Die 3D-Drucktechnologie entwickelt sich rasant weiter. Gerade diskutieren wir über die Herstellung von kleinem Spielzeug zur Unterhaltung von Kindern, und im nächsten Moment erfahren wir, dass ein 3D-Drucker ein Betongebäude gebaut hat, das einem Erdbeben der Stärke 8 standhält. Mit der Zeit scheint auch der 3D-Druck eines 3D-Druckers möglich.

Doch abgesehen von den Aussichten interessieren sich Bastler und Maker nach wie vor vor allem für Desktop-3D-Drucker – welche Typen es gibt, wie schnell sie drucken und wie viel sie kosten. Wer gerne den Dingen auf den Grund geht oder schon einmal versucht hat, einen 3D-Drucker selbst zu bauen, hat sich bestimmt auch schon die Frage gestellt: Wie bewegen sie sich?

XYZ, I3 und CoreXY sind derzeit die beliebtesten Modelle von Desktop-3D-Druckern. So bewegen sie sich: Die Maschine verfügt über eine oder mehrere Achsen in X-, Y- und Z-Richtung des 3D-Koordinatensystems. An einem Ende jeder Achse befindet sich ein Motor zur Antriebssteuerung. Synchronriemen oder Leitspindeln wandeln die Motordrehung in eine lineare Bewegung in X-, Y- und Z-Richtung um. Mithilfe der linearen Führungsschienen in allen drei Richtungen kann die Maschine die Düse an jedem beliebigen Punkt im von den Achsen gebildeten 3D-Raum positionieren, das Filament extrudieren und ein 3D-Objekt erstellen.

Warum sind Leitsysteme wichtig?

Die Führungssysteme erfüllen beim Drucken hauptsächlich drei Zwecke:

1. Präzision: Erzielen Sie enge Toleranzen, verhindern Sie Wackeln und stellen Sie sicher, dass sich der auf den Führungen installierte Druckkopf oder das beheizte Bett linear entlang der vorgegebenen Richtung bewegt.
2. Laufruhe: Reduzieren Sie die Reibung mit Lagern oder Rollen und tragen Sie zu einer gleichmäßigeren Bewegung bei.
3. Zuverlässigkeit: Führungsstrukturen mit ausgezeichneter Steifigkeit können die Maschinenzuverlässigkeit verbessern und im Laufe der Zeit zu gleichmäßigeren Drucken beitragen.

Die Vielfalt der Führungssysteme

Zu den Führungssystemen, die bei 3D-Druckern verwendet werden, gehören im Allgemeinen:

1. Räder & Profile
2. Linearstangen und Lager
3. Linearschienen
4. Eingebettete Linearschienen

Räder & Profile

Unter allen Führungen ist die Kombination aus Rädern und Profilen wahrscheinlich die gebräuchlichste und kostengünstigste. Typischerweise laufen 3 bis 4 Rollen entlang der V- oder T-förmigen Nut des Profils, um die Bewegungen zu führen.

Der Außenring der Räder besteht meist aus POM (Polyformaldehyd), der Innenring aus Stahl und Kugellagern. POM zeichnet sich durch hohe Festigkeit, geringe Verformung und hervorragende Abriebfestigkeit aus und eignet sich daher besonders für die Herstellung von Druckerrädern. Bei sachgemäßer Verwendung können POM-Rollen Hunderte von Stunden halten. Einige Hersteller verwenden auch PC (Polycarbonat) für die Herstellung von Rädern, die eine noch höhere Festigkeit und Lebensdauer aufweisen, allerdings zu einem etwas höheren Preis.

Um eine lineare Bewegung zu gewährleisten, sollten die Räder die Profile richtig greifen. Zu lockere Führungen können bei hohen Geschwindigkeiten Vibrationen verursachen. Zu feste Führungen erhöhen den Verschleiß – angesammelter Schmutz kann sich zwischen den Rädern und Schienen ansammeln und zu holprigen oder ruckartigen Bewegungen führen. Daher müssen Benutzer die Radspannung an die Funktionsweise des Druckers anpassen, Schmutz entfernen und die Räder bei Bedarf austauschen. Im Vergleich zu anderen Führungen erfordert die Kombination aus Rad und Profil eine häufigere Wartung.

Darüber hinaus weisen Kunststoffe eine geringere Steifigkeit als Metalle auf. Eine Radverformung während der Bewegung lässt sich kaum vermeiden, sodass Drucker mit Rädern im Allgemeinen eine geringere Präzision aufweisen als Drucker mit Stahlführungen.

Die bei 3D-Druckern üblicherweise verwendeten Profile gibt es in zwei Ausführungen: V-Nut-Profile und T-Nut-Profile. Wie die Namen schon vermuten lassen, liegt der Hauptunterschied zwischen ihnen in der Querschnittsform. Verschiedene Profile werden mit unterschiedlichen Rädern kombiniert, um eine gute Führungswirkung zu erzielen.

Da die Profile anpassbar, kostengünstig und mit ausreichender Leistung ausgestattet sind, ist die Kombination aus Rädern und Profilen die erste Wahl für viele DIY-3D-Drucker-Builds.

Vorteile

• Gute Führungsleistung, günstig und nützlich;
• Zahlreiche Optionen, weithin verfügbar;
• Einfach zu installieren, zu verwenden und zu ändern;

Nachteile

• Geringere Präzision;
• Anfälliger für Vibrationen;
• Erfordert häufigere Wartung.

Linearstangen und Lager

Die Einschränkungen von Rad- und Profilführungen haben Heimwerker und Hersteller dazu veranlasst, sich verstärkt auf eine andere Kombination mit höherer Präzision und Stabilität zu konzentrieren: Linearführungen mit Stangen und Lagern. In den letzten Jahren sind Stangen- und Lagerführungen fast zum Synonym für Führungssysteme von 3D-Druckern geworden. Für jede Achse des Druckers werden mindestens zwei Stangen und zwei Lager benötigt. Die Lager umschließen oder haften an den Stangen und sind mit Schlitten verbunden, die mit einem Extruder oder einem beheizten Bett montiert sind, um die lineare Bewegung zu führen.

Eine Linearstange, auch Glattstange genannt, ist eine zylindrische Stahlstange, die in verschiedenen Größen erhältlich ist – 3D-Drucker verwenden typischerweise Stangen mit 8 mm Durchmesser. Stangen können mit hoher Maßgenauigkeit und sehr glatten Oberflächen bearbeitet werden. In Kombination mit Kugellagern ermöglichen richtig montierte Stangen recht gute lineare Bewegungen.

Und ja, glatte Oberflächen haben auch Nachteile. Zur Führung müssen die Stangen an beiden Enden mit Metallklammern fixiert werden. Außerdem können sich Lager nicht nur linear bewegen, sondern auch um 360° um die Zylinder drehen. Deshalb müssen sie an Lagern einer anderen parallelen Stange befestigt werden, damit sich der Extruder oder das Heizbett linear bewegen kann. Die Parallelität zwischen zwei Stangen kann eine Herausforderung sein, insbesondere für Heimwerker.

Der Einsatz von Wellenführungen bedeutet also einerseits höhere Präzision und Stabilität, andererseits aber auch einen größeren Platzbedarf und ein höheres Gewicht sowie einen höheren Montageaufwand.

Bei Stangen werden hauptsächlich U-Nut-Lager und Linearlager aus Stahl verwendet. U-Nut-Lager ähneln Rädern, die auf den Stangen rollen können. Linearlager haben außen eine zylindrische Hülse, innen mehrere Kugelreihen, die sich entlang der Welle bewegen können. Beide ermöglichen eine sanfte Führung mit minimaler Reibung.

Stangen und Lager sind langlebig und müssen nur gelegentlich von Ablagerungen gereinigt und die Lager geschmiert werden. Sind die Stangen in einem Gehäuse untergebracht, anstatt als Rahmen zu fungieren, ist die Demontage des Gehäuses und das Schmieren der Lager unkompliziert. Der Austausch verschlissener Lager nach längerem Gebrauch kann jedoch etwas knifflig sein.

Vorteile

• Hervorragende Führungsleistung, hohe Präzision, moderate Kosten;
• Zahlreiche Optionen, weithin verfügbar;
• Geringe Wartungshäufigkeit;

Nachteile

• Größere Stellfläche und Gewicht im geschlossenen Zustand;
• Parallelität kann ein Problem sein;
• Der Austausch von Lagern kann schwierig sein.

Linearschienen

Linearschienen, auch Linearführungen genannt, liegen seit einigen Jahren im Trend. Die Stahlschiene hat auf beiden Seiten eine Schiene, und die darauf angeordneten Gleitstücke enthalten zwei Kugellagersätze, die sich entlang der Schienen bewegen. Neben industriellen 3D-Druckern setzen auch immer mehr Desktop-Hersteller Linearschienen in ihren High-End-Produktlinien ein.

Obwohl beide aus Stahl gefertigt sind, sind Linearschienen im praktischen Einsatz weniger anfällig für Biegung und Vibrationen als Stangen. Dies ist hauptsächlich auf ihre einzigartige Befestigungsmethode zurückzuführen. Stangen sind nur an beiden Enden befestigt, während Linearschienen in regelmäßigen Abständen Befestigungslöcher auf der Oberfläche aufweisen, wodurch sie fest am Gehäuse oder anderen Trägerstrukturen befestigt werden können.

Dies gewährleistet einerseits eine stabile lineare Bewegung und verbessert die Druckqualität, andererseits erhöht es die Geschwindigkeitsbegrenzung, indem es übermäßiges Wackeln bei hohen Geschwindigkeiten verhindert. Dies ist einer der Gründe, warum J1 Hochgeschwindigkeitsdrucke ermöglicht.

Bei der Montage können Linearschienen eine einzelne Achse ohne Paarung führen. Das spart Platz und Gewicht und macht die Maschine leichter und kompakter. Auch die Parallelität der Schienen muss nicht beachtet werden.

Das klingt alles toll, aber wo liegt der Haken? Der Preis. Grobe Berechnungen zeigen, dass die Gleitstücke für Linearschienen zwar ähnlich teuer sind wie die Lager für Stangen, die Schienen selbst jedoch etwa 2,5- bis 4-mal so viel kosten wie ein Stangenpaar gleicher Länge. Im Vergleich dazu sind Stangen günstig und gut genug. Wägt man die Mehrkosten gegen die Leistungssteigerung ab, würden sich die meisten Heimwerker dennoch für Stangen und Lager entscheiden.

Die Wartung von Linearschienen ist ähnlich wie bei den vorherigen. Die Lager müssen regelmäßig geschmiert werden. Freiliegende Schienen müssen ebenfalls gelegentlich gereinigt werden.

Vorteile

• Sehr hohe Präzision;
• Unterstützt Hochgeschwindigkeitsdruck;
• Geringer Platzbedarf, bequem zu verwenden;

Nachteile

• Kann nicht als Stützkonstruktion dienen, muss auf Profilen etc. montiert werden;
• Teuer.

Eingebettete Linearschienen

Anstatt die oben genannten Anleitungen direkt zu verwenden, suchen einige Hersteller auch nach besseren Lösungen, um ihre technischen Möglichkeiten zu verbessern oder auf bestimmte Produkte einzugehen.

Die Kernstärken von Linearschienen liegen in der hohen Steifigkeit der Stahlschienen und der präzisen, gleichmäßigen Bewegung durch die Kugellager. Diese Vorteile bleiben auch bei eingebetteten Linearschienen erhalten.

Bei der Herstellung der Linearmodule bettet FUYU zwei Stahlstreifen in die Innenwände des Aluminiumlegierungsgehäuses ein und schleift den Stahl anschließend mit CNC-Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometerbereich präzise zu Schienen. Durch die breiteren eingebetteten Schienen wird die Steifigkeit weiter verbessert, ohne das Gewicht zu erhöhen. Dies eignet sich besser für Hochleistungs-CNC-Anwendungen – schließlich benötigen herkömmliche 3D-Drucker keine so extreme Steifigkeit.

Im Vergleich zur direkten Montage von Linearschienen auf der Oberfläche von Profilen verhindert das Einbetten der Stahlschienen in die Linearmodule Staubablagerungen auf den Schienen und reduziert so den Wartungsaufwand. Zudem werden die Module dadurch leichter und kompakter, sodass eine teure Maschine nicht wie ein Heimwerkerprojekt aussieht. Das Einbetten von Linearschienen stellt den Hersteller jedoch vor erhebliche Fertigungsherausforderungen, bietet jedoch keinen Kostenvorteil gegenüber normalen Linearschienen.

Vorteile

• Gleich wie Linearschienen: sehr hohe Präzision, unterstützt Hochgeschwindigkeitsdruck, geringer Platzbedarf;
• Schienensteifigkeit weiter verbessert;
• Geringere Wartungshäufigkeit bei geschlossenen Schienen;

Nachteile

• Teuer;
• Nicht für den Heimwerker geeignet.