Kartesisch vs. Core XY, Delta & Polar: FDM Motion Systems im Vergleich

Mithilfe von 3D-Druckern können unzählige dreidimensionale Objekte aus einer Vielzahl an Materialien erstellt werden. Während bei einigen Technologien eine Lichtquelle ein flüssiges Material aushärtet (SLA, DLP, LCD) oder Materialpulver sintert (SLS, LPBF), wird bei Extrusionsverfahren das Material in Form von Filament oder Pellets geschmolzen und über einen Extruder mit Düse auf eine Bauplattform Schicht für Schicht aufgetragen. Doch wie gelangt das Filament an Ort und Stelle?  

Nun, dafür kommen mehrere Möglichkeiten infrage. Bei handelsüblichen 3D-Druckern spricht man dabei von Motion Systems. Diese Bewegungssysteme sind ausschlaggebend dafür, wie sich der Druckkopf oder auch die Bauplattform im Raum und in alle Richtungen bewegen, damit die Druckschichten nacheinander aufgetragen werden können. In diesem Artikel gehen wir auf die häufigsten Motion Systems von FDM-Druckern ein, erklären, wie diese funktionieren und wo ihre Unterschiede liegen. Außerdem erfahren Sie, warum manche Bewegungssysteme besonders populär sind und welche Vorteile sie bieten.  

Das Motion System eines 3D-Druckers – auch Kinematik genannt – definiert, wie das Material aufgetragen wird. Es beeinflusst die Komponenten, die sich dabei bewegen, und die Richtungen, in die sie sich bewegen. In der Regel geschieht der Materialauftrag auf die Bauplatte indem sich entweder der Extruder in den verschiedenen Achsen bewegt oder das Druckbett selbst. Das Motion System ist entscheidend für die Positionierung (für genaues und wiederholbares Auftragen des Materials), die Druckgeschwindigkeit und die mechanische Stabilität. Fasst man diese Parameter zusammen, ist das Motion System also maßgeblich an der Druckqualität beteiligt.  

Wenngleich die Aufgabe der unterschiedlichen kinematischen Systeme gleich ist, gibt es verschiedene Möglichkeiten, wie diese Systeme aufgebaut sein können. Zum einen gibt es kartesische Varianten (einschließlich Bedslinger) und deren Ableitungen CoreXY und HBot. Zum anderen gibt es Delta- und Polar-Systeme. Auch Roboterarme können als Bewegungssystem infrage kommen, wie es bei den SCARA-Systemen der Fall ist. Um die Sache nicht unnötig kompliziert zu machen, bleiben wir bei den Basic-Ausführungen und stellen kartesische Systeme, CoreXY-, Delta- und Polar-Systeme gegenüber.  

Wie funktionieren die verschiedenen Motion Systems?

Sicher kennen Sie einige Modelle der Hersteller Prusa, Creality und UltiMaker. All diese Hersteller zählen zu den Pionieren für FDM-Drucker für Endverbraucher. Ihnen gemein ist, dass sie eine ähnliche Bauart aufweisen und es sich dabei häufig um kartesische Antriebssysteme handelt. Kartesisch heißt, dass die Achsen nach Koordinatensystem geordnet sind und unabhängig voneinander von einem eigenen Motor bewegt werden. Der Motor von Achse X bewegt diese, erst dann greift der Motor der Achse Y ein, um diese zu bewegen usw. Handelt es sich um einen “Bedslinger”, bewegt sich die Bauplatte entlang der Y-Achse, der Werkzeugkopf entlang der X- und Z-Richtung. Dieses Design finden wir zB. beim Prusa i3 MK3, weshalb dieses kartesische Bewegungssystem auch “i3-Stil” genannt wird. Auch Creality integriert dieses Motion System in seine Ender-Serie.  

Es kann aber auch sein, dass sich das Druckbett nur vertikal, also auf der Z-Achse bewegt. In diesem Fall bewegt sich der Werkzeugkopf in die X- und Y-Richtung. UltiMaker setzt dieses Konzept um, wobei die Drucker häufig eine typische Kastenform aufweisen, die diesem System den Namen “quadrap/ultimaker style/box style” verleiht. 

Nicht zu verwechseln ist das kartesische System (vor allem im UltiMaker- bzw. Box-Stil) mit dem CoreXY Motion System. Bei CoreXY-Druckern bewegt sich der Druckkopf in X- und Y-Richtung, das Druckbett nur in Z-Richtung. Das Besondere: Die Motoren für X und Y arbeiten zusammen – sie ziehen gemeinsam an den Riemen, um den Druckkopf genau dorthin zu bewegen, wo er hin soll. CoreXY-Drucker werden von zwei langen Zahnriemen angetrieben, die am Druckkopf montiert sind. Dies ermöglicht mehr mechanische Stabilität und eine deutlich höhere Geschwindigkeit als bei kartesischen Systemen. Beispiele für CoreXY-Antriebssysteme sind die 3D-Drucker von Voron oder der Bambu Lab X1.  

Auf den ersten Blick erkennbar sind hingegen Delta 3D-Drucker. Die Delta-Bauart unterscheidet sich nämlich klar von kartesischen oder CoreXY-Systemen. Im Gegensatz zu diesen ist das Druckbett bei Delta-Modellen nämlich völlig starr und rund. Das bedeutet, dass viel weniger Masse bewegt werden muss und der Druckkopf von drei Motoren angetrieben wird, was zu einer besseren Stabilität und Präzision führt. Der Druckkopf ist an drei Z-Achsen befestigt und wird von dort in alle Richtungen bewegt. Das Anheben der verschiedenen Z-Achsen führt zu einer Bewegung auf der X- oder Y-Achse. So können besonders gute Resultate bei runden und hohen Objekten erzielt werden.  

Losgelöst vom kartesischen Raum sind Polar Motion Systems. Zwar bleibt die Z-Achse für die Richtungssteuerung nach oben und unten bestehen, allerdings finden wir bei der Polar-Ausführung eine rotierende Bauplatte und einen radialen Arm, der den Druckkopf positioniert. Der Druckkopf wird dabei vom Zentrum nach außen und zurück geführt, die Bewegungen werden also durch Radius und Winkel definiert.

Alle Motion Systeme bieten Vorteile und Einschränkungen. Um das richtige Motion System und folglich den richtigen 3D-Drucker zu wählen, kommt es also stark darauf an, was Sie bei Ihren 3D-Drucken erreichen möchten.  

Motion Systems im Detail: Geschichte, Beliebtheit, Benutzererfahrung und Preis

Die Landschaft der FDM Motion Systems hat sich in den letzten zehn Jahren erheblich weiterentwickelt, angetrieben durch technologische Innovationen, Nutzererwartungen und das ständige Streben nach besserer Geschwindigkeit, Qualität und Zuverlässigkeit. Jedes System hat seine eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf Benutzerfreundlichkeit, Leistung und Kosten. Die Bewegungsarchitektur beeinflusst nicht nur die Druckeigenschaften, sondern auch direkt den Preis und die Komplexität einer Maschine. Untersuchen wir also, wie sich die wichtigsten Bewegungssysteme entwickelt haben, wie sie heute eingesetzt werden und was Sie in Bezug auf Benutzererfahrung und Preis erwarten können.

Bedslinger

Entwicklung und Beliebtheit

Kartesische 3D-Drucker im Bedslinger-Stil waren die frühen Helden der Hobby-Szene. Ihre Einfachheit und niedrige Einstiegsbarriere machten sie ideal für Bastler und Bildungsumgebungen. Maschinen wie der Prusa Mendel und der Creality Ender 3 legten den Grundstein für den zugänglichen 3D-Druck, und ihr Design ist bis heute einflussreich. Aufgrund ihrer Erschwinglichkeit, Modularität und umfangreichen Community-Unterstützung sind sie nach wie vor der gängigste Typ im Consumer-Bereich.

Bedslinger-Drucker sind in der Regel die günstigsten auf dem Markt. Einsteigermodelle sind bereits für 175 US-Dollar erhältlich, während die Preise für ausgefeiltere Modelle in der Regel zwischen 500 und 1000 US-Dollar liegen.

Benutzererfahrung

Diese Drucker sind einfach zu bedienen, zu warten und zu modifizieren. Durch ihr offenes Design sind alle Komponenten leicht zugänglich und der mechanische Aufbau ist intuitiv. Die Druckqualität ist für den Hobbygebrauch im Allgemeinen solide, obwohl beim Hochgeschwindigkeitsdruck aufgrund des beweglichen Bettes Störungen auftreten können. Bedslinger sind dennoch zuverlässige Arbeitsgeräte mit vorhersehbarem Verhalten und einem umfangreichen Ökosystem an Support und Upgrades.

Kartesische 3D-Drucker im Box-Design

Entwicklung und Beliebtheit

Als sich FDM in professionellen und industriellen Umgebungen etablierte, leiteten kartesische Drucker im Box-Design das nächstes Level in Bezug auf Zuverlässigkeit und Druckkonsistenz ein. Mit ihrer vollständig geschlossenen Struktur und einem feststehenden Druckbett sind diese Maschinen für technische Materialien und anspruchsvolle Anwendungen optimiert. Sie sind in professionellen, Prosumer- und Bildungsumgebungen weit verbreitet, in denen Stabilität, Sicherheit und Konsistenz von größter Bedeutung sind.

Für eine Box-Style-Maschine in Prosumer-Qualität müssen Sie mit Kosten zwischen 600 und 1.500 US-Dollar rechnen, während professionelle Modelle je nach Bauvolumen und industriellen Funktionen mehr als 2.500 US-Dollar und bis zu 6.000 US-Dollar oder mehr kosten können.

Benutzererfahrung

Kartesische 3D-Drucker im Kasten-Format bieten eine hervorragende Druckqualität und thermische Konsistenz, insbesondere bei Materialien wie ABS oder PC. Sie sind relativ einfach zu bedienen, die Einrichtung kann etwas aufwendiger sein, aber die laufende Nutzung ist oft reibungslos. Die Wartung erfordert mehr Sorgfalt, da der Zugang zu den inneren Teilen eingeschränkt sein kann. Zusammengefasst, sind sie ideal für Nutzer, die Präzision und Betriebszeit gegenüber manuellen Anpassungen priorisieren.

CoreXY / H-Bot

Entwicklung und Beliebtheit

CoreXY-Bewegungssysteme gewannen an Bedeutung, als die 3D-Druck-Community begann, schnellere Geschwindigkeiten und eine höhere Druckqualität zu fordern. Durch die stationäre Anordnung der Motoren und die Minimierung der bewegten Masse erreichen CoreXY-Systeme eine hohe Beschleunigung und eine hervorragende Oberflächengenauigkeit. Sie fanden frühzeitig Anwendung in Open-Source-Projekten wie Voron und setzten sich später durch kommerzielle Erfolge wie die Bambu Lab X1-Serie im Mainstream durch. CoreXY gilt heute als das Motion System der Wahl für Anwender, die hohe Leistung suchen, ohne sich vollständig auf industrielles Terrain zu begeben.

CoreXY-Drucker decken ein breites Spektrum ab. DIY-Bausätze kosten je nach Qualität der Komponenten zwischen 500 und 1.600 US-Dollar, während schlüsselfertige Maschinen bei etwa 750 US-Dollar beginnen und bis zu 1.500 US-Dollar und mehr kosten können.

Benutzererfahrung

Die Leistung ist ausgezeichnet, aber der Aufbau und die Einrichtung können entmutigend sein, insbesondere bei DIY-Bausätzen wie dem Voron 2.4, bei denen die Einstellung des Riemens, die Ausrichtung und die Rahmensteifigkeit entscheidend sind. Einmal richtig konfiguriert, bieten diese Maschinen ein erstklassiges Druckerlebnis mit hohem Durchsatz und feinen Details. Die Wartung ist aufwändiger, aber bei guter Erstmontage oft seltener erforderlich. Bei kommerziellen Modellen wie dem Bambu X1 ist die Benutzererfahrung optimiert und kann mit Plug-and-Play-Maschinen für Endverbraucher mithalten.

Delta

Entwicklung und Beliebtheit

Delta-Drucker mit ihrer Drei-Turm-Geometrie und eleganten Bewegung versprachen anfangs Geschwindigkeit und optische Attraktivität. Theoretisch bieten sie schnelle, flüssige Bewegungen mit weniger beweglichen Teilen. Die Komplexität der Bewegungsplanung, Kalibrierungsprobleme und die nachlassende Präzision an den Rändern der Bauplatte schränkten jedoch ihre Beliebtheit ein. Sie sind heute hauptsächlich in Nischenkreisen von Enthusiasten oder unter Anwendern zu finden, die ein großes Bauvolumen zu einem günstigen Preis suchen.

Trotz ihrer Komplexität sind Delta-Drucker mit Preisen zwischen 300 und 800 US-Dollar für die meisten Modelle relativ erschwinglich und bieten einen zugänglichen Einstieg für Nutzer, die neugierig auf diese einzigartige Bewegungsarchitektur sind. Fortgeschrittenere Lösungen können bis zu 10.000 US-Dollar kosten.

Benutzererfahrung

Delta-Drucker sind oft schwieriger zu kalibrieren, da alle drei Riemen und Arme gleich eingestellt werden müssen, um optimale Ergebnisse zu erzielen. Obwohl sie optisch ansprechend und schnell sind, fallen Druckfehler schwerer ins Gewicht als das bei  kartesischen oder CoreXY-Systemen der Fall ist. Wartung und Upgrades sind komplexer, insbesondere im Zusammenhang mit Firmware und automatischen Nivelliersystemen.

Polar

Entwicklung und Beliebtheit

Polar Motion Systems verwenden ein rotierendes Druckbett und einen radialen Arm, wodurch die Bewegung über Polarkoordinaten statt über lineare X/Y-Bewegungen erfolgt. Diese Drucker erregten dank ihrer kompakten Bauweise frühzeitig Aufmerksamkeit, hatten jedoch mit Software-Kompatibilität und Leistungszuverlässigkeit zu kämpfen. Heute sind Polar-Drucker weitgehend vom Markt verschwunden oder werden nur noch für Bildungs- und Forschungsprojekte verwendet.

Während ihrer kurzen Verfügbarkeit lagen die Preise für Geräte wie den Polar3D zwischen 400 und 700 US-Dollar. Diese sind jedoch mittlerweile weitgehend nicht mehr erhältlich, was ihre Nischenrolle und ihren experimentellen Charakter im breiteren FDM-Ökosystem widerspiegelt. Polar-Drucker können ab etwa 300 US-Dollar von Grund auf neu gebaut werden, wobei der Preis stark von den für den Bau ausgewählten Komponenten abhängt.

Benutzererfahrung

Diese Maschinen sind aufgrund ihres ungewöhnlichen Bewegungsschemas, der mangelnden Kompatibilität mit Slicern und ihrer ungewöhnlichen Mechanik schwierig zu bedienen. Die Präzision ist bei rechteckigen oder nicht kreisförmigen Modellen im Allgemeinen schlecht und die Softwareunterstützung ist minimal. Die Wartung wird auch durch den Mangel an Standardteilen erschwert. Polar-Drucker sind eher als experimentelle Gadgets denn als zuverlässige Produktionsmaschinen zu betrachten.

Abschließend lässt sich sagen, dass jedes FDM Motion System Stärken und Nachteile aufweist. Ihre Eignung hängt stark vom jeweiligen Anwendungsfall ab. Bedslinger sind nach wie vor die einfachsten und kostengünstigsten, während kartesische Drucker im Box-Stil eine kompaktere Bauweise bieten. CoreXY liefert Leistung und Geschwindigkeit, erfordert jedoch Präzision bei der Einrichtung. Delta-3D-Drucker bieten Ästhetik und Höhe, sind jedoch komplex. Und Drucker im Polar-Stil sind zwar innovativ, sollten aber am besten im Bereich der Experimentier- oder Bildungszwecke eingesetzt werden. Um diesen Vergleich zusammenzufassen und einen schnellen Überblick über die verschiedenen Bewegungssysteme zu ermöglichen, haben wir eine übersichtliche Tabelle erstellt:

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