Open Source 3D-Drucker-Upgrade ermöglicht Druck mit Hochleistungsmaterialien

Forscher der Norwegischen Universität für Wissenschaft und Technologie (NTNU) haben ein kostengünstiges, quelloffenes Desktop-3D-Druck-Upgrade entwickelt, das die Verarbeitung von Hochtemperaturpolymeren bieten könnte.

Die Forscher haben für ihr System einen FFF-3D-Drucker, einen Creality CR-10 Plus, mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsextruder und Schrittmotoren ausgestattet sowie eine selbstgebaute Baukammer. In dieser kann die Temperatur auf 135 °C erhöht werden. Dies ist eine Voraussetzung für die Bearbeitung von Hochleistungsmaterialien. Durch die Modifikationen fällt für das gesamte System ein Preis von ca. 1700 US-Dollar an.

Im Vergleich zu anderen Systemen wäre das ein Preisvorteil. Hierzu muss man wissen, dass der erste 3D-Drucker, der ein solches Verfahren (FFF/FDM) verwendet hat, 1989 von der Firma Stratasys und einem seiner Mitbegründer Scott Crump zum Patent angenmeldet wurde. Die ursprüngliche Patentanmeldung lief im Jahr 2009 aus und löste einen Boom im 3D-Druck aus.

Es gab etliche Projekte, welche die von der Stratasys FDM-Technologie die Open-Source-Version FFF entwickelten. Am bekanntesten ist hierbei das RepRap-Projekt und die Arbeiten von Dr. Adrian Bowyer an der University of Bath. Diese Entwicklung führte auch zu Gründungen von Unternehmen wie Makerbot, Ultimaker, Prusa und andere Hersteller, die heute die Welt der additiven Fertigung mitprägen.

Ein weiteres Patent von Stratasys schränkte die Entwicklung jedoch ein. So hat das Unternehmen im Jahr 2000 ein Patent für beheizte Baukammern im Zusammenhang mit dem 3D-Druck eingereicht. Dies lief jedoch ebenfalls letztes Jahr aus und das ermöglicht wieder neue Entwicklungen.

Entwicklung der NTNU

Das Upgrade des Desktop-3D-Druckers der Forscher besteht im Wesentlichen aus zwei IKEA-METHOD-Schränken, die, wenn sie miteinander verbunden sind, ein Bauvolumen von 800 x 1200 x 800 mm bieten. Während der Konstruktion ihres Systems stattete das Team es mit einer Stahlverkleidung, Isoliermatten und einer hitzebeständigen Glasplatte für die Bauanzeige aus, bevor es mit Aluminiumband und Dichtungen versiegelte, um den sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Um die Baukammer mit Strom zu versorgen, rüstete das Team sie mit einem 2,5-kW-Silikonheizer von 500 mm x 500 mm aus, der auf einer Aluminiumplatte montiert war und die während der Produktion entstehende Wärme ableiten konnte. Schließlich wurde das Gerät auch mit Reservoirs und Kühlern ausgestattet, um “Flüssigkeits-Kühlschleifen” zu schaffen, die eine Überhitzung der Schrittmotoren und des Heizelements während des Betriebs verhindern.

In die neue Baukammer montierten sie den Creality CR-10 Plus. Obwohl bei den ersten Tests Wärmeverluste entlang der oberen Dichtungen und des Sichtfensters festgestellt wurden, konnte das Gerät bei 135 °C und einer Düsentemperatur von 400 °C konstant betrieben werden. Die daraus resultierenden Teile, darunter eine kohlenstofffaserverstärkte PEEK-3D-gedruckte Bank und eine komplexe Vase, wiesen ebenfalls einen ausgezeichneten Detailgrad und eine gleichbleibende Qualität auf. Dies spricht für einheitliche Baukammertemperatur.

Alle Ergebnisse der Forscher werden in dem Paper “High-Performance polymer 3D printing – open-source liquid cooled scalable printer design” beschrieben. Verfasst wurde die Arbeit von Andreas Hagerup Birkelid, Sindre Wold Eikevåg, Christer W. Elverum und Martin Steinert. In dieser Arbeit findet man auch die verwendeten Teile und die Vorgehnsweise der Forscher.