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Neuigkeiten Das Projekt Technik RoboSpatium Unterstützung Stichwortverzeichnis Download Reaktionen Spiele Gadgets Kontakt <<< Extruder V7.1 Spritzen-Extruder >>> Eigenschaften von Kunststoffpulver und Direkt Granulat Extruder V7.2Video zum Direkt Granulat Extruder V7.2Design von Extruder V7.2
Für die Drucktests in diesem Kapitel habe ich Version 7.2 verwendet, die sich von der Vorgängerversion V7.1 nur dadurch unterscheidet, dass der Gewindeverbinder oben auf einer Länge von 15mm ca. 1mm breit eingeschnitten ist. Dieser Spalt wird durch den Alublock der Wasserkühlung verschlossen - es bleibt eine Einkerbung, die als Bremse in radialer Richtung wirkt und somit die Extrusion verbessert. Die Engstelle befindet sich 20mm von der Oberkante entfernt. Diese ist 1-2mm breit und so tief, dass ein Durchmesser von 8 bis 8.5mm verbleibt. Der obere Teil ist außen aufgeraut - auch das hat sich in der Praxis als vorteilhaft erwiesen, da die Extruderröhre an dem Alublock der Wasserkühlung mit zwei Schrauben lediglich festgeklemmt wird. Als Extruderschnecke fungiert weiterhin eine handelsübliche Holzschraube mit 6mm Durchmesser am Gewinde und 3.7mm am Kern. Das Gewinde der M6er Edelstahl-Hülse wird mit einem 6.8mm Bohrer entfernt und diese Bohrung anschließend mit einer Hand- oder Maschinenreibahle auf einen Durchmesser vom 7mm vergrößert. Die Reibahle sorgt dafür, dass die Wand der Bohrung glatter ist. Die Bohrung wird an der Oberkante auf eine Tiefe von 6-8mm auf 8mm aufgebohrt. Der Extruder funktioniert prinzipiell auch ohne diese Stufenbohrung, der Materialvorschub pro Schraubenumdrehung ist mit dieser Erweiterung an der Oberkante aber bis zu 20% höher. Zwei oder gar mehr Stufenbohrungen, mit einem Abstand von 3-4mm funktionieren auch, die Verbesserung in der Extrusionsrate ist aber eher klein - zumindest bei dem PLA Pulver. Bei anderen Materialien könnte das anders sein. 
An der Oberkante wird die Gewindehülse mit einem 90° Senker bis fast zum Außendurchmesser erweitert. Zwei weitere Einkerbungen an der Oberkante verbessern den Materialvorschob. 
Damit verbleibt bei einer 7mm Bohrung zwischen Extruderwand und Schraubenkern ein maximaler Spalt von 1.65mm. Entsprechend muss das zu druckende Rohmaterial eine Korngröße haben, die kleiner ist. Alle weiteren Komponenten sind unverändert im Vergleich zur Vorgängerversion V7.0. Rohmaterial
Hier zu sehen ist industrielles Granulat, das mit Größen von 3-5mm nicht in meinen Extruder passt, und daher nicht direkt gedruckt werden kann: Die Körner weisen eine unregelmäßige Form ohne scharfe Ecken und Kanten auf. Hergestellt werden diese, indem geschmolzener Kunststoff durch eine gelochte Platte gepresst und im noch nicht vollständig erkalteten Zustand direkt hinter der Platte von einem scharfen Messer abgeschabt wird. Die scharfe Schnittkante zerfließt wieder bevor der Kunststoff erstarrt und es entstehen die hier zu sehenden kugelähnlichen Partikel. 
Die Pellets sind zylinderförmig mit einem Durchmesser von 1.5mm und bis zu 2mm Länge. Diese werden hergestellt, indem 1.5mm durchmessendes Filament im kalten Zustand gehäckselt wird. Die Schnittstelle ist entsprechend scharfkantig. 
Hier zu sehen ist das mit einer modifizierten Getreidemühle hergestellte Pulver aus PLA Abfällen. Es handelt sich um eine alte Charge, die ich vor mehr als einem Jahr hergestellt habe - mittlerweile verwende ich ein etwas feineres Sieb. Das Sieb hatte 1.6mm Bohrungen, womit im Vergleich zum industriellen Pulver deutlich größere Körner in dem Mix zu sehen sind. die Körner sind bunt, da ich das PLA nicht farbrein sortiert hatte. 
Das industrielle Granulat besteht aus sehr kleinen, scharfkantigen Partikeln unregelmäßiger Form, was ein Indiz dafür ist, dass dieses Material durch mechanisches zerkleinern von größeren Partikeln gewonnen wurde. Die Partikelgröße ist mit 0.4mm spezifiziert, aber die Größe ist nicht einheitlich, es sind viele Körner zu erkennen, deren Größe deutlich unterhalb der Spezifikation von 400 Mikrometern liegt. Nach dem Zerkleinern wird auch dieses Material gesiebt und die spezifizierte Größe bezieht sich auf die Maschenweite des verwendeten Siebes. Die Partikel sind transparent, das PLA wurde mit keinerlei Farbstoffen versetzt. Dichte
Zur Bestimmung der Dichte wurde ein Gefäß mit einem Volumen von 5x5x4cm = 100cm3 befüllt und das Gewicht bestimmt. Die folgenden Werte wurden ermittelt: Granulat: 0.69g/cm3 Pellets: 0.66g/cm3 Recyceltes Pulver: 0.55g/cm3 Industrielles Pulver: 0.51g/cm3 Komprimierbarkeit
Bei diesem Versuch wurden die Materialien in eine 20ml Spritze gefüllt und auf den Stempel wurden anschließend leichte Hammerschläge ausgeübt. Granulat und Pellets waren nur unwesentlich zu verdichten und das Material ist anschließend wieder leicht aus der Spritze herausgerieselt. Bei dem recycelten Pulver hat sich das Volumen um 1.5ml komprimieren lassen, beim industriellen Pulver um etwas mehr als 2ml. Diese beiden Materialien sind nur nach leichtem Klopfen wieder aus der Spritze herausgerieselt. Entmischung
Hier habe ich ein Glas mit einem Gemenge aus dem industriellen Pulver und den grünen Pellets befüllt. Das Glas wurde für einige Sekunden geschüttelt, was die Bewegung des Druckkopfes mit dem Vorratsbehälter simuliert. Zu sehen ist, dass sich die großen, grünen Pellets nach oben bewegen, während das Pulver im Glas nach unten wandert. Der Füllgrad ist nicht mehr einheitlich und da der Materialeintritt in den Extruder von diesem abhängt, muss diese Entmischung des Rohmaterials verhindert werden. Füllgrad
Hier habe ich die Materialien in eine Spritze mit 4.5mm Innendurchmesser gefüllt. Betrachtet man die Teilvolumina, so ist zu sehen, dass sich in der Röhre unterschiedlich große Hohlräume ausbilden. Die sich daraus ergebenden statistischen Schwankungen in der Extrusionsrate sind um so geringer, je kleiner die Korngröße des Materials sind. die Pulver habe ich anschließend mit Hilfe eines Schrittmotors und dem Stempel der Spritze herausgepresst. Auch dabei hat sich gezeigt, dass sich die Pulver am gleichförmigsten bewegen. Die größten Schwankungen traten bei den Pellets auf. Die scharfen Kanten der Schnittstellen haben sich an der Spritzenwand verhakt und die Bewegung zeitweise blockiert. Eintritt in den Extruder
Auch der Eintritt in den Extruder verläuft mit geringeren statistischen Schwankungen, je kleiner die Körner der Rohmaterials sind: Passt zwischen Schraube und Extruderwand nur ein Pellet, ist es von entscheidender Bedeutung, ob dieses sofort von der Schraube gegriffen werden kann, oder sich vorher noch ein paar Millimeter an der Oberkante der Röhre bewegt. Beim Pulver ist die Bewegung eines einzelnen Kornes weniger von Bedeutung; die statistischen Schwankungen sind somit auch beim Materialeintritt geringer. Rieselfähigkeit
Granulat und Pellets sind für den Materialtransport zum Extruder optimiert. Diese besitzen eine hohe Rieselfähigkeit, können also leicht von Vorratsbehältern über Trichter und Röhren zugeführt werden. Die scharfkantigen Körner der Pulver besitzen eine höhere Reibung untereinander und mit den Wänden der Materialzufuhr. Ein weiterer Negativpunkt von Pulver ist der feine, staubförmige Anteil, der an allen Gegenständen durch elektrostatische Kräfte haften bleibt und vom kleinsten Luftzug erfasst wird. Daher sind beim Umgang mit Pulvern besondere Sicherheitsvorkehrungen zu beachten - das Tragen einer Staubmaske ist nur eine davon. Kunststoffgranulat ist oftmals beschichtet, um Abrieb beim Transport und somit die Staubbildung zu reduzieren. In dem Experiment rieseln das Granulat und die Pellets problemlos nach unten, die Pulver verstopfen hingegen den Schlauch. Auch beim Entleeren des Vorratsbehälters am Drucker purzeln die Pellets leicht heraus.Das Pulver ist vor einem Wechsel des Materials deutlich schwerer restlos zu entfernen. Die relative Größe macht den Unterschied
Die Partikelgröße im Verhältnis zur Extrudergröße bestimmt die statistischen Schwankungen in der Materialzufuhr. Ist der Extruder groß, sind die Granulatpartikel verhältnismäßig klein und die Schwankungen in der Extrusionsrate fallen bei hohem Volumendurchsatz weniger ins Gewicht. Extruder, die mit Granulat als Rohmaterial arbeiten, sind für den Druck großer Strukturen ausgelegt, nicht für feine Details. DownloadDie 3D-Dateien und die Skizze des Extruders sind als Download-Paket erhältlich.Druckbeispiele
Kettenglied Pellets Abmessungen: 27x25x12mm Schichtstärke: 0.2mm Extrusionsweite: 0.5mm Druckgeschwindigkeit: 30 und 80mm/s Die Extrusion gelingt mit den Pellets prinzipiell, ist aber alles andere als gleichförmig. Neben der schon angesprochenen Größe der Pellets im Verhältnis zum Extrudervolumen ist eine weitere Eigenschaft des Materials für die schlechte Druckqualität verantwortlich: Um mit den Pellets drucken zu können, musste ich den Filamentfaktor, der die Menge an zu extrudierendem Kunststoff pro Schraubenumdrehung festlegt, um das Dreifache im Vergleich zu den recycelten Pulver erhöhen. Aufgrund des Unterschieds in der Dichte war eine Verringerung zu erwarten. Offensichtlich werden die Pellets mit sehr hohem Schlupf von dem Extruder transportiert. Die glatten Oberflächen der Pellets, die für die gute Rieselfähigkeit sorgen, bewirken, dass sich das Material mit der Schraube dreht da dieses von der Extruderwand nur unzureichend in radialer Richtung gebremst wird. Auch der Eintritt in den Extruder wird dadurch erschwert. An den Wänden des Kettenglieds sind Spalte zu erkennen, die auf starke Unterextrusion zurückzuführen sind. An anderen Stellen zeigen deutlich hervorstehende Lagen das hier Überextrusion stattgefunden hat. 
Kettenglied recyceltes Pulver Abmessungen: 27x25x12mm Schichtstärke: 0.2mm Extrusionsweite: 0.5mm Druckgeschwindigkeit: 30 und 80mm/s Ich habe diesen Testdruck schon mehrfach mit recyceltem PLA vorgeführt. Das Druckobjekt zeigt an den geraden Wänden und Kanten sehr gut, wie konstant das Material extrudiert wird. Das Ergebnis ist gut, dennoch stehen einige Lagen etwas heraus, was zeigt, dass die Extrusion kleinen Schwankungen unterliegt. 
Kettenglied industrielles Pulver Abmessungen: 27x25x12mm Schichtstärke: 0.2mm Extrusionsweite: 0.5mm Druckgeschwindigkeit: 30 und 80mm/s Das industrielle Pulver wird mit den gleichen Parametern gedruckt, lediglich der Filamentfaktor wurde geändert. Dieser musste auf einen Wert von 140% im Vergleich zum recycelten Pulver gesetzt werden. Auf Grund des Dichteunterschieds wären lediglich 108% zu erwarten gewesen. Offensichtlich ist das andere "Fließverhalten" der sehr feinen Körner hier der entscheidende Faktor. Der Spalt zwischen Schraube und Extruderwand ist nötig, um die im Pulver eingeschlossene Luft nach oben entweichen zu lassen. Ist dieser groß und das zu verarbeitende Material sehr feinkörnig, entsteht Schlupf zwischen Schraube und Extruderwand beim herunterpressen des Pulvers. Ein kleinerer Spalt sollte für einen besseren Materialtransport sorgen. Der Schlupf variiert allerdings nicht während das Material in Richtung Düse transportiert wird - wir haben ja im Experiment gesehen, dass das feine Pulver sehr gleichförmig durch die Röhre gepresst wurde. Daher kann die Extrusion sehr gut kontrolliert werden und wir erhalten das beste Druckergebnis der Versuchsreihe. Das transparente PLA zeigt keine Spalte, weder an den Außenwänden noch an den inneren Strukturen, sowie nur sehr wenige, kleine Luftblasen. 
Kettenglied industrielles Pulver Abmessungen: 27x25x12mm Schichtstärke: 0.1mm Extrusionsweite: 0.5mm Druckgeschwindigkeit: 30 und 80mm/s Ermutigt durch das sehr gute Druckergebnis habe ich beim nun folgenden Test die Schichtstärke auf 0.1mm halbiert bei ansonsten identischen Parametern. Der Extruder muss nun noch kleinere Durchflussmengen an geschmolzenem Kunststoff präzise dosieren. Auch das funktioniert sehr gut. <<< Extruder V7.1 Spritzen-Extruder >>> Neuigkeiten Das Projekt Technik RoboSpatium Unterstützung Stichwortverzeichnis Archiv Download Reaktionen Spiele Verweise Gadgets Kontakt Impressum |
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