3D Druck in der Praxis – Von der Idee zum fertigen Objekt – Teil 3
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Alle Vorbereitungen sind getroffen. Die Dateien sind für den Drucker vorbereitet und auch die korrekten Parameter festgelegt. Doch mit einem einfachen Knopfdruck ist es in der Praxis häufig nicht getan. Und wie sieht es eigentlich aus, wenn man mehr als nur ein Objekt drucken möchte?

In den ersten beiden Teilen (Teil 1, Teil 2) dieser Artikelserie wurde alles für den eigentlichen 3D-Druck vorbereitet. Auswahl des Verfahrens, Zeichnen des Bauteils, Festlegung der Parameter und Material. Als Ergebnis steht eine Datei, die den fertigen Maschinensatz enthält.

Diese GCode-Datei enthält letztendlich nur direkte Steuerbefehle für den Drucker. Also beispielsweise „Verfahre den Druckkopf um 10 mm auf der X-Achse mit Geschwindigkeit von 150mm/s“. Aus diesem Grund muss der Slicer auch genau wissen, auf welchem Drucker und Material das Ergebnis übertragen werden soll. Ein Austausch der GCode-Dateien zwischen Druckern ist somit nicht möglich. Der von STL-Dateien hingegen schon.

Für den Druck für unseres Teils verwenden wir den Drucker Prusa Mendel, der seit der ersten Minute als Vereinsdrucker allen Mitgliedern des GarageLab  zur Verfügung steht. Er ist ein typischer FDM-Drucker aus der RepRap-Familie. Alle Bauteile sind open source und das Ziel der Community ist, möglichst einfache und günstige Komponenten zu verwenden. Der Prusa-Mendel ist verständlich aufgebaut und ist mit einfachen Werkzeugen wartbar. Seine Druck-Präzision kann als ausreichend bezeichnet werden. Die Geschwindigkeit als moderat.

Aufgrund der derzeit hohen Innovationsgeschwindigkeit sind in der Zwischenzeit allerdings schnellere und bessere Modelle verfügbar. Hierzu zählt beispielsweise der Mendel-Parts Orca, der im GarageLab von vielen Mitgliedern verwendet wird. Er ist mit ca. 900 Euro günstig, schnell, robust und überaus präzise.

Vorbereitung zum Drucken

Für den Druck gibt es einige gute freie Systeme zur Steuerung bzw. wird diese bei kommerziellen Druckern gleich mitgeliefert. In unserem Fall verwenden wir die freie Software Pronterface. Eine interessante Alternative stellt auch Repetierhost dar. Letztendlich entscheidet über die Wahl der Software die persönlichen Vorlieben bzw. die Unterstützung des eigenen Druckers.

Steuersoftware für den 3D-Drucker
Steuersoftware für den 3D-Drucker

Vor dem Druck muss bei FDM-Druckern zunächst das Heizelement sowie das Heizbett gestartet werden. Hierbei müssen die entsprechenden Temperaturen für das verwendete Material gesetzt werden. Gerade das Heizen des Bettes ist wichtig, da es für das Anhaften der ersten Schicht entscheidend ist. Dabei sollte übrigens stets auf eine gleichmäßige Umgebungstemperatur geachtet werden. Deswegen ist der Druck in einem unbeheizten Keller nur bedingt ratsam.

Sobald die Betriebstemperaturen erreicht sind und das Plastik im Test mit richtiger Konsistenz aus dem Druckkopf fließt, kann der Druck gestartet werden.

In Abhängigkeit vom verwendeten Druckertyp ist eine manuelle Korrektur des Abstands zwischen Bett und Druckkopf notwendig. Dabei sollten die einzelnen Bahnen deutlich sichtbar sein und ganz leicht einander überlaufen. Ist der Druckkopf zu niedrig, verschmiert der Kopf die vorherigen Bahnen. Ist er zu hoch, verbinden sich die Bahnen nicht.

Druckprozess auf einem Prusa Mendel
Druckprozess auf einem Prusa Mendel 

Nachdem die erste Schicht noch überwacht werden sollte, ist für den weiteren Prozess nur noch eine regelmäßige Kontrolle notwendig. Oder man schaut einfach nur genüsslich zu.

Ein typisches Problem bei großflächigen Teilen bzw. Teilen mit einer unglücklichen Geometrie ist das Ablösen des Bauteils vom Heizbett nach einer Weile. Diese Ablösung entsteht, da heiße und kalte Bereiche im Bauteil Spannungen erzeugen und es somit verziehen. Dieser Verzug ist zusätzlich vom Material abhängig. Es gibt unzählige Tipps und Ideen zur Lösung dieses Problems. In der Praxis gilt aber: eine höhere Umgebungstemperatur und – sofern möglich – eine geometrische Änderung des Bauteils helfen.

Materialwahl: PLA, ABS oder etwas Neues?

Für die meisten Anwendungen ist die Verwendung von PLA vollkommen ausreichend und für Anfänger ideal. Es schmilzt bereits bei geringen Temperaturen, seine Festigkeit und damit Verwendbarkeit ist gut und die Oberflächenqualität passabel. Die Verwendung von ABS ist hingegen etwas schwieriger und wird auch nicht von allen Druckern aufgrund der höheren Temperaturen unterstützt. ABS zeichnet sich aber durch eine deutlich höhere Festigkeit aus. Es ist insbesondere bei funktionalen Teilen das Material der Wahl. Weitere interessante Materialen werden derzeit getestet. Hierzu zählt z.B. Arnitel ECO. Es ist weich und flexibel und somit z.B. Produkte geeignet, die dehnbar sein sollen. Ideal also für Griffe oder auch für den Formenbau. Durch den Einsatz von Extrudern für pastöse Materialen werden weitere Möglichkeiten eröffnet. Ton oder sogar Schokolade lassen sich hiermit drucken.

Nach 20 Minuten vermeldet der Drucker die Fertigstellung des Teils. Nach einer kurzen Abkühlungsphase kann das Teil abgelöst werden. Der Support kann mit einem Messer oder Pinzette entfernt werden. Löcher in der Z-Ebene sollten kurz aufgebohrt werden. Fertig!

Das fertige Teil 
Das fertige Teil 

Kleinserien und die Kosten

Zwanzig Minuten Druckzeit sind keine Welt. Nur wie sieht es aus, wenn 50 Teile gedruckt werden müssen. Oder gar 200? Was für einen Prototypen akzeptabel erscheint, ist für eine Kleinserie zeitlich und wirtschaftlich nicht tragbar. Warum also nicht den 3D-Druck mit konventionellen Produktionsmethoden kombinieren? Für unser Plastikteil ist beispielsweise die Herstellung als Gußteil sinnvoll. Hierfür stehen aus dem professionellen Modellbau hervorragende Werkstoffe wie z.B. Polyurethan Gießharze zur Verfügung. Der Druck kann hier die Zeit zur Herstellung der notwendigen Negativformen deutlich verkürzen. Zum einen, um alle Formenpositive gleich so zu konstruieren und zu drucken, wie sie für spätere Formenherstellung benötigt werden. Also beispielsweise direkt als Halbformen inklusive der notwendigen Guss- und Entlüftungskanäle. Zum anderen aber auch, um direkt die Negativformen zu drucken. Allerdings ist hier die Trennung von Gussmasse und Form ein Problem. Experimente im GarageLab zeigen aber, dass direkt gedruckte Negativformen mit billigen Modelliermassen gut kombinierbar sind (Erfahrungen zu Modelliermasse und 3D-Druck). Allerdings wird man hier wieder mit den Einschränkungen der konventionellen Abformungsmethoden konfrontriert. Dies heißt insbesondere, dass Hinterschneidungen nicht möglich sind bzw. eine mehrteilige Gussform erfordern.

Ausblick

Diese Artikelserie sollte die wesentlichen Schritte und Themen rund um den 3D-Druck darstellen. Natürlich sind die Probleme und Möglichkeiten in der Praxis viel breiter und die alltägliche Verwendung von Druckern für den Heimbedarf noch ein weiter Weg. Dennoch bietet die Technologie insbesondere für semiprofessionelle Kreative bereits jetzt mit einem überschaubaren Lernaufwand eine große Chance. Eine Chance, die eigenen Ideen nicht nur in Software zu gießen, sondern in reale und innovative Dinge.

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