3D-Druck Übersicht

3D-Druck ist der Druck zweidimensionaler Schichten, die zusammen einen dreidimensionalen physischen Körper ergeben.

Die meisten 3D-Drucker funktionieren nach dem FDM (Fused Deposition Modeling) - Verfahren, bei dem ein Kunststoffstrang (sogenanntes Filament) durch eine heiße Düse auf eine Druckplatte "gedruckt" wird.

Dabei wird das Filament (Standarddurchmesser 1.75 mm) mittels eines Stepper-Motors eingekleppt und weitertransport (sogenannter Feeder) und daruch von einer Spule (mit meistens 500g bis 1kg Filament) abgespult. Entweder wird der Strang dann direkt (auf geradem Wege) in den Druckkopf geschoben, dann redet man von einem Direkt-Extruder oder über einen langen PTFE (um die Reibung zu verringern und Filamentstau zu verhindern) dem Druckkopf zugeführt.

Am Ende des Druckkopfs befindet sich ein sogenanntes Hotend mit Heizblock und Düse am Ende. Das obere Ende des Hotends wird mit Lüftern gekühlt, denn man möchte, dass das Filament nur am unteren Ende zähflüssig ist. Zum Schmelzen des Filaments sind je nach Kunststoffart Temperaturen von 1280 bis 250 °C nötig.

Durch den Vortrieb am Feeder, der durch einen Mikrocontroller gesteuert wird, um genau die richtige Menge zu liefern, wird das flüssige Filament aus der Düse gedrückt, die sich ca. 0.1 mm über dem Druckbett befindet. Dadurch wird der Kunsstoff auf das Druckbett gequetscht. Das kann man sich so ähnlich wie bei einer Zahnpastatube vorstellen.

Das Druckbett wiederum ist ist beheizt (ca. 60 bis 80°C), damit der Kunststoff eine gute Haftung mit dem Druckbett eingeht und nicht verrutscht. Ein Bauteilkühler kann zugeschaltet werden, um die gedruckten Filamentbahnen zu kühlen, sobald sie fertiggestellt sind. Das Zusammenspiel von Heizung und Kühlung ist wichtig, um ein gutes Druckergenis zu erlangen. Auch dies wird durch einen Mikrocontroller gesteuert.

Weitere Schrittmotoren sorgen dafür, dass sich die Druckposition in den drei Dimensionen X, Y und Z verändert kann. Oft erfolgt das so: Der Druckkopf wird mittels Zahnriemen an einer auf der X-Achse ausgerichteten Stange bewegt; dies ergibt die X-Bewegung.

Außerdem ist dieses Gestänge an einer (oder auch zwei) in Z-Richtung ausgerichteter Gewindestange befestigt und kann durch Drehen in Links- und Rechtsrichtung hoch- und heruntergefahren werden. Das ergibt die Z-Bewegung.

Zu guter Letzt kann auch das Druckbett in Y-Richtung bewegt werden, weil es auf einem Gestänge am Gehäuse gleitend befestigt ist und mittels Zahnriemen vor- und zurückbewegt werden kann.

Diese Art der Bewegungsmechanik beschreibt einen sogenannten Portaldrucker wie den Prusa i3 oder den Anycubic i3 Mega, den ich besitze.

Es gibt aber noch andere Mechaniken wie z. b. das Delta-Design, bei dem der Druckkopf an 3 Stangen hängt, deren Abstand zueinander verkürzt oder erweitert wird und so auch jede Position im Druckraum angefahren werden kann. Meist ist das Druckbett bei Deltadruckern rund, weil auch der Zugriffsbereich kreisrund ist. Die Berechnungen für die Positionierung übernimmt auch hier der Mikrocontroller.

Wie bei einem Bleistift (oder Plotter), der über ein Stück Papier gezogen wird, entsteht so eine zweidimensionale "Zeichnung" mit einer gewissen Höhe (sogenannte Layerhöhe, die eingestellt werden kann und durch die Filament-Fördermenge realisiert wird). Ist die "Zeichnung" fertig, wird der Druckkopf auf der Z-Achse im die Layerhöhe angehoben und die nächste Ebene wird gedruckt. Die einzelnen Schichten verschmelzen durch die Hitze teilweise miteinander und ergeben so ein großes, Ganzes.

Man kann sich sicher ausmalen, wie langwierig dieses Verfahren sein muss, Schicht für Schicht ein Gebilde aufzubaen. Und so kommt es auch, dass die Druckzeiten von 3D-Drucken meist in die Stunden bis hin zu Tagen gehen können. Schon etwas in Größe einer Streichholzschachtel dauert 30 bis 60 Minuten. Ein Würfel mit Kantenlänge 10 cm schon rund 4 bis 8 Stunden und wenn der gesamte Bauraum (meist so 20 x 20 x 20 bis 30 x 30 x 30 cm) ausgenutzt wird, reden wir von Tagen.

In dieser ganzen Zeit will das Heizbett und das Hotend auf konstanter Temperatur gehalten werden. Man sollte von einem durchschnittlichen Stromverbrauch von 100 bis 200 Watt ausgehen. Dies ist natürlich abhängig von der Größe des Heizbetts, eingestellten Temperaturen, Aufstellungsort und so weiter. Man sollte also sinen 3D-Drucker nach seinen Bedürfnissen auswählen und auch an die Stromkosten denken, bevor man sich einen kauft, der größer ist als nötig.

Außerdem lohnt es nicht immer, etwas mit dem 3D-Drucker zu drucken, denn Filament (zwischen 10 und 30 Euro das Kilogramm) und Strom wollen auch bezahlt werden. Es wird keinen Sinn machen, sich z. B. einen Papierkorb auszudrucken, auch wenn der Bauraum des Druckers dafür ausreichen sollte und dafür 1 kg Filament zu verbrauchen und tagelang zu warten, wenn man zum Büromarkt fahren kann und das fertige Produkt, hergestellt im Spritzgussverfahren, für einen Bruchteil davon erstehen kann.

Der große Vorteil eines 3D-Druckers ist, dass man Dinge entwerfen und drucken kann, die man so nicht zu kaufen bekommt.

Ich gebrauche meinen Anycubic i3 mega hauptsächlich, um maßgeschneiderte Gehäuse für meine elektronischen Projekte zu entwerfen. Aber auch zum Ausdrucken von kleinen Alltagsgegenständen (SD-Karten-Halter, USB-Kabelhalter, Kaffeekapsel-Halter, 3D-Puzzles) ist er mir eine wertvolle Hilfe.

3D-Drucker sind auch noch nicht im Stadium "idiotensicher" angekommen. Man muss schon ein bisschen Bastelfreude, Lernwille, Forschergeist und Geduld mitbringen; aber dann kann man viel Spaß mit ihm haben.

Folgende Artikel sind zu diesem Thema zu finden (Neueste zuerst, älteste und Grundlagen zuletzt):

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OctoPrint ist eine Software, die auf einem Raspberry Pi läuft und den 3D-Drucker bedient. OctoPrint kommt als komplettes Betriebssystem-Image namens OctoPi, welches alles Erforderliche mitbringt. Man braucht also nur noch einen Raspberry Pi, ein USB-Ladegerät und ein paar Anschlusskabel, um das Projekt zu realisieren.
Filament-Test Sunlu PLA DJ-White

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Welliger Ausdruck durch verbogene Gewindestange

Inzwischen habe ich mich mit meinem Anycubic i3 mega ein wenig eingearbeitet und die mitgelieferte Filamentrolle ist auch schon fast verdruckt. Einer Sache, die mich schon seit Anfang an ein wenig nervt, ist ein ungleichmäßiger Ausdruck auf der Z-Achse.
Perfektes Bett-Leveling beim Anycubic i3 Mega

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Der 3D-Drucker Anycubic i3 Mega - Aufbau, Einrichtung, Test

Hauptsächlich zum Drucken von Gehäusen für meine Elektronik-Projekte habe ich mir einen 3D-Drucker angeschafft. Wie er sich im Alltag schlägt, könnt ihr hier nachlesen.