Es gibt eine beeindruckende Auswahl an Thermoplasten, die auf Consumer-Desktop-3D-Druckern gedruckt werden können. Trotzdem wenden sich Benutzer am häufigsten Polylactid (PLA) -Filamenten zu. Es ist nicht nur das billigste Material, sondern auch das am einfachsten zu handhabende. Es kann bereits bei 180 ° C extrudiert werden und es können gute Ergebnisse erzielt werden, auch ohne den Tisch zu erhitzen. Der Nachteil von PLA-Druckobjekten besteht darin, dass sie relativ spröde sind und hohe Temperaturen nicht gut vertragen. Für das Prototyping oder den Druck von Leichtbauteilen eignet sich PLA hervorragend. Viele Benutzer gehen jedoch schnell über ihre Möglichkeiten hinaus.
Der nächste Schritt ist normalerweise Polyethylenterephthalat (PETG). Es ist nicht viel schwieriger zu verarbeiten als PLA, während es zuverlässiger ist und höheren Temperaturen standhält. Im Allgemeinen eignet es sich besser zur Herstellung mechanisch belasteter Teile. Wenn Sie jedoch noch stärkere und hitzebeständigere Teile herstellen müssen, können Sie auf Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polycarbonat (PC) oder Nylon umsteigen. Und hier beginnen die Probleme. Diese Materialien werden bei Temperaturen über 250 ° C extrudiert. Für beste Ergebnisse werden geschlossene Kammern empfohlen. Diese Drucker stehen ganz oben im Budgetbereich, mit dem Hobbyisten gerne zusammenarbeiten.
Industrielle 3D-Drucker wie dieser, der Apium P220, kosten ab rund 30.000 US-Dollar.
Die teuersten industriellen 3D-Drucker können jedoch noch stärkere Kunststoffe verwenden - Polyetherimid (PEI) oder etwas aus der Polyaryletherketon-Familie (PAEK, PEEK, PEKK). ... Komponenten aus diesen Kunststoffen eignen sich für Luft- und Raumfahrtanwendungen, da sie Metall ersetzen können und dabei viel leichter bleiben.
Solche Kunststoffe müssen bei Temperaturen in der Größenordnung von 400 ° C extrudiert werden, und für den Betrieb ist eine abgedichtete Kammer erforderlich, deren Temperatur konstant 100 ° C überschreitet. Die billigsten Drucker dieser Art kosten Zehntausende von Dollar, und einige Modelle kosten sogar sechsstellige Beträge.
Natürlich kann man vor nicht allzu langer Zeit das Gleiche über alle 3D-Drucker sagen. Früher verwendeten nur gut ausgestattete Forschungslabors solche Maschinen, heute stehen sie auf den Werkbänken von Hackern und Hobbyisten auf der ganzen Welt. Es ist schwer vorherzusagen, ob bei Hochtemperatur-3D-Druckern derselbe Wettlauf um Preissenkungen beginnen wird, aber die ersten Schritte zur Demokratisierung der Technologie wurden bereits unternommen.
Technische Schwierigkeiten
Einfach gesagt, die Maschine, die diese sogenannten unterstützt. "Engineering Plastics" muss eine Mischung aus 3D-Drucker und Herd sein. Dies ist natürlich das Hauptproblem. Der Drucker selbst - der Typ und die Qualität, die wir auf unseren Schreibtischen gewohnt sind - wird unter solchen Bedingungen nicht überleben. Damit ein Verbraucherdrucker PEI- und PEEK-Kunststoffteile herstellen kann, muss er ernsthaft recycelt werden. Das kam 2016 von der NASA LulzBot TAZ 4.
LulzBot TAZ 4, neu gestaltet, um das Drucken bei hohen Temperaturen zu unterstützen
Zunächst musste ein isolierter Körper für die TAZ 4 entworfen und ein Satz 35-W-Infrarotlampen zum Heizen installiert werden. Unter solchen Bedingungen würde sich die Elektronik des Druckers natürlich überhitzen - daher mussten sie ihn nach draußen bringen.
Schrittmotoren würden ebenfalls überhitzen. Anstatt sie durchzuführen, beschloss ein Team des Langley Research Center, Kühlabdeckungen an jedem der Motoren anzubringen, durch die Druckluft zirkulieren würde.
Wie viele Desktop-3D-Drucker verwendet der TAZ 4 mehrere gedruckte Komponenten. Da sie aus ABS bestehen, würden sie schnell in einer Kammer zusammenfallen, die PEEK unterstützen soll. Sie wurden vom PC aus gedruckt, aber selbst dieses Material war für den ständigen Gebrauch nicht haltbar genug. In der klassischen RepRap-Tradition druckte das Team den letzten, dritten Satz von Komponenten auf dem am meisten modifizierten Drucker aus PEI-Kunststoff mit dem kommerziellen Namen Ultem.
Überraschenderweise hatte das Team wenig Probleme, die Druckerdüse durch eine andere zu ersetzen, die Kunststoff bei 400 ° C extrudieren kann. Der beliebte E3D-v6-Extruder kostet weniger als 100 US-Dollar und hat sich als fähig erwiesen, diese Temperatur aufrechtzuerhalten. Das Team musste zwar den Thermistor durch einen besseren ersetzen und die Marlin-Firmware so modifizieren, dass sie hohe Temperaturen erreichen konnte. Bei herkömmlichen Druckern sollte eine zu hohe Temperatur eine Notabschaltung verursachen.
Ergebnisse des Druckens aus Ultem 1010-Kunststoff auf einem recycelten LulzBot TAZ 4.
Am Ende zeigte ein NASA-Bericht, dass die Überarbeitung von LulzBot TAZ 4 vollständig erfolgreich war. Sie stellten fest, dass der Versuch, den PEI bei ausgeschalteten Infrarotlampen zu drucken, fehlschlug - das Modell wurde delaminiert und verzogen, was zu erwarten ist. Sie gaben jedoch nicht die Kosten für die Nacharbeit an, da TAZ 4 zu diesem Zeitpunkt 2.200 USD kostete und das gesamte Projekt zehnmal billiger sein könnte als ähnliche kommerzielle Vorschläge.
Von Anfang an anfangen
Das Experiment der NASA hat gezeigt, dass ein vorhandener Desktop-3D-Drucker kostengünstig für den Druck mit technischen Hochtemperaturkunststoffen umgerüstet werden kann. Aber kaum jemand glaubt, dass dieser Ansatz die ideale Lösung ist. Es sind zu viele sich wiederholende Operationen erforderlich, und die NASA-Ingenieure mussten einige der von den LulzBot-Entwicklern getroffenen Entscheidungen aufgeben. Dennoch bot das Experiment eine wertvolle Grundlage für andere Projekte, die von Grund auf neu erstellt wurden.
Im September 2020 präsentierte ein Team der Michigan Technological University CerberusIst ein Open-Source-Hochtemperatur-3D-Drucker, der Elemente aus PEI und PEKK erstellen kann. Die Montage kostet nur 1000 US-Dollar. Ohne zu versuchen, vorhandene Designs anzupassen, begann das Team mit der Entwicklung von Grund auf mit dem Ziel des Hochtemperaturdrucks. Die gesamte Elektronik ist getrennt von der abgedichteten Kammer mit einem Kilowatt-Heizelement untergebracht, das die Kammertemperatur schnell auf Betriebstemperatur erhöht.
Alle Schrittmotoren sind auch außerhalb der Kamera. Aus diesem Grund wird die Kinematik komplexer als bei Desktop-3D-Druckern, aber Cerberus benötigt kein spezielles Kühlsystem mehr für Motoren.
Der Bau von Cerberus ist für den ambitionierten Bastler durchaus erschwinglich. Es verfügt über eine vereinfachte Schaltung, eine vorgefertigte Steuerelektronik auf der Basis von Arduino Mega 2560 und RAMPS 1.4 sowie den gleichen E3D-v6-Extruder wie TAZ 4. Darüber hinaus hat das Team klare und detaillierte Anweisungen für die Montage des Druckers gegeben - dies ist im NASA-Bericht nicht der Fall Treffen.
Möglichkeiten erweitern
Ob es sich um eine Überarbeitung von TAZ 4 der NASA oder um neue Designs wie Cerberus handelt, es ist klar, dass die technischen Möglichkeiten des PEI- und PEEK-Drucks in der Heimwerkstatt bereits für diejenigen verfügbar sind, die sie dringend benötigen. Es ist zwar nicht so einfach wie der Kauf eines 3D-Druckers für 200 US-Dollar bei Amazon, aber wenn die Nachfrage steigt, wird es billigere Maschinen auf dem Markt geben, die auf denselben Prinzipien basieren. Die Situation unterscheidet sich nicht wesentlich von der aktuellen Welle erschwinglicher Laserschneider, die in den letzten Jahren auf den Markt gekommen sind.
Fans aus aller Welt drucken PSA
Gibt es eine Nachfrage nach solchen Maschinen? Vor einem Jahr hätte die Antwort anders sein können als heute. Bei der Bekämpfung der Coronavirus-Pandemie besteht jedoch eine neue Nachfrage nach einer schnellen Herstellung von persönlicher Schutzausrüstung (PSA), die niemand hätte vorhersehen können.
Wie im Cerberus-Papier beschrieben, hat sich das Team für die Entwicklung eines erschwinglichen 3D-Hochtemperaturdruckers begeistert, gerade weil damit PSA gedruckt werden können, die bei hohen Temperaturen sterilisiert werden können. Das Team ist der Ansicht, dass aus PEKK gedruckte Masken wiederverwendet und nicht weggeworfen werden können.
Komponenten, die mehrfach gedruckt und sterilisiert werden können, haben offensichtlich andere potenzielle medizinische Anwendungen. Eine tragbare, kostengünstige Maschine, die solche Komponenten herstellen kann, kann Leben an Orten auf dem Planeten retten, an denen ein schneller Zugang zu Verbrauchsmaterialien und Ausrüstung nicht möglich ist.
Kritiker des 3D-Drucks haben oft gesagt, dass der Hauptnachteil dieser Maschinen darin besteht, dass die Zuverlässigkeit der von ihnen hergestellten Gegenstände es selten ermöglicht, sie für etwas anderes als grobes Prototyping zu verwenden. Aber wenn ein 1.000-Dollar-Drucker anfängt, Komponenten für die Luft- und Raumfahrt zu produzieren, scheinen wir in einem beispiellosen Tempo in eine Fertigungsrevolution zu geraten.