Die 3D-Drucktechnologie schreitet rasant voran. In einem Moment diskutieren wir darüber, kleine Spielzeuge herzustellen, um Kinder zu unterhalten, und im nächsten Moment sehen wir die Nachricht, dass ein 3D-Drucker ein Betongebäude gebaut hat, das einem Erdbeben der Stärke 8 standhalten kann. Mit der Zeit scheint auch der „3D-Druck mit einem 3D-Drucker“ möglich.

Abgesehen von den potenziellen Kunden interessieren sich Bastler und Hersteller jedoch immer noch mehr für Desktop-3D-Drucker – welche Typen es gibt, wie schnell sie drucken und wie viel sie kosten. Wenn Sie den Dingen gerne auf den Grund gehen oder schon einmal versucht haben, einen 3D-Drucker selbst zu bauen, haben Sie bestimmt auch über die Frage nachgedacht: Wie bewegen sie sich?

XYZ, I3 und CoreXY sind derzeit die beliebtesten Stile 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. Ein Ende jeder Achse ist mit einem Motor zur Stromversorgung ausgestattet. Synchronriemen oder Leitspindeln wandeln dann die Drehung des Motors in eine lineare Bewegung entlang der X-, Y- und Z-Richtung um. Schließlich kann die Maschine mit den linearen Führungsschienensystemen in den drei Richtungen die Düse an jedem Punkt im durch die Achsen gebildeten 3D-Raum positionieren, das Filament extrudieren und ein 3D-Objekt erstellen.

Warum sind Leitsysteme wichtig?

Die Führungssysteme dienen beim Drucken hauptsächlich drei Zwecken:

1. Präzision: Sorgen Sie für 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: Reduziert die Reibung mit Lagern oder Rollen und trägt 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 zum Einsatz kommen, gehören im Allgemeinen:

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

Räder & Profile

Unter allen Führungen ist die Kombination aus Rädern und Profilen wohl 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 besteht aus Stahl und Kugellagern. POM zeichnet sich durch eine hohe Festigkeit, geringe Verformung und hervorragende Abriebfestigkeit aus und eignet sich daher besonders für die Herstellung von Druckerrädern. Bei sachgemäßer Verwendung können POM-Walzen Hunderte von Stunden halten. Einige Hersteller verwenden auch PC (Polycarbonat) zur Herstellung von Rädern, die eine noch höhere Festigkeit und längere Lebensdauer aufweisen, allerdings zu einem etwas höheren Preis.

Um eine lineare Bewegung zu gewährleisten, sollten die Räder die Profile gut greifen. Zu locker und bei hohen Geschwindigkeiten kann es zu Vibrationen kommen. Ein zu fester Sitz erhöht den Verschleiß – angesammelter Schmutz kann sich zwischen den Rädern und Schienen ansammeln und zu holprigen oder ruckartigen Bewegungen führen. Daher müssen Benutzer die Radspannung entsprechend der 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 auf als Metalle. Eine Radverformung während der Bewegung ist schwer zu vermeiden, daher weisen Drucker mit Rädern im Allgemeinen eine geringere Präzision auf als solche mit Stahlführungen.

Die bei 3D-Druckern üblicherweise verwendeten Profile sind in zwei Ausführungen erhältlich: V-Nut-Profile und T-Nut-Profile. Wie der Name schon sagt, besteht 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 ausreichend leistungsfähig 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, überall 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, ihr Augenmerk stärker auf eine andere Kombination mit überlegener Präzision und Stabilität zu richten – lineare Stangen und Lager. Stangen- und Lagerführungen sind in den letzten Jahren fast zum Synonym für Führungssysteme für 3D-Drucker geworden. Für jede Achse des Druckers werden mindestens 2 Stangen und 2 Lager benötigt. Die Lager wickeln sich entweder um die Stangen oder haften an ihnen, während sie mit Schlitten verbunden sind, die auf einem Extruder oder einem beheizten Bett montiert sind, um die lineare Bewegung zu führen.

Ein linearer Stab, auch glatter Stab genannt, ist einfach ein zylindrischer Stahlstab, der in verschiedenen Größen erhältlich ist – 3D-Drucker verwenden typischerweise solche mit einem Durchmesser von 8 mm. Stangen können mit hoher Maßgenauigkeit und sehr glatten Oberflächen bearbeitet werden. In Kombination mit Kugellagern können mit richtig montierten Stangen recht gute lineare Bewegungen erzielt werden.

Und ja, es gibt auch Nachteile, wenn es glatt ist. Bei Verwendung zur Führung müssen die Stangen an beiden Enden mit Metallklammern befestigt werden. Außerdem können sich Lager nicht nur linear bewegen, sondern auch um 360° um die Zylinder drehen. Deshalb müssen sie an Lagern an einer anderen parallelen Stange befestigt werden, damit sich der Extruder oder das Heizbett linear bewegen kann. Die Parallelität zwischen zwei Stäben kann insbesondere für Heimwerker eine Herausforderung sein.

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

Bei den bei Stangen verwendeten Lagern handelt es sich hauptsächlich um U-Nut-Lager und Linearlager, die komplett aus Stahl gefertigt sind. U-Nut-Lager ähneln Rädern, die entlang der Stangen rollen können. Linearlager haben außen eine zylindrische Hülse und innen mehrere Kugelreihen, die entlang der Welle zirkulieren können. Beide ermöglichen eine reibungslose Führung mit minimaler Reibung.

Stangen und Lager sind langlebig und müssen nur gelegentlich von Ablagerungen auf den Stangen gereinigt und die Lager geschmiert werden. Wenn die Stangen in einem Gehäuse eingeschlossen sind und nicht als Rahmen dienen, ist die Demontage des Gehäuses und das Schmieren der Lager einfach. Der Austausch verschlissener Lager nach längerem Gebrauch kann jedoch etwas schwierig sein.

Vorteile

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

Nachteile

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

Linearschienen

Linearschienen, auch Linearführungen genannt, liegen in den letzten Jahren im Trend. Der Stahlschienenteil verfügt auf jeder Seite über eine Schiene, und die darauf angebrachten Gleiter enthalten zwei Sätze Kugellager, die sich entlang der Schienen bewegen können. Neben industriellen 3D-Druckern nutzen auch immer mehr Desktop-Hersteller Linearschienen in ihren High-End-Produktlinien.

Obwohl beide aus Stahl bestehen, sind Linearschienen bei der tatsächlichen Arbeit im Vergleich zu Stangen weniger anfällig für Biegungen und Vibrationen. Dies ist vor allem auf die einzigartige Montagemethode zurückzuführen. Stangen werden nur an beiden Enden befestigt, während Linearschienen in regelmäßigen Abständen an der Oberfläche Befestigungslöcher haben, die eine feste Befestigung am Gehäuse oder anderen Trägerstrukturen ermöglichen.

Dies sorgt einerseits für eine stabile lineare Bewegung und verbessert die Druckqualität, andererseits erhöht es die Geschwindigkeitsbegrenzung, indem übermäßiges Wackeln bei hohen Geschwindigkeiten verhindert wird. Dies ist einer der Gründe, warum J1 eine hohe Druckgeschwindigkeit erreichen kann.

Bei der Montage können Linearschienen eine einzelne Achse ohne Paarung führen, was Platz und Gewicht spart und die Maschine leichter und kompakter macht. Auch um die Schienenparallelität muss man sich keine Sorgen machen.

Das klingt alles großartig, aber wo ist der Haken? Der Preis. Grobe Berechnungen zeigen, dass die Gleitschienen für lineare Schienen zwar ähnliche Preise haben wie die Lager für Stangen, die Schienen selbst jedoch etwa das 2,5- bis 4-fache eines Stangenpaars gleicher Länge kosten. Im Vergleich dazu sind Ruten günstig und gut genug. Wenn man die Mehrkosten gegen die Leistungssteigerung abwägt, würden sich die meisten Heimwerker immer noch für Stangen und Lager entscheiden.

Für die Wartung ähneln Linearschienen den ersteren und erfordern eine regelmäßige Schmierung der Lager. Auch freiliegende Schienen müssen gelegentlich gereinigt werden.

Vorteile

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

Nachteile

• Kann nicht als Stützkonstruktion dienen, muss auf Profilen usw. installiert werden;
• Teuer.

Eingebettete Linearschienen

Anstatt die oben genannten Leitfäden direkt zu nutzen, suchen einige Hersteller auch nach besseren Lösungen, um die 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 bei eingebetteten Linearschienen erhalten.

Bei der Herstellung der Linearmodule bettet FUYU zwei Stahlstreifen in die Innenwände des Gehäuses aus Aluminiumlegierung ein und schleift den Stahl anschließend präzise mit einer Bearbeitungsgenauigkeit im Mikrometerbereich zu Schienen. Außerdem wird die Steifigkeit durch die breiteren eingebetteten Schienen weiter verbessert, ohne das Gewicht zu erhöhen, was sich besser für Hochleistungs-CNC-Operationen eignet – schließlich erfordern gewöhnliche 3D-Drucker keine so extreme Steifigkeit.

Im Vergleich zur direkten Montage von Linearschienen auf der Oberfläche von Profilen verhindert die Einbettung der Stahlschienen in die Linearmodule die Staubansammlung auf den Schienen und verringert so die Wartungshäufigkeit. Außerdem werden die Module dadurch leichter und kompakter, sodass eine teure Maschine am Ende nicht wie ein Heimwerkerprojekt aussieht. Das Einbetten von Linearschienen stellt den Hersteller jedoch vor erhebliche fertigungstechnische Herausforderungen und bietet keinen Kostenvorteil gegenüber normalen Linearschienen.

Vorteile

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

Nachteile

• Teuer;
• Nicht für Heimwerker geeignet.