Einführung in den 3D-Druck - - -  3D-Druck für Anfänger

Was ist 3D-Druck?

Als 3D-Druck bezeichnet man das schichtweise Auftragen eines Stoffs – in unserem Fall Kunststoff - zu einem dreidimensionalen Objekt, dass man in die Hand nehmen und benutzen kann. Er dient der Herstellung von Prototypen, Kunstobjekten oder Ersatzteilen, die anders nur schwer (teuer) oder gar nicht hergestellt oder bezogen werden könnten.
In teuren Industriegeräten wird dieses Verfahren (und andere Verfahren des schichtweisen Aufbaus von Objekten) schon seit Jahren unter dem Namen Rapid Prototyping (eng. schnelle Herstellung von Prototypen) verwendet. Seit einiger Zeit sind nun auch für den Endverbraucher oder Mittelständler erschwingliche Geräte zu bekommen, die eine ausgezeichnete Druckqualität bieten.

Wie wird gedruckt?

Die meisten Geräte, die für den Verbraucher interessant sind, arbeiten nach dem FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling), bei dem ein sogenanntes Filament, ein Kunststofffaden aus PLA- oder ABS-Kunststoff, aufgeschmolzen und schichtweise aufgetragen wird. Aktuell wird mit Schichtdicken von 0,1 bis 0,3 mm gearbeitet. Je nachdem, wie hoch man die Schichtdicke wählt, wird die Oberfläche besser (0,1 mm) oder aber die Druckgeschwindigkeit höher (0,3 mm).

Um die Qualität, Stabilität, Gewicht und Druckgeschwindigkeit weiter zu beeinflussen, kann noch das sog. Infill (die Füllung der Innenräume des zu druckenden Gegenstands) beeinflusst werden. So werden nur die Außenwände des Werkstücks voll gedruckt, während geschlossene Innenräume mit z. B. einer Bienenwabenstruktur oder einem Gitter gefüllt werden. Für die meisten Anwendungen reicht eine Füllung von 10 bis 20 % vollkommen aus. Sehr filigrane oder stark beanspruchte Teile können auch mit 100 % Infill, d. H. massiv gedruckt werden.

Was wird gedruckt?

Grundsätzlich sind Ihrer Kreativität kaum Grenzen gesetzt. Allerdings benötigen sie eine digitale 3D-Datei Ihres Werkstücks. Um diese selbst erstellen zu können müssen Sie eine 3D- Software beherrschen. Alternativ bedienen Sie sich aus dem großen Fundus von 3D-Dateien, die kostenlos online verfügbar sind. Z.B. auf www.thingiverse.com oder einer der vielen anderen Seiten, die entsprechende Dateien zur Verfügung stellt.

Um 3D-Objekte selbst zu erstellen gibt es diverse Programme. Beliebt und kostenlos ist z.B. Blender, ein Programm, das eigentlich zur Erstellung von 3D- Animationen geschrieben wurde. Für Menschen, die schon mal eine CAD- Software benutzt haben (CAD = Computer Aided Design, Konstruktionssoftware für Ingenieure, Architekten, etc.) eignen sich FreeCAD oder open SCAD, da sich die grundlegende Bedienung mit den kommerziellen Produkten deckt. Auch diese Programme sind kostenlos.

Was mache ich mit der 3D-Datei? 

Sie benötigen eine Datei im .stl –Format. Das ist ein sog. Gitterformat (eng. Meshformat),in dem die Oberflächenkontur des Objektes beschrieben wird. Dieses Dateiformat laden Sie entweder aus dem Netz, oder exportieren sie aus Ihrer 3-D Konstruktionssoftware.

Als Nächstes benötigen Sie einen sog. Slicer (eng. Schneidemaschine). Dieses Programm schneidet Ihr 3D-Objekt virtuell in horizontale Scheiben, die einzelnen Schichten (eng. Layer), die anschließend gedruckt werden. Es gibt viele kostenlose Slicer, die bekanntesten sind Cura, Kiss-Slicer und Slic3er, wobei Cura am einfachsten zu bedienen ist. Wenn Sie einen Makerbot- Drucker besitzen, sollten Sie MakerBot Desktop als Slicer benutzen, da dieser als einziger Slicer in der Lage ist, ein Dateiformat auszugeben, das ein Makerbot-Drucker lesen kann.

Beim Slicen werden die Wege, die der Druckkopf fährt weitestgehend automatisch festgelegt. Trotzdem haben Sie in diesem Arbeitsschritt die Möglichkeit, Einfluss auf Ihr Druckergebnis zu nehmen. Sie legen die Drucktemperatur (PLA 180-230 °C, ABS bis 260) und die Temperatur des Heizbetts (sofern vorhanden; 50-70°C PLA, ABS 100°C) fest.

Im Slicer wird auch die Schichthöhe und die Dichte des Infills eingestellt. Es gibt noch viele weitere Einstellungsmöglichkeiten, die im Slicer vorgenommen werden können. Wenn Sie ein wenig Erfahrung mit den Standarteinstellungen gesammelt haben, lohnt es sich, mit den Einstellungen herumzuspielen und ein paar Probedrucke zu machen. Auch das verändern der Drucktemperatur kann einen großen Einfluss auf die Qualität des Drucks haben.

Und jetzt Drucken!!!!

Die meisten Drucker nehmen den Slice (die Datei, die der Slicer ausgespuckt hat, mit der Dateiendung .gcode (oder .x3g bei Makerbot)) am liebsten auf einer SD- Speicherkarte entgegen. Manche 3D-Drucker werden auch direkt per USB am Rechner betrieben. Wenn Sie beide Möglichkeiten haben, ist der Betrieb über SD-Karte zu bevorzugen, da es über USB gelegentlich zu Kommunikationsproblemen zwischen Drucker und Rechner kommen kann.

Zunächst müssen Sie nun das Filament (den Kunststofffaden) einführen. Wählen Sie Kunststoff (PLA, ABS) und Farbe und hängen die Spule auf den Spulenhalter. Achten Sie darauf, dass sich das Filament nicht unkontrolliert abwickelt und Knoten bildet. Aktivieren Sie im Menü des Druckers die Option Filament Wechseln (eng. Change Filament) und warten bis der Drucker den Druckkopf aufgeheizt hat und Sie auffordert, das Filament einzuführen. Wenn aus dem Druckkopf (der sog. Extruder) ein feiner Kunststofffaden gefördert wird, folgen Sie den Anweisungen im Display um den Vorgang zu quittieren. Bei einigen Druckern gibt es die Option zum automatischen Wechseln des Filaments nicht. Wählen sie in diesem Falle die Option Preheat (Vorheizen) und warten bis der Extruder die eingestellte Temperatur erreicht hat. Wählen Sie nun die Option Move Axis oder Extrude, damit der Extruder fördert und führen Sie das Filament, wie oben beschrieben, ein.

Starten Sie nun den Druck, holen Sie sich was zu Trinken und genießen den Anblick eines wachsenden Werkstücks. 3D-Druck braucht Zeit… sie können, aber müssen den Drucker nicht unentwegt anstarren…

Einstellungen, Tipps und Techniken

Wichtige Optionen im Slicer sind noch Raft und Support: das Raft ist ein ist ein zusätzlicher Rahmen, der direkt um das Objekt herum gedruckt wird und dafür sorgt, dass das Objekt gut auf der Bauplattform haftet. Das ist für Bauteile mit einer kleinen Grundfläche interessant, da es sonst passieren kann, dass das Objekt einfach von der Plattform fällt, bevor es fertig gedruckt ist. Support bezeichnet eine Stützkonstruktion, die notwendig ist, wenn große Überhänge oder Brücken gedruckt werden. Hier ist es stark von Ihrem Drucker abhängig, ab welchem Grad des Überhangs eine Stützkonstruktion benötigt wird, und wann nicht. Hier sollten Sie einfach ein wenig herum experimentieren.

Sowohl das Raft als auch der Support müssen nach dem Druck von Ihrem fertigen Werkstück entfernt werden. Dazu benötigen Sie ein Cuttermesser und Fingerspitzengefühl (Verletzungsgefahr). Meist lässt es sich leider nicht vermeiden, dass Spuren am Werkstück verbleiben.

Auf dem Druckbett wird ein spezielles Klebeband bzw. eine Klebefolie aufgebracht, auf dem die Drucke gut anhaften. Kapton ist ein beliebtes Klebeband für diesen Zweck. Es hat eine sehr glatte Oberfläche und der Kunststoff haftet gut daran. Um es blasenfrei aufzuziehen, kann man die Druckplatte mit Seifenwasser benetzen und es anschließend mit einer Plastikkarte (EC-Karte, Führerschein) glattstreichen. Anschließend muss man es aber einige Zeit trocknen lassen.  Andere Möglichkeiten sind das blaue Kreppband von Makerbot (teuer) oder tesakrepp® 4309. Wir haben auch sehr gute Erfahrungen mit selbstklebender Metallicfolie aus dem Baumarkt gemacht. Diese Folie hat eine strukturierte Oberfläche und lässt sich sehr einfach blasenfrei aufkleben. Die Oberflächenstruktur ist allerdings auch in der Auflagenfläche des gedruckten Objekts sichtbar.

Das Klebeband / die Klebefolie sollte regelmäßig vor dem Druck mit Spiritus oder Aceton gereinigt werden, damit sie fettfrei ist und das Werkstück gut haftet. Grundsätzlich muss das Druckbett ab und an neu beklebt werden.

Wenn sich der fertige Druck nicht vom Druckbett löst, benutzen Sie einen kleinen Malerspachtel, den Sie zwischen das Objekt und das Druckbett schieben und dann leicht um seine eigene Achse verdrehen. Schlimmstenfalls beschädigen sie das Klebeband und müssen das Druckbett neu bekleben.

Die Kunststoffe

PLA und ABS sind die beliebtesten Druckmaterialien, die momentan für den 3D- Druck zur Verfügung stehen. 

PLA (polylactic acid) ist ein Biokunststoff auf Basis von Polimilchsäure. Bildlich gesprochen handelt es sich dabei um die Bröckchen aus saurer Milch, die aufbereitet und zu Kunststoff verarbeitet wurden. Dieser Kunststoff hat keinen Erdölanteil und kann unter kontrollierten Bedingungen sogar kompostiert werden (60°C, spezielle Bakterienstämme) auf Ihrem Komposthaufen im Garten hat dieser Kunststoff aber nichts verloren, da er unter diesen Bedingungen nicht zersetz werden kann.

ABS Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymerisat ist ein klassischer, sehr robuster Kunststoff auf Erdölbasis. Aus ihm werden z.B. Gehäuse von technischen Geräten, Computertastaturen oder Computermäuse gefertigt. Es entwickelt während des Drucks einen leicht stechenden Geruch und sollte nicht mit aktiver Kühlung gedruckt werden, da das Werkstück sonst sehr leicht brüchig wird, bzw. Risse bekommt.

Zukünftig möchten wir Ihnen auch weitere interessante Kunststoffe für den 3D-Druck anbieten. Unser Forschungslabor arbeitet mit Hochdruck daran.

Dualdruck: einige 3D-Drucker verfügen über einen sog. Dualextruder. Eigentlich handelt es sich dabei um zwei Extruder (Druckköpfe) in die jeweils ein anderes Filament eingelegt werden kann. So ist z.B. ein zweifarbiger Druck möglich. PLA und ABS lassen sich jedoch nicht vermischen, da sie nicht zuverlässig aufeinander haften. Wenn man ein Objekt mit dem Dualextruder drucken möchte, muss man zwei .stl –Dateien erstellen (für jede Farbe eine), sie im Slicer zusammensetzen und dem jeweiligen Druckkopf zuordnen. Cura stellt einige Optionen zur Verfügung, um den Dualdruck sauber auszuführen. Experimentieren Sie ein wenig mit den Einstellungen. Der Slicer Cura bietet außerdem die Option, den Druck an einer bestimmten Stelle automatisch anzuhalten, um das Filament zu wechseln und in einer anderen Farbe weiter zu drucken.

Viele 3D-Drucker verfügen über ein Heizbett. Damit soll verhindert werden, dass sich Bauteile mit einer großen Grundfläche während des Drucks verziehen und an den Kanten vom Druckbett ablösen (das sog. Warping). Für PLA sind Temperaturen zwischen 50 und 70°C angebracht.

Für ABS ist ein Heizbett unerlässlich, da es sonst meist gar nicht auf dem Druckbett anhaftet. Temperaturen über 100°C bringen hier meist gute Ergebnisse.

Viele neuere Drucker haben eine aktive Kühlung integriert. D.h. es gibt einen zusätzlichen Lüfter, der über einen Luftkanal direkt die gerade gedruckte Schicht abkühlt. So ist es möglich (in gewissen Grenzen)  Überhänge und Brücken ohne Stützkonstruktion zu drucken. Einige Drucker lassen sich auch mit einer aktiven Kühlung nachrüsten. Dazu folgt bald ein weiterer Artikel. Für ABS muss von einer aktiven Kühlung abgeraten werden, da die Gefahr besteht, dass das Werkstück Risse bekommt.

Welcher 3D-Drucker ist der richtige für mich?

Es gibt viele 3D-Drucker in sehr unterschiedlichen Preisregionen. 

Gute Einsteiger 3D-Drucker erhalten Sie schon für einen geringen Preis (ca.300€). Viele diese Drucker lassen Sich durch Anbauteile erweitern oder verbessern um sehr gute Druckergebnisse zu erhalten. Hochpreisige Geräte haben meist viele erleichternde Funktionen, wie zum Beispiel ein automatisches Bettleveling, ein flexibles Druckbett oder eine intergrierte Kamera etc. und sind in den meisten Fällen deutlich robuster und wertiger verbaut. Jedoch sind all diese Features keine Garantie für einen guten 3D Drucker. Gucken Sie sich in diesem Zusammenhang etwas auf dem Markt um, schauen Sie sich Bewertungen an und definieren Sie Ihre Anforderungen um den für Sie geeigneten 3D Drucker zu finden.

Dieser Text erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit. Er soll dem interessierten oder frischgebackenem 3D-Druckerbesitzer als Einführung in die Materie dienen. Über Kritik oder Lob freue ich mich (fast) gleichermaßen. Wer an seinem 3D-Drucker herumbastelt und was kaputt macht, ist selber schuld. Ich übernehme keine Garantie für die Richtigkeit meiner Angaben.