3D Druck in der Praxis – Von der Idee zum fertigen Objekt – Teil 1
Kommentare

Viel wird derzeit über die Revolution durch den 3D-Druck geschrieben. Die Berichte reichen von bezahlbaren 3D-Druckern für den Hausgebrauch bis hin zu visionären Gedanken, bei denen sowohl konventionelle Fertigungsketten ersetzt werden als auch jeder von uns bald einen eigenen Drucker besitzt. Soweit die Visionen. Diese Artikelserie befasst sich mit der Realität bei der Anwendung dieser faszinierenden Technologie. Dargestellt werden die Vor- und Nachteile beim Einsatz durch semiprofessionelle Kreative, Designer und Produktentwickler – und allen, die es vielleicht dadurch werden wollen.

Eine Maschine, die Dinge aus dem Nichts herstellt. Aus Informationen Produkte erstellt: 3D-Drucker. Die Technologie zum Herstellen von Teilen ohne nennenswerte Werkzeuge ist nicht neu und in der Industrie seit vielen Jahren etabliert. Die Materialen vielfältig und das Einsatzspektrum in der Prototypenentwicklung und Einzelfertigung breit.

Die Technologien sind in den letzten Jahren so günstig und einfach geworden, dass selbst Einzelpersonen den Weg zur Herstellung eigener Produkte und Prototypen gehen können. Entweder durch die Beauftragung von Druckdienstleistern oder gar durch die Nutzung eines eigenen kleinen 3D-Druckers.

Diese Artikelserie stellt die wesentlichen Überlegungen, Schritte und auch Problembereiche dar. Direkt aus der Praxis. Aus dem GarageLab in Düsseldorf.

Die Serie richtet sich nicht nur an Besitzer von 3D-Druckern, sondern an alle, die ihre Produktideen umsetzen möchten. Dabei sollen nicht nur die technischen Details rund um den 3D-Druck abgedeckt werden, sondern auch alle Schritte und Überlegungen, die vor und nach dem Druck entstehen:

  • Teil 1: Kopieren oder Kreieren; Drucken oder Drucken lassen: Auswahl der richtiges Verfahrens
  • Teil 2: Das erste eigene Teil: Konstruktion in 3D für 3D, Slicen und Vorbereitung
  • Teil 3: Drucken und Kleinserien: Stolpersteine und die richtigen Parameter

FDM-Drucker im GarageLab Düsseldorf
FDM-Drucker im GarageLab Düsseldorf

Das GarageLab in Düsseldorf
Das GarageLab e.V. (www.garage-lab.de) ist das erste FabLab in Düsseldorf. Seit 2011 finden sich hier begeisterte Kreative, Bastler und Ingenieure in der Freizeit zusammen, um Ideen in fertige Dinge umzuwandeln. Gestartet mit einem einzigen 3D-Drucker bietet das Labor heute eine umfangreiche Werkstatt mit Maschinen und Werkzeugen für 3D-Druck, klassischer Handwerkskunst und Elektronik. Zahlreiche Veranstaltungen und Kooperationen runden das Angebot für Mitglieder und Gäste ab.


Was ist 3D-Druck überhaupt?

Allen Ansätzen gemein ist das Verfahren des Drucks: Ein 3D-Modell wird zuerst in Schichten mit einer fester Schichthöhe (Layer) zerlegt. Diese Schichten werden nun Stück für Stück in einem 3D-Drucker übereinander formschlüssig gelegt. Dies erfolgt entweder durch Erhitzen oder Belichten eines Materials. Eine Software übernimmt dabei die Steuerung des Prozesses.

Um den 3D-Druck nutzen zu können, ist der Kauf eines eigenen 3D-Druckers überhaupt nicht nötig. Es gibt zahlreiche Dienstleister (wie z.B. Shapeways oder i.materialise), die auf einfache Weise online Dateien entgegennehmen und zu vertretbaren Preisen drucken. Binnen weniger Tage werden diese dann per Post geliefert. Dieser Weg ist für den Anfang ideal, da die Lernkurve flach bleibt und die Kosten gering. Als Alternative stehen insbesondere in Großstädten aber auch FabLabs zur Verfügung, die mit 3D-Druckern, Werkzeugen, Maschinen und entsprechenden Know-How der Mitglieder aufwarten. Der Kauf eines eigenen Druckers ist deswegen erst ab entsprechender Nutzungshäufigkeit sinnvoll.

Drucktechnologien

In der Praxis existieren viele Druckverfahren, die sich durch die Geschwindigkeit, Präzision und möglichen Materialen zum Teil deutlich unterscheiden.

Im Bereich der persönlichen Fabrikation ist derzeit das Fused Deposition Modeling (FDM) das etablierte Verfahren. Hier wird Kunststoff – wie z.B. ABS oder PLA – erhitzt und Schicht für Schicht in kleinen Bahnen aufgebracht. Es zeichnet sich durch seine Einfachheit, geringe Kosten und passable Detailgenauigkeit aus. Zusätzlich entstehen sehr robuste Teile, die auch gut nachbearbeitet werden können. Die Nachteile in der Praxis sind die meist raue Oberflächenqualität und die Notwendigkeit von Stützmaterial/Support. Dieser Support muss zum einen wieder entfernt werden und hinterlässt auch unschöne Spuren auf der Oberfläche.

Notwendiges Stützmaterial (Support) beim FDM-Druck
Notwendiges Stützmaterial (Support) beim FDM-Druck

Zusätzlich muss beachtet werden, dass die Präzision in der X/Y-Ebene meist hervorragend ist. Diese kann bei einem gut eingestellten Drucker durchaus ±2/100 mm betragen. In der vertikalen Ebene hingegen gerade noch als befriedigend bezeichnet werden, sofern bei der Konstruktion auf einige Besonderheiten bzw. beim Druck nicht geachtet wird. Zum einen bestimmt die Layerhöhe die Präzision sowie auch das verwendete Material bzw. der notwendige Support. Dies kann den Konstruktionsprozess erschweren, da man die Teile gleich so konstruieren sollte, dass die Geometrien mit hohen Detail-Anforderungen in die XY-Ebene gelegt werden; die mit geringen hingegen auf die vertikale Ebene. Wer diese Einschränkungen nicht berücksichtigen möchte, für den sollte das zweite Verfahren interessant sein.

Beim Selective Laser Sintering (SLS) wird ein Pulver (z.B. Polyamid, Metall oder Sand) partiell erhitzt. Durch die stützende Funktion des Pulvers entfällt die Notwendigkeit für Support-Material. Jede Geometrie ist somit ohne Qualitätseinbußen möglich.

Nur leider benötigt der SLS-Druck hochwertige und teure Laser. Die Investitionskosten sind dementsprechend nur für professionelle Dienstleister tragbar. Die Preise für die hergestellten Teile sind allerdings gering. Ein weiterer Nachteil liegt in der porösen Oberflächenqualität und der etwas schlechteren Genauigkeit (±10/100 mm für Polyamid). Dafür allerdings in allen Achsen. Das nachträgliche Glätten der Oberfläche ist zeitaufwändig. Auto-Lackierer in der Nachbarschaft können aber hier eine große und kostengünstige Hilfe sein.

Die letzte wichtige Technologie stellen die stereolithograhischen Verfahren (SLA) dar. Sie bieten den größten Detailierungsgrad. Kleine und filigrane Modelle sind mit dieser Technologie gut realisierbar. Einher geht diese Detailgenauigkeit aber mit einer geringen Materialfestigkeit. Der Einsatz von Spezialharzen und UV-Lasern macht diese Anlagen zusätzlich teuer. SLA-Teile werden deswegen meist nur zur Visualisierung von komplexen Teilen eingesetzt (z.B. Handygehäuse). Die aufwändige Reinigung von SLA macht die Anwendung aber nur für Dienstleister interessant.

Es gibt noch unzählige andere Verfahren und Materialen. Hier lohnt sich ein Blick in die Materialbibliothek der Dienstleister. In den Fab-Labs wird zusätzlich mit interessanten neuen Materialen wie Beton, Zucker, Schokolade oder auch Ton experimentiert.

3D-Druckverfahren im Vergleich



FDM SLS SLA
Präzision ++ (XY), o/+ (Z) + ++
Festigkeit ++ ++ o
Oberflächenqualität rau sehr rau glatt
Nachbearbeitung ++ o +
Investitionskosten ++
Teilekosten + ++ o

Kopieren, Scannen oder Zeichnen?

Doch bevor man das fertige Teil in der Hand hat, müssen noch einige Schritte geklärt werden. Das fängt mit der Idee an.

Wir beobachten im GarageLab sehr häufig, dass die erste Euphorie nach dem Kauf eines 3D-Druckers schnell erlischt. Ohne Idee, welche konkreten Teile man über einen 3D-Drucker ausgeben möchte, macht der Kauf nur selten Sinn. Für den sporadischen Einsatz empfiehlt sich stets der Weg über Dienstleister oder auch die Mitgliedschaft in einem FabLab.

Gut kopiert ist besser als schlecht erfunden! Im Internet stehen unzählige Plattformen wie http://www.thingiverse.com zur Verfügung, auf denen fertige Teile wie iPhone-Cases, Ersatzteile, Schmuck uvm. zum Download zur Verfügung gestellt werden. Die Qualität der Dateien ist dabei meist gut und Nacharbeiten gehen leicht und schnell von der Hand.

Eine interessante Neuerung sind parametrisierbare Anwendungen. So können z.B. die Maße einer Basis-Konstruktion, Freitext oder auch Fotos angegeben werden, mit denen dann dynamisch ein passendes 3D-Modell generiert wird. Anwendungen, die dem Begriff der Mass-Customization endlich Leben geben.

Wenn diese Optionen für die eigenen Anforderungen nicht ausreichen, stellt sich die nächste Frage, ob man ein existierendes Teil nur nachbauen möchte oder eine Neukonstruktion anstrebt.

Das 3D-Scannen bietet sich für die Lösung des ersten Problems an. Auch hierfür stehen Dienstleister bereit. Das existierende Teil wird eingeschickt, verscannt und als Ergebnis erhält man eine präzise 3D-Datei. Aber auch hier geht der Trend zu kleineren und billigeren Systemen, so dass zumindest die FabLabs diese Dienste in naher Zukunft ihren Mitgliedern anbieten werden.

Eine neue und weitere interessante Methode bietet sich durch die Berechnung der 3D-Geometrie aus Einzelbildern wie sie auf der Website Autodesk 123D angeboten wird. Die Erfahrungen hiermit sind allerdings eher mäßig, wenngleich das zukünftige Potential enorm ist.

Wenn alle diese Möglichkeiten nicht ausreichen, bleibt der Weg zum Zeichnen eines eigenen 3D-Modells nicht erspart.

Für den weiteren Verlauf der Serie wollen wir genau diesen Prozess darstellen und dem Vereinsdrucker drucken. Deswegen geht es morgen in Teil 2 weiter mit der Herstellung des ersten eigenen Objekts: Konstruktion in 3D für 3D, Slicen und Vorbereitung.

Unsere Redaktion empfiehlt:

Relevante Beiträge

Meinungen zu diesem Beitrag

X
- Gib Deinen Standort ein -
- or -