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Direkt Granulat Extruder V3

Mein Bewerbungsvideo für die Shuttleworth Foundation gibt einen ersten Einblick in die Entwicklung


Die Shuttleworth-Foundation (shuttleworthfoundation.org) fördert Open Source Projekte. Bewerben kann sich jeder mit entsprechenden Ideen.

Das zweite Video zeigt den Aufbau des Extruders


Im dritten Video geht's ein wenig um die Entwicklungsgeschichte


Das vierte Video ist das Video für's Finale des Hackaday Prize 2021


Im fünften Video wird mit Zucker gedruckt


Da Extruder V3 eine Einreichung zum Hackaday Prize 2021 ist, findet ihr natürlich auch eine Seite auf Hackaday zum Projekt mit einigen Zusatzinformationen.

Extruder Details

Direct Granulat Extruder V3 im Betrieb
Abbildung 1:
Version 3 meines Granulat-Extruders funktioniert (endlich) zuverlässig. Frühere Versionen hatten Probleme mit Verstopfung der Düse zu kämpfen, was besonders häufig nach dem wieder Einschalten und hochheizen aufgetreten ist.
Die Druckermechanik ist ein Zonestar QR2, von diesem stammen auch das Heizelement und der Schrittmotor zur Ansteuerung der Förderschnecke (5mm Holzschraube).

Direct Granulat Extruder V3, Übersicht
Abbildung 2:
Um die Deadline für die diesjährige Bewerbungsrunde einzuhalten, habe ich mit dem Video einen Zwischenbericht erstellt. Selbiges gilt auch für die hier zu sehende Bauanleitung:
Es handelt sich um eine grobe Beschrneibung des Extruders, genauere Infos folgen in den kommenden Wochen/Monaten/Jahren...

Direct Granulat Extruder V3, Detailfoto
Abbildung 3:
Die Bilderserie gibt schon einen guten Überblick über die Bauweise. Alles ist Handgemacht.

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Zahnrad
Abbildung 4:
Zentrales Element ist die Förderschnecke:
Diese besteht aus einer simplen Holzschraube mit 5mm Durchmesser und einer Länge von 105mm. An der Spitze habe ich ein 25mm langes Stück 1.5mm Draht hartverlötet. Den Hals der Messingdüse habe ich mit einem 3mm Bohrer geweitet, damit der Kunststoff diese Engstelle mit weniger Widerstand passieren kann - die Spitze der Schraube verengt diesen Bereich ansonsten zu sehr. Am Schraubenkopf ist eine M8er Mutter angelötet.

Direct Granulat Extruder V3, Coldend
Abbildung 5:
Die "kalte Seite" des Extruders:
Die zentrale Bohrung erfolgt zunächst mit einem 8mm Bohrer. Dann wird die Bohrung auf der Unterseite bis zu einer Tiefe von 10mm auf 9.5mm erweitert. Auf der Oberseite ist eine kleine, etwa 3mm tiefe Nut eingefräst, was die Zufuhr des Granulats verbessert.

Direct Granulat Extruder V3, Hotend
Abbildung 6:
Die "heiße Seite" des Extruders besteht ebenfalls aus 16x16mm Aluminium:
Zunächst wird eine durchgehende 5mm-Bohrung, circa 13mm von der Kante gesetzt. Dann wird diese Bohrung von oben auf 9.5mm, etwa 8mm tief, vergrößert. Mit einem 6mm Gewindeschneider wird das Gewinde für die Messingdüse gefertigt.
Borhrungen für die Heizpatrone (Durchmesser 6mm) und den Temperatursensor (Durchmesser 2mm) werden so gesetzt, dass ausreichend Abstand zur zentralen Bohrung bleibt.
Auf der Oberseite wird etwa 3mm Material abgefeilt, so dass nur eine kleine Kontaktfläche zum Coldend entsteht.
An der Unterkante werden schließlich zwei 3mm-Bohrungen mit 25mm Abstand gesetzt. Dort werden zwei etwa 90mm lange Gewindestangen eingeschraubt. Über die beiden Metallwinkel, gefertigt aus 0.5mm Blech, werden Hotend und Coltend miteinander verschraubt. Die Gewindestangen erlauben, das ganze so zu justieren, dass die zentrale Bohrungen von Coltend und Hotend auf einer Linie liegen.
Vom oberen Ende habe ich etwa 3mm abgefeilt, so dass nur eine kleine Kontaktfläche zum Glasblock entsteht. Das verringert den Wärmefluss zum Coldend.

Direct Granulat Extruder V3, Wärmeisolator aus Glas
Abbildung 7:
Wärmeisolation:
Um den Wärmefluss vom Hotend zum Coldend klein zu halten, befindet sich ein Stück 8mm Glas als Isolator zwischen beiden Bauteilen. Zugeschnitten habe ich den 25x25mm Block mit Hilfe eines elektrischen Fließenschneiders mit Wasserkühlung für die Diamantscheibe. Die 9.5mm Bohrung habe ich mit einem Dremel und einem Diamantbesetzten Bohrer, ebenfalls mit Wasserkühlung angefertigt.
Ein Teflonröhrchen (circa 10mm Außen- und 8mm Innendurchmesser, 26mm lang) verläuft vom Coldend hin zum Hotend und sorgt für möglichst geringe Reibung an den Wänden.

Granulat

Granulatgewinnung mittels Mixer
Abbildung 8:
Zur Gewinnung von geeignetem Granulat gibt's sehr viel zu sagen, hier erstmal nur die Kurzversion:
Fehldrucke aus PLA werden mit einem Mixer geschreddert...

Granulatgewinnung, Sieb
Abbildung 9:
...anschließend wird das so zerkleinerte Plastik gesiebt. Die Korngröße hat einen großen Einfluss auf das Funktionieren bzw. nicht Funktionieren des Extruders! Die von mir als Sieb verwendete Dose besitzt 2mm Bohrungen. Was nicht durchpasst, kommt wieder zurück in den Mixer.

Download

Die in OpenSCAD erstellten 3D-Dateien (inklusive *.stl Format) gibt's als Download-Paket. Es handelt sich um die schon für Extruder V2 verwendeten Teile.

Beispieldrucke

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Zahnrad
Abbildung 10:
Der im ersten Video angefertigte Druck ist ein Zahnrad. In guter RepRap-Tradition handelt es sich um das Ritzel auf dem Schrittmotor des Extruders. Gedruckt wurde mit einer 1.0mm Düse, um Verstopfungen aufgrund von Verunreinigungen im aus Altteilen aufbereiteten Granulat zu vermeiden.
Obwohl das Granulat aus grünen und weißen Körnern besteht, ist der Kunststoff relativ homogen zu einem hellgrünen Farbton vermischt worden.
Material: PLA
Abmessungen: 25x25x10mm
Düse: 1.0mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.7mm


Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Zahnrad mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten
Abbildung 11:
Im zweiten Video habe ich diese Zahnräder mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedruckt. Die fehlende Bauteilkühlung macht sich besonders beim Druck mit 60mm/s (ganz rechts) durch die hochgebogenen Spitzen der Zähne bemerkbar. Ebenfalls an diesem Zahnrad ist eine Fehlstelle unten zu erkennen, da ich den Drucker während des Druckvorgangs auf dem Tisch verschoben habe, um verschiedene Aufnahmeperspektiven zu haben.
Material: PLA
Abmessungen: 25x25x10mm
Düse: 1.0mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.7mm


Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Hauptzahnrad
Abbildung 12:
Im dritten Video habe ich das große Zahnrad des Extruders als Ersatzteil gedruckt. Der Druck hat 4 Stunden gedauert.
Material: PLA
Abmessungen: 90x90x37mm
Duckgeschwindigkeit: 30mm/s
Düse: 1.0mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.7mm


Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Kettenglied
Abbildung 13:
Ebenfalls im dritten Video ist das Kettenglied entstanden. Erstmals habe ich eine 0.6mm Düse verwendet. Die Bauteilkühlung fehlt immer noch. Stringing ist klar zu erkennen, das Verschließen der Düse funktioniert offensichtlich noch nicht.
Material: PLA
Abmessungen: 27x25x12mm
Duckgeschwindigkeit: 20mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm


Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Rakete
Abbildung 14:
Beispiel "Rakete":
Material: PLA
Abmessungen: 100x100x150mm
Duckgeschwindigkeit: 30mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
Die Rakete habe ich im Video zum Hackaday Prize gedruckt (openSCAD und STL Dateied gibt's als Download). An der Spitze ist zu sehen, dass ich den Lüfter für die Bauteilkühlung hätte anschrauben sollen.

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Zucker Zahnrad
Abbildung 15:
Beispiel "Zahnrad":
Material: Zucker (Saccharose)
Abmessungen: 25x25x10mm
Duckgeschwindigkeit: 10mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
Eine Kopie des Ritzels auf dem Schrittmotor des Extruders ist hier aus Zucker gedruckt worden. Zucker ist der Oberbegriff für eine ganze Reihe unterschiedlicher, süß schmeckender Substanzen - der hier verwendete Haushaltszucker besteht aus Saccharose.
Der Zucker tritt leicht bräunlich gefärbt aus der Düse aus. Grund ist die bei Temperaturen oberhalb von etwa 140°C ablaufende Karamelisierungsreaktion - in meinem Videostudio verbreitet sich ein angenehmer Geruch, der hungrig macht.
Die Oberfläche des Zahnrades ist nicht so schön glatt wie bei Drucken mit gewöhnlichen Kunststoffen. Grund ist die Oberflächenspannung im Zusammenspiel mit der wesentlich niedrigeren Viskosität des geschmolzenen Zuckers:
Die Spitze der Düse ist immer von einem Tropfen flüssigen Zuckers umgeben. Somit ist es schon erstaunlich, dass die nur 3mm kleinen Zähne des Zahnrades deutlich zu erkennen sind. Das Zahnrad ist alles andere als perfekt, aber für einen ersten Versuch zumindest als solches zu erkennen. An der Oberseite ist die Neigung des verflüssigten Zuckers, Tropfen zu bilden, klar zu sehen. Dennoch erkennt man andererseits aber auch die Schichtung des Druckes.

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Zucker Oktagon
Abbildung 16:
Beispiel "Ackteck":
Material: Zucker (Saccharose)
Abmessungen: 100mm Durchmesser an der Basis
Duckgeschwindigkeit: 10mm/s und 20mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
In diesem Experiment hatte ich die Wände des Oktagons zunächst mit 10mm/s gedruckt, was hervorragend funktioniert hat. Später habe ich die Geschwindigkeit auf 20mm/s erhöht, was schon kurz danach zum Herausbrechen eines Teils der Wand geführt hat. Das ist geschehen, als sich der Druckkopf auf der gegenüberliegenden Seite befunden hat. Offensichtlich haben sich in den Wänden auf Grund der erhöhten Druckgeschwindigkeit, beim Abkühlen des Zuckers allzu hohe Spannungen aufgebaut und zum Herausbrechen geführt. Haushaltszucker ist halt auch in leicht karamelisierter Form immer noch verdammt brüchig!

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Zucker, spannungsrisse
Abbildung 17:
Beispiel "Ackteck":
Material: Zucker (Saccharose)
Abmessungen: 100mm Durchmesser an der Basis
Duckgeschwindigkeit: 30mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
Die Brüchigkeit zeigt sich auch an anderer Stelle:
Wird die Druckbettheizung nach einem erfolgreichen Druck abgeschaltet, so zerstört sich das Objekt von selbst.

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Oberfläche Zucker
Abbildung 18:
Beispiel "Ackteck":
Material: Zucker (Saccharose)
Abmessungen: 100mm Durchmesser an der Basis
Duckgeschwindigkeit: 30mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
Wird ausreichend schnell gedruckt, hat der Zucker keine Zeit, Tropfen zu bilden, bevor dieser erstarrt. Somit sind schön glatte Oberflächen zu drucken.

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Kegel aus Zucker
Abbildung 19:
Beispiel "Kegel":
Material: Zucker (Saccharose)
Abmessungen: 100mm Durchmesser an der Basis
Duckgeschwindigkeit: 10mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
Wie immer beim 3D-Druck gilt auch beim Verarbeiten von Zucker: Man muss die Materialeigenschaften kennen und beachten, um gute Ergebnisse erzielen zu können.

Direct Granulat Extruder V3, Beispieldruck Kegel aus Zucker, Druckabbruch
Abbildung 20:
Beispiel "Kegel":
Material: Zucker (Saccharose)
Abmessungen: 100mm Durchmesser an der Basis
Duckgeschwindigkeit: 10mm/s
Düse: 0.6mm
Schichtstärke: 0.2mm
Extrusionsweite: 0.5mm
Mit wachsender Höhe wird der Durchmesser des Kegels kleiner. Das führt dazu, dass der Zucker in einer Lage nicht mehr ganz abgekühlt ist, bevor die nächste Lage gedruckt wird. Folglich bilden sich Tropfen auf der Oberkante der Wand, was schließlich zum Druckabbruch geführt hat.
Mit einem beheitzten Druckraum und einem Lüfter für die Bauteilkühlung sollten bessere Resultate zu erzielen sein.




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