Optimierung Druckparameter

Vincent Greinecker, 02.11.2024

Eingangsinformationen

• Aufgabenstellung
• Aufgabenanalyse

Ausgangsinformationen

• Herangehensweise zur Optimierung von Druckparametern
• Optimierte Druckparameter für unterschiedliche Filamente
• .STL Datei für Testdrucke
• Verwendete Filamentarten

Im Rahmen dieses Arbeitspaketes findet eine Optimierung der Druckparameter für vier unterschiedliche Filamentarten statt. Zunächst wird eine Auswahl der zu untersuchenden Filamente getroffen. Anschließend ein geeignetes Modell für folgende Testdrucke festgelegt, anhand welchem die Oberflächenqualität der Drucke sowie die Maßhaltigkeit dieser analysiert und vermessen werden kann.

Nacheinander wird von den zu optimierenden Filamenten folgender Ablauf durchlaufen:
Der erste Testdruck eines jeden Filaments wird mit den durch den Hersteller angegebenen Druckparametern durchgeführt. Das daraus resultierende Druckergebnis wird analysiert, wobei vor allem die Oberflächenbeschaffenheit sowie die Maßhaltigkeit hierbei bewertet werden sollen. Anschließend werden die Druckparameter auf Basis einer Reihe an Kalibrierungsdrucken schrittweise angepasst und optimiert. Jede Anpassung wird dokumentiert und der Einfluss der Anpassung analysiert. Sobald alle Kalibrierungsdrucke durchgeführt wurden und die resultierenden Anpassungen der Druckparameter vorgenommen wurden, wird erneut das Testdruckmodell gefertigt. Dieses mal mit den Kalibrierten Druckparametern. Dieser Druck wird nun erneut hinsichtlich seiner Oberflächenqualität sowie Maßhaltigkeit untersucht und die Ergebnisse mit denen des ersten Drucks mit den Druckeinstellungen des Herstellers verglichen. Nachfolgend können auch filamentunabhängige Parameter wie beispielsweise die Schichthöhe angepasst werden. Anpassung dieser Parameter gehen einher mit einer Veränderung der nötigen Druckdauer. Diese soll daher mit jedem Testdruck festgehalten werden, sodass eine mögliche Zeitersparnis in der Fertigung auf Basis einer verminderten Oberflächenqualität bzw. Maßhaltigkeit abgewogen werden kann.

Der gesamte Ablauf sowie die Zwischenergebnisse und das Endergebnis werden dokumentiert und zur Verwendung bereitgestellt.

Wahl zu optimierender Filamentarten

Im Rahmen dieses Projektes werden für vier Filamentarten die filamentbezogenen Druckparameter optimiert. Die Wahl der Filamente ist hier auf den weiteren Nutzen in diesem Projekt zurückzuführen.

PETG: Polyethylenterephthalatglykol zeichnet sich durch eine Kombination aus thermischer Stabilität, hoher Schlagzähigkeit, chemischer Beständigkeit und guter Verarbeitbarkeit aus und zählt daher zu den im 3D-Druck am weitesten verbreiteten Werkstoffen. Im weiteren Verlauf dieses Projektes wird das Gehäuse der Glasboilermaschine in Zusammenarbeit mit der Detailentwicklung unter Verwendung dieses Materials gefertigt. Die für diese Anwendung geforderten Materialeigenschaften werden durch PETG erfüllt. Daher wird PETG hinsichtlich seiner filamentspezifischen Druckparameter optimiert.

GreenTEC PRO: GreenTEC PRO ist ein Filament des österreichischen Herstellers Extrudr, das auf einer PLA-Basis entwickelt wurde. Im Gegensatz zu herkömmlichem PLA-Filament ist GreenTEC PRO lebensmittelecht und zeichnet sich durch eine hohe Erweichungstemperatur aus, was ihm eine bemerkenswerte thermische Stabilität verleiht. Im Rahmen dieses Projektes werden in Zusammenarbeit mit der Entwicklungsgruppe Detailentwicklung Bauteile für die Glasboilermaschine gefertigt, die in direkten Kontakt mit Lebensmitteln kommen. Für eine spätere Zulassung der Maschine ist es erforderlich, dass alle verbauten Teile nachweislich lebensmittelecht sind. GreenTEC PRO besitzt hierfür die notwendige Zertifizierung und ist daher für Anwendungen im lebensmittelnahen Bereich geeignet. Da für die weitere Arbeit optimale Druckparameter für dieses Material benötigt werden, wird GreenTEC PRO hinsichtlich seiner filamentspezifischen Druckparameter untersucht und optimiert.

PLA: Polylactid ist ein gängiges 3D-Druckmaterial, das aus nachwachsenden Rohstoffen wie Maisstärke hergestellt wird und sich durch einfache Verarbeitbarkeit sowie geringe Verformung beim Druck auszeichnet. Da PLA jedoch Feuchtigkeit aufnimmt und in feuchter Umgebung an Stabilität verlieren kann, ist es für den Einsatz in der Glasboilermaschine ungeeignet. Trotzdem wird PLA als Vergleichsmaterial untersucht und optimiert. Die Untersuchung von PLA ermöglicht es, allgemeine Erkenntnisse über Druckparameter und Materialeigenschaften zu gewinnen, die dann auf andere, für die Glasboilermaschine besser geeignete Materialien übertragen werden können. Damit dient PLA als Referenzwert, um das Verhalten von robusteren Materialien besser einordnen zu können.

PLA Wood: PLA Wood ist ein spezielles Filament, das mit Holzfasern versetzt ist und daher ein natürliches Erscheinungsbild bietet. Aufgrund seines Holzanteils lässt sich PLA Wood in der Optik und Haptik von Holz nur schwer von echtem Holz unterscheiden, während es dennoch die gleichen unkomplizierten Druckeigenschaften wie normales PLA besitzt. Im Rahmen dieser Arbeit wird PLA Wood verwendet, um sichtbare Bauteile der Maschine herzustellen, die eine ansprechende, organische Optik besitzen sollen. Die Kombination aus guter Druckbarkeit und dem attraktiven, natürlichen Aussehen machen PLA Wood für dekorative Elemente besonders geeignet. Da die Holzfasern die Druckparameter jedoch beeinflussen, wird auch dieses Filament speziell auf seine Anforderungen hin untersucht und optimiert.

Vorgehensweise zur Optimierung filamentspezifischer Druckparameter

Auswahlmenü für Filamentprofile | Orca-Slicer

Die Optimierung sowie alle Testdrucke, welche hierzu nötig waren, wurden mit Hilfe des Orca-Slicers durchgeführt. Dieser bietet für eine Vielzahl an FDM-Druckertypen bereits Profile und eine hilfreiche Handreichung zur Kalibrierung der Filamente.

Zu Beginn der Optimierung ist es sinnvoll, eine Kopie des Filamentenprofils im Slicer anzulegen, in welchem die Druckparameter, welche durch den Hersteller gegeben sind, abgespeichert sind. So kann ein Profil mit den alten Parametern verbleiben und ein neues enthält die Optimierungen. Somit können Vergleichsdrucke mit den alten sowie den neuen Parametern durchgeführt werden. Häufig bieten Hersteller selbst Filamentprofile zu ihren Produkten an. Sollte dies jedoch nicht der Fall sein, muss ein Profil, basierend auf den beispielsweise im Datenblatt befindlichen Angaben eines Herstellers, erstellt werden. Die einfachste Möglichkeit, um dies zu tun, ist es, eine Kopie eines dem Filament ähnlichen Profils zu erstellen und dieses abzuändern. In diesem Fall wurde das Profil von Creality Generic PETG verwendet und daraus das Extrudr PETG (Emerald) Profil erstellt. Informationen hinsichtlich der Dichte, der Erweichungstemperatur, der vorgeschlagenen Düsentemperatur sowie der Druckbetttemperatur und der Flussrate des Materials konnten dem Datenblatt auf der Herstellerwebsite entnommen werden.

Es wird beispielhaft das Vorgehen zur Optimierung der filamentspezifischen Druckparameter anhand des Extrudr PETGs durchgeführt. Optimiert werden die Flussrate, die Drucktemperatur, die "Pressure-Advance" Einstellungen sowie die "Retraction" Einstellungen und der "maximale Volumetric-Speed". Für die Optimierungsdrucke sind die vom Hersteller gegebenen Druckparameter notwendig. Diese sind für PETG von Extrudr in dieser Tabelle zu finden.

PETG Druckparameter von Extrudr

Parameter	Startwert
Flussrate	0.95
Drucktemperatur	220°C
Pressure-Advance	-
Retraction	-
Max. Volumetric- Speed (MVS)	${\textstyle 12{\frac {mm^{3}}{s}}}$

Flussrate

Die Flussrate ist ein Wert, der beschreibt, wie viel Material extrudiert werden soll. Eine Flussrate von 1,00 bedeutet somit, dass 100% der errechneten Filamentmenge extrudiert wird. Durch eine Erhöhung oder Verringerung der Flussrate kann die Menge des zu extrudierenden Materials feinjustiert werden:

• Erhöhung der Flussrate: Eine Erhöhung der Flussrate führt dazu, dass mehr Filament extrudiert wird. Es kann sinnvoll sein, die Extrusionsmenge zu erhöhen, wenn die Schichten nicht vollständig gefüllt sind. Eine erhöhte Flussrate kann die Haftung zwischen den Schichten verbessern, erhöht aber auch das Risiko von Überextrusion (überschüssigem Material), was zu unsauberen Druckflächen führen kann.
• Verringerung der Flussrate: Dies verringert die Menge des extrudierten Materials und kann nützlich sein, wenn das Druckergebnis Überextrusion zeigt. Überextrusion ist daran zu erkennen, dass sich Material an den Kanten aufbaut oder die Oberflächen uneben erscheinen. Zu geringe Flussraten können jedoch zu Unterextrusion führen, was Lücken und reduzierte Festigkeit nach sich zieht.

Kontextmenü zum Erstellen eines "Flowrate"-Testdrucks

Um einen Flussrate-Testdruck zu starten, wird im Orca-Slicer in der Kopfzeile, der Reiter „Calibration“, dann „Flow-rate“ und zuletzt „Pass 2“ gewählt. Es erscheinen 10 Plättchen beschriftet von 0 bis -9. Jedes dieser Plättchen wird mit einer immer weiter verringerten Flussrate gedruckt. So kann nach dem Druck das beste Ergebnis gewählt werden. Zu beachten ist, dass für den Flowrate-Test noch die Flussrate in der Filamenteinstellung verändert werden muss. Das Plättchen 0 soll mit einem 10 Messpunkte höheren Wert als dem Startwert von 0,95 gedruckt werden. Die in den Filamenteinstellungen zu verwendende Flussrate errechnet sich somit zu:

$Testflussrate=Startwert\cdot {\frac {100+Messpunkte}{100}}=0,95\cdot {\frac {100+10}{100}}=1,045$

Flussrate-Testdruck aus "Extrudr-PETG"

Die resultierende, für den Testdruck einzustellende, Flussrate liegt bei 1,045 und damit bei über 100%. Sobald diese im Filamentprofil hinterlegt ist, kann die Druckplatte gesliced und der Druck gestartet werden. Nachdem der Druck durchgeführt wurde, kann das Druckergebnis begutachtet und analysiert werden. Bei der Begutachtung der Plättchen soll die Oberfläche der Drucke hinsichtlich ihrer Druckqualität bewertet werden. Bei welchen Plättchen liegt Überextrusion, bei welchen Unterextrusion vor? Sollten sämtliche Testplätchen überextrudiert sein, so muss die Testflussrate um 5 Messpunkte früher anfangen. Im Fall von Extrudr PETG hat das Plättchen mit dem Parameter -8 das beste Druckergebnis. Die endgültige Flussrate für dieses Filament ergibt sich zu:

$Flussrate=Testflussrate\cdot {\frac {100+Parameter}{100}}=1,045\cdot {\frac {100-8}{100}}=0,9614$

Mögliche Fehlerbilder

Unterextrusion (links)	Überextrusion	Referenz (gut)

Drucktemperatur

Eingabefenster zum Erstellen eines "TempTowers"

"TempTower"-Testdruck aus "Extrudr-PETG"

Die Wahl der richtigen Drucktemperatur beeinflusst das Verhalten des Filaments beim Extrudieren, die Schichthaftung, die Oberflächenqualität sowie die Festigkeit des Bauteils. Die optimale Drucktemperatur hängt stark vom verwendeten Material ab, sollte aber stets so gewählt werden, dass das Filament extrudiert werden kann, ohne zu überhitzen oder zu unterextrudieren. Zur Feststellung der für das Filament optimalen Drucktemperatur kann ein Temperaturturm gefertigt werden. Um diesen Druck vorzubereiten, ist wie zuvor in der Kopfzeile des Orca-Slicers auf „Calibration“ und weiter auf „Temperature“ zu navigieren. Es öffnet sich ein Fenster, in welchem die Start- und Endtemperatur des Testdrucks angegeben werden soll. Es empfiehlt sich, Werte nahe an dem vom Hersteller angegebenen Temperaturbereich zu wählen. Der Temperaturbereich von Extrudr, empfohlen für deren PETG, reicht von 210-230°C. Für den Temperaturturm soll die bereits optimierte Flussrate zum Druck genutzt werden. Sobald diese im Filamentprofil angepasst wurde, kann die Druckplatte gesliced und der Druck gefertigt werden.

Der Temperaturturm besteht aus einzelnen Segmenten, welche aufeinander gedruckt werden. Jedes Segment wird mit einer anderen Temperatur gefertigt. Der Unterschied bzw. Schritt zwischen jedem Segment liegt bei 5°C. Die für das Filament optimale Temperatur lässt sich aus dem Druck ablesen. Diese ist diejenige Temperatur, bei welcher die höchste Druckqualität mit den geringsten Problemen wie Stringing, Schichthaftungsproblemen, Verziehen im Überhang oder Bridgingproblemen erzielt wird. Für das PETG von Extrudr ergibt sich eine optimale Drucktemperatur von 225°C. Diese liegt im Rahmen des vom Hersteller angegebenen Temperaturbereichs und etwas über dem Startwert.

Pressure-Advance

Pressure-Advance optimiert die Flussrate des Filaments bei Beschleunigungs- und Verzögerungsvorgängen im Druck und sorgt für eine gleichmäßige Druckqualität, insbesondere bei Ecken und Linienenden, wo starke Geschwindigkeitsänderungen stattfinden. Es handelt sich um einen hilfreichen Parameter für saubere, scharfe Kan-ten und minimiert den Materialüberschuss, besonders bei Bowden-Extrudern. Das richtige Einstellen von Pressure-Advance kann die Druckqualität erheblich verbessern, insbesondere bei komplexen und detaillierten Druckaufträgen.
Zum Erstellen eines Testdrucks für Pressure-Advance, ist in der Kopfzeile des Orca-Slicers die Schaltfläche „Calibration“ und weiter „Pressure-Advance“ anzuwählen. Hier erscheint ein Auswahlmenü, in welchem der Extrudertyp des Druckers sowie der durchzuführende Test gewählt werden sollen. Orca-Slicer bietet drei unter-schiedliche Testvarianten an, wobei die Linienmethode am universellsten ist und daher hier behandelt wird.
Zu beachten ist, dass die Linienmethode ein möglichst ebenes Druckbett voraussetzt. Zudem ist es sinnvoll, den Drucker das Druckbett „meshen“ zu lassen, sodass ihm mögliche Unebenheiten bekannt sind und er für diese kompensieren kann. Weiter ist eine gute Haftung des ersten Layers notwendig. Insofern diese insuffizient ist kann mit einem dünnen Film Sprühkleber oder Haarspray auf der Druckplatte nachgeholfen werden. Vor dem Start des Druckes sollte noch die zuvor erhobene Drucktemperatur dem Filamentprofil hinzugefügt werden.