Die 3D-Drucktechnologie entwickelt sich rasant. Gerade noch sprechen wir über die Herstellung von kleinem Spielzeug für Kinder, und schon lesen wir von einem 3D-Drucker, der ein erdbebensicheres Gebäude aus Beton errichtet hat, das einem Erdbeben der Stärke 8 standhält. Mit der Zeit scheint es sogar möglich, einen 3D-Drucker selbst herzustellen.

Doch abgesehen von den Zukunftsaussichten interessieren sich Hobbybastler und Tüftler nach wie vor vor allem für Desktop-3D-Drucker – welche Typen es gibt, wie schnell sie drucken und wie viel sie kosten. Wer den Dingen auf den Grund gehen möchte oder schon einmal selbst einen 3D-Drucker gebaut hat, hat sich sicher auch schon die Frage gestellt: Wie bewegen sie sich?

XYZ-, I3- und CoreXY-3D-Drucker sind derzeit die gängigsten Bauformen. Ihre Funktionsweise ist folgende: Die Maschine verfügt über eine oder mehrere Achsen in X-, Y- und Z-Richtung des dreidimensionalen Koordinatensystems. An einem Ende jeder Achse befindet sich ein Motor zur Energieversorgung. Synchronriemen oder Gewindespindeln wandeln die Motordrehung in eine lineare Bewegung entlang der X-, Y- und Z-Achse um. Mithilfe der Linearführungen in den drei Richtungen kann die Maschine die Düse an jedem beliebigen Punkt im dreidimensionalen Raum positionieren, das Filament extrudieren und so ein 3D-Objekt erzeugen.

Warum sind Leitsysteme wichtig?

Die Führungssysteme erfüllen beim Druckvorgang im Wesentlichen drei Zwecke:

1. Präzision: Enge Toleranzen gewährleisten, Wackeln verhindern und sicherstellen, dass sich der auf den Führungen installierte Druckkopf oder das Heizbett linear in der vorgegebenen Richtung bewegt;
2. Laufruhe: Verringerung der Reibung mit Lagern oder Rollen und Beitrag zu einer gleichmäßigeren Bewegung;
3. Zuverlässigkeit: Führungsstrukturen mit ausgezeichneter Steifigkeit können die Zuverlässigkeit der Maschine verbessern und im Laufe der Zeit zu gleichmäßigeren Drucken beitragen.

Die Vielfalt der Leitsysteme

Im Allgemeinen umfassen die Führungssysteme, die bei 3D-Druckern verwendet werden:

1. Räder und Profile
2. Linearstangen und Lager
3. Lineare Schienen
4. Eingebaute Linearführungen

Räder und Profile

Unter allen Führungssystemen ist die Kombination aus Rollen und Profilen wohl die gängigste und kostengünstigste. Typischerweise laufen drei bis vier 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 ausgezeichnete Abriebfestigkeit aus und eignet sich daher besonders für Druckerräder. Bei sachgemäßer Verwendung können POM-Walzen mehrere hundert Stunden halten. Einige Hersteller verwenden auch PC (Polycarbonat) für die Räder, das eine noch höhere Festigkeit und längere Lebensdauer aufweist, allerdings zu einem etwas höheren Preis.

Um eine lineare Bewegung zu gewährleisten, müssen die Räder die Profile optimal greifen. Bei zu lockerem Sitz können Vibrationen bei hohen Geschwindigkeiten auftreten. Zu fester Sitz erhöht den Verschleiß – Ablagerungen können sich zwischen Rädern und Schienen ansammeln und zu ruckartigen Bewegungen führen. Daher müssen Benutzer die Radspannung an die Funktionsweise des Druckers anpassen, Ablagerungen entfernen und die Räder bei Bedarf austauschen. Im Vergleich zu anderen Führungen erfordert die Kombination aus Rad und Profil eine häufigere Wartung.

Zudem weisen Kunststoffe eine geringere Steifigkeit als Metalle auf. Verformungen der Räder während der Bewegung lassen sich kaum vermeiden, weshalb Drucker mit Rädern im Allgemeinen eine geringere Präzision aufweisen als solche mit Stahlführungen.

Die in 3D-Druckern üblicherweise verwendeten Profile sind in zwei Ausführungen erhältlich: V-Nut- und T-Nut-Profile. Wie die Namen bereits andeuten, liegt der Hauptunterschied in ihrer Querschnittsform. Unterschiedliche Profile werden mit unterschiedlichen Rollen kombiniert, um eine optimale Führung zu gewährleisten.

Da die Profile individuell anpassbar, kostengünstig und ausreichend leistungsstark sind, ist die Kombination aus Rädern und Profilen die erste Wahl für viele DIY-3D-Druckerprojekte.

Vorteile

• Gute Führungsleistung, günstig und nützlich;
• Reichlich Auswahl, weit verbreitet;
• Einfach zu installieren, zu verwenden und zu modifizieren;

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 einer anderen Kombination mit höherer Präzision und Stabilität zuzuwenden: Linearstangen und Lagern. In den letzten Jahren sind Stangen- und Lagerführungen fast schon zum Synonym für Führungssysteme in 3D-Druckern geworden. Pro Achse des Druckers werden mindestens zwei Stangen und zwei Lager benötigt. Die Lager umschließen oder umschließen die Stangen und sind mit Schlitten verbunden, die an einem Extruder oder einem Heizbett montiert sind, um die Linearbewegung zu führen.

Eine Linearstange, auch als glatte Stange bekannt, ist im Prinzip eine zylindrische Stahlstange, die in verschiedenen Größen erhältlich ist – 3D-Drucker verwenden typischerweise Stangen mit 8 mm Durchmesser. Stangen lassen sich mit hoher Maßgenauigkeit und sehr glatten Oberflächen bearbeiten. In Kombination mit Kugellagern ermöglichen korrekt montierte Stangen recht gute Linearbewegungen.

Und ja, auch eine glatte Oberfläche hat Nachteile. Werden die Stangen zur Führung verwendet, müssen sie an beiden Enden mit Metallklemmen fixiert werden. Außerdem können sich Lager nicht nur linear bewegen, sondern sich 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 zweier Stangen herzustellen, kann insbesondere für Heimwerker eine Herausforderung sein.

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

Die für Stangen verwendeten Lager sind hauptsächlich U-Nutlager und Linearführungen aus Stahl. U-Nutlager ähneln Rädern, die entlang der Stangen rollen. Linearführungen bestehen aus einer zylindrischen Hülse mit mehreren Kugelreihen im Inneren, die sich entlang der Welle bewegen. Beide Lagertypen ermöglichen eine reibungslose und gleichmäßige Führung.

Pleuelstangen und Lager sind langlebig und benötigen lediglich gelegentliches Reinigen der Pleuelstangen von Ablagerungen sowie Schmieren der Lager. Sind die Pleuelstangen in einem Gehäuse eingeschlossen und bilden nicht den Rahmen, lässt sich das Gehäuse einfach demontieren und die Lager schmieren. Der Austausch verschlissener Lager nach längerem Gebrauch kann jedoch etwas knifflig sein.

Vorteile

• Hervorragende Führungsleistung, hohe Präzision, moderate Kosten;
• Reichlich Auswahl, weit verbreitet;
• Geringer Wartungsaufwand;

Nachteile

• Größerer Platzbedarf und höheres Gewicht im geschlossenen Zustand;
• Parallelismus kann ein Problem darstellen;
• Der Austausch von Lagern kann knifflig sein.

Lineare Schienen

Linearführungen, auch als Linearschienen bezeichnet, erfreuen sich in den letzten Jahren zunehmender Beliebtheit. Die Stahlschiene verfügt beidseitig über eine Führungsschiene, auf der Gleitstücke mit jeweils zwei Kugellagern sitzen, die sich entlang dieser Schienen bewegen. Neben industriellen 3D-Druckern setzen auch immer mehr Hersteller von Desktop-Geräten Linearführungen in ihren High-End-Produktlinien ein.

Obwohl beide aus Stahl gefertigt sind, erweisen sich Linearführungen im praktischen Einsatz als weniger anfällig für Biegung und Vibrationen als Stangen. Dies ist hauptsächlich auf ihre spezielle Befestigungsmethode zurückzuführen. Stangen werden lediglich an beiden Enden fixiert, während Linearführungen in regelmäßigen Abständen Befestigungslöcher auf der Oberfläche aufweisen, wodurch sie fest mit dem Gehäuse oder anderen Trägerstrukturen verbunden werden können.

Dies gewährleistet einerseits eine stabile Linearbewegung und verbessert die Druckqualität, andererseits erhöht es die Höchstgeschwindigkeit, indem übermäßiges Rütteln bei hohen Geschwindigkeiten verhindert wird. Dies ist einer der Gründe, warum der J1 Hochgeschwindigkeitsdruck ermöglicht.

Bei der Montage können Linearführungen eine einzelne Achse ohne Paarung führen, was Platz und Gewicht spart und die Maschine leichter und kompakter macht. Auch die Parallelität der Schienen spielt keine Rolle.

Das klingt alles super, aber wo ist der Haken? Der Preis. Grobe Berechnungen zeigen, dass die Gleitstücke für Linearführungen zwar ähnlich viel kosten wie die Lager für Stangen, die Schienen selbst aber etwa 2,5- bis 4-mal so viel wie ein Paar Stangen gleicher Länge. Im Vergleich dazu sind Stangen günstig und völlig ausreichend. Wägt man die Mehrkosten gegen den Leistungszuwachs ab, würden die meisten Heimwerker trotzdem zu Stangen und Lagern greifen.

Hinsichtlich der Wartung ähneln Linearführungen den zuvor genannten Systemen und erfordern eine regelmäßige Schmierung der Lager. Freiliegende Schienen müssen zudem gelegentlich gereinigt werden.

Vorteile

• Sehr hohe Präzision;
• Unterstützt Hochgeschwindigkeitsdruck;
• Platzsparend, komfortabel in der Anwendung;

Nachteile

• Kann nicht als Stützstruktur dienen, muss auf Profilen usw. montiert werden;
• Teuer.

Eingebaute Linearführungen

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

Die Kernstärke von Linearführungen liegt in der hohen Steifigkeit der Stahlschienen und der präzisen, gleichmäßigen Bewegung, die durch die Kugellager ermöglicht wird. Diese Vorteile bleiben auch bei eingebetteten Linearführungen erhalten.

Bei der Herstellung der Linearmodule bettet FUYU zwei Stahlstreifen in die Innenwände des Aluminiumgehäuses ein und schleift diese anschließend per CNC-Fräse mit mikrometergenauer Präzision zu Schienen. Durch die breiteren, eingebetteten Schienen wird die Steifigkeit weiter verbessert, ohne das Gewicht zu erhöhen. Dies eignet sich besser für leistungsstarke CNC-Bearbeitungen – schließlich benötigen herkömmliche 3D-Drucker keine so extreme Steifigkeit.

Im Vergleich zur direkten Montage von Linearführungen auf der Oberfläche von Profilen verhindert das Einbetten der Stahlschienen in die Linearmodule Staubablagerungen und reduziert so den Wartungsaufwand. Zudem werden die Module dadurch leichter und kompakter, sodass eine teure Maschine nicht wie ein Heimwerkerprojekt wirkt. Allerdings stellt das Einbetten von Linearführungen den Hersteller vor erhebliche Herausforderungen, ohne dass sich dadurch Kostenvorteile gegenüber herkömmlichen Linearführungen ergeben.

Vorteile

• Wie Linearführungen: sehr hohe Präzision, unterstützt Hochgeschwindigkeitsdruck, geringer Platzbedarf;
• Die Schienensteifigkeit wurde weiter verbessert;
• Geringerer Wartungsaufwand durch geschlossene Schienen;

Nachteile

• Teuer;
• Nicht für Heimwerker geeignet.