverstärkungen gefertigt, um eine präzise Kraftübertragung zu ermöglichen.

Sowohl für die Linear- als auch für die Drehbewegungen bietet MISUMI unterschiedliche Zahnriemen, Wellen und weiteres Zubehör. Sie finden garantiert ein Bauteil für Ihre konkrete Einsatzmöglichkeit.

Motoren in 3D-Druckern

Motoren spielen eine entscheidende Rolle bei der Bewegung und Positionierung des Druckkopfs oder des Druckbetts. Es gibt verschiedene Arten von Motoren, die in 3D-Druckern verwendet werden, und jeder davon erfüllt spezifische Aufgaben. Hier sind einige der häufigsten Motoren, die in 3D-Druckern vorkommen:

• Schrittmotoren: Sie bewegen den Druckkopf und das Druckbett in genauen Schritten in die verschiedenen Achsen.
• Servomotoren: Sie bieten hohe Geschwindigkeit und Genauigkeit und werden da eingesetzt, wo eine genaue Steuerung nötig ist.
• Gleichstrommotoren: Werden z.B. für den Betrieb von Walzen verwendet.
• Extruder-Motoren: Sind für die Extrusion des Druckmaterials verantwortlich.

Beim industriellen 3D-Druck gibt es folgende Materialkategorien: Filament, Harze und Pulver. Filament ist ein langer, schmaler Strang, bestehend aus verschiedenen Kunststoffen z.B. PLA oder Nylon. Es ist auf Spulen aufgerollt und wird vor allem beim FDM-Druckverfahren verwendet.

Um die Sichtbarkeit der einzelnen Schichten beim Einsatz von Filamentmaterialien zu minimieren, können die Parameter in den Einstellungen der Slicing-Software angepasst werden. Gegebenenfalls ist eine anschließende Oberflächenbearbeitung wie zum Beispiel durch Schleifen, Spachteln, Beschichten, Lackieren oder über verschiedene Schweißverfahren notwendig.

Pulverbasierte Druckverfahren ermöglichen die Herstellung von komplexen Geometrien und funktionellen Teilen. Als Material kann z.B. Metall-, Kunststoff oder Keramikpulver eingesetzt werden.

Das Druckverfahren mit Harzen verwendet flüssige Harze, die unter Einwirkung von UV-Licht oder Laserstrahlen gehärtet werden, um Schichten für den Druck aufzubauen.

Es stehen verschiedene Harzmaterialien zur Verfügung, die eine Vielzahl von Eigenschaften bieten, wie z.B. Härte, Flexibilität, Temperaturbeständigkeit und Transparenz. Dieses Material ist sehr gut geeignet, wenn das Druckobjekt Präzision und Detailgenauigkeit erfordert.

Einsatzmöglichkeiten von 3D-Druckern

Innerhalb kürzester Zeit hat der 3D-Druck viele Bereiche unseres Lebens erobert, so auch den Maschinenbau, Sondermaschinenbau oder den Prototypenbau. Gerade die Kurzfristigkeit, mit welcher Bauteile hergestellt werden können, ist für viele Unternehmen aus der Industrie interessant. Es lässt sich nicht nur langfristig Lagerraum einsparen, sondern auch proaktiv auf sich ändernde Umstände und spezielle Anwendungsfälle eingehen.

Besonders im Prototypenbau kann durch den Einsatz von 3D-Druckern die Produktentwicklung beschleunigt werden.

Durch die Möglichkeit, dass komplexe Geometrien erzeugt werden können, kann die Konstruktion und die Formen schnell an aktuelle Entwicklungskonzepte angepasst werden.

Dadurch können Konstruktionsfehler und Probleme frühzeitig erkannt und behoben werden, bevor eine Serienproduktion beginnt.

In einigen Fällen kann der Prototyp selbst als Vorlage für die Serienfertigung dienen, insbesondere bei Kleinserien oder individualisierten Produkten.