Direkt Granulat Extruder: Schrauben

Das Video zu Extruder V4.1 und Schraubentypen

Extruderschrauben

Direkt Granulat Extruder V4: Extruderschraube

Abbildung 1:
Für meine bislang verwendete Extruderröhre mit einem Innendurchmesser von 6mm, hat sich eine Holzschraube mit einem Durchmesser von 4.5mm als gute Wahl gezeigt. Ob das aber auch das Optimum ist, sollen weitere Experimente zeigen.

Die Steigung der Schraube beträgt 2.6mm und das ist ein wichtiger Parameter für einen funktionierenden Extruder:
Die Steigung bestimmt, wieviel Material pro Umdrehung nach unten gepresst wird. Je kleiner die Steigung, um so weniger Material wird pro Umdrehung bewegt, dafür ist bei gleichem Drehmoment die ausgeübte Kraft in Richtung Düse größer. Die Steigung bestimmt zusammen mit dem Getriebe die Gesamtübersetzung des Systems, also wieviele Schritte der Extrudermotor ausführen muss, um ein gegebenes Volumen an Kunststoff zu extrudieren. Die Steigung der Schraubenwendel sollte möglichst klein, muss aber groß genug sein, dass die größten Körner des Granulats dazwischen passen.

Der Durchmesser des Schraubenkerns beträgt etwa 2.8mm. Somit verbleiben bei einer ideal zentrierten Schraube 0.75mm zwischen den Kanten der Wendel und der Innenwand der Extruderröhre. Zwischen Kern und Wand sind es 1.6mm. Rein theoretisch sollten somit nur Kunststoffkörner bis zu einem Durchmesser von eben diesen 1.6mm in den Extruder passen. Wer das erste Kapitel zur Granulatgewinnung aus Fehldrucken gelesen hat, wird noch wissen, dass die Maschenweite meines Siebs aus Erdnussdosen aber 2mm betragen hat und dieses Rohmaterial verwende ich mit Erfolg. Grund dafür, dass alle Körner dieses Granulats extrudiert werden können ist zum einen, dass die meisten Körner einen deutlich kleineren Durchmesser als 2mm besitzen...

Abbildung 2:
...und zum anderen dass der Extruder nicht mit Null Toleranzen gefertigt ist:
Die Schraube ist nicht genau im Zentrum der Röhre "festgenagelt" und die Kupplung aus dem 3D-Drucker erlaubt es, dass sich der M8er Schraubenkopf ein wenig darin frei bewegen kann.

Abbildung 3:
Der verbleibende Spalt zwischen Schraube und Extruderwand ist dabei nicht mangelnder Fertigungstechnik geschuldet, sondern erfüllt eine wichtige Funktion:
Über diesen Spalt kann die Luft entweichen, während die Kunststoffkörner auf ihrem Weg zur Düse zu einer kompakten Masse verschmelzen.

Abbildung 4:
Erfolgreich getestet wurden die drei hier zu sehenden Schrauben:
4.5x80mm aus gelbverzinktem Stahl, 2.6mm Steigung, 2.8mm Kerndurchmesser (oben)
4.5x80mm aus Edelstahl, 2mm Steigung, 2.8mm Kerndurchmesser (mitte)
5x80 aus Edelstahl, 2.2mm Steigung, 3mm Kerndurchmesser (unten)

Eigentlich zu weiche Mechanik

Abbildung 5:
Auf die Extruderschraube wirken zwei Kräfte:
Zum Einen das vom Schrittmotor über das Getriebe ausgeübte Drehmoment und zum Anderen über die Gewindegänge eine Kraft längs der Schraubenachse, die das Granulat nach unten, die Schraube im Gegenzug nach oben drückt. An der Platte oben am Extruder, wird diese zweite Kraftwirkung über ein Kugellager aufgefangen. Auch wenn das Verbiegen der Grundplatte beim Extrudieren kaum auszumachen ist, treten beim Retract und somit beim Rückbiegen der Mechanik und dem dadurch hervorgerufenen Eintauchen der Schraube in den Extruder, die unerwünschten Gnubbel mit der 5mm-Schraube wieder deutlicher zutage. Das Verbiegen der Mechanik ist im Betrieb als Drucker unerwünscht, in der Experimentierphase aber ein deutlicher Indikator dafür, ob eine Schrauben- oder Extrudergeometrie besser oder schlechter ist als eine andere.

Abbildung 6:
Für das Video habe ich die Mechanik also auf die Schnelle an der entscheidenden Stelle mit einem Stück 6mm Aluplatte versteift. Dadurch wird das Verbiegen deutlich reduziert, womit das Retract-Verhalten ebenso deutlich besser wird.

Granulat mischen

Abbildung 7:
Als problematisch erweist sich auch der große Vorratsbehälter:
In diesem wird das Granulat beim Druck durchgeschüttelt und somit entmischt, da die größeren Körner sozusagen "aufschwimmen".
Problematischer ist allerdings, dass die Körner im Verlauf dieses Prozesses verdichtet werden und nicht mehr so schön leicht nach unten rieseln. Das führt dazu, dass der Materialfluss mit zunehmender Druckdauer bei gut gefülltem Trichter variiert. Als Lösung muss das Granulat immer gut durchmischt werden, was durch einen simplen Draht an der Schraubenkupplung oder an der Schraube selbst gemacht werden kann.

Beispieldrucke

Für alle Beispieldrucke gilt:
Kettenglied:
Schichtstärke: 0.2mm
Düse: 0.4mm
Druckzeit: 17min
Größe: 27x25x12mm
Material: Recycled PLA

Beispieldruck 4.5mm gelbverzinkte Schraube

Abbildung 15:
Druck mit 4.5mm Schraube aus gelbverzinktem Stahl.

Abbildung 8:
Druck mit 4.5mm Schraube aus Edelstahl.

Abbildung 9:
Druck mit 5mm Schraube aus Edelstahl.
Für diesen Druck wurde die 6mm Aluplatte oben am Extruder verbaut, um die Mechanik zu versteifen. Die auf die schnelle montierte, eigentlich viel zu schwere Aluplatte macht den Extruder noch kopflastiger, was dazu führt, dass die durch die schwache Druckermechanik verursachten Effekte wie Ringing deutlicher hervortreten.

Abbildung 11:
Druck mit 4mm Schraube aus gelbverzinktem Stahl.
Die Extrusion ist offensichtlich weniger konstant, da die Körner wegen der kleineren Schraubenwendel nicht so gut "gegriffen" werden können.

Beispieldruck verchromte Messingschraube

Abbildung 12:
Druck mit 4.5mm Schraube aus verchromtem Messing.
Auch hier ist das Ergebnis schlechter. Die Wärmeleitkoeffizienten von Messing und Chrom sind deutlich höher als der von Stahl, wodurch die Zone aus erweichtem Kunststoff in der Extruderröhre wächst, was zu höherer Reibung führt.

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