Basteln mit Elektronik

3D-Druck – Von Sketchup zum 3D-Modell

  • Der 3D-Druck eröffnet auch Heimwerker ein riesiges neues Spektrum. Dazu gibt dieser Bericht viele Basisinformationen zur Hardware, Software und Anwendung.
  • Ein Glossar mit Erklärungen zu den Fachbegriffen aus dem 3D-Druckbereich hilft dabei Anleitungen und Beschreibungen besser zu verstehen.
  • Die Filamente mit denen gedruckt wird werden vorgestellt und eine Tabelle mit den passenden Temperaturen ist sehr hilfreich für eine exakte Einstellung.

Eine Figur wird im 3D-Verfahren gedruckt vom 3d-Drucker

3D-Drucker kaufen

Bei Kauf eines 3D-Druckers hilft unser Vergleich für den verschiedene Modelle genau unter die Lupe genommen wurden. Wer noch ganz weit davon entfernt ist, kann erste manuelle Erfahrungen mit einem 3D-Stift sammeln.

Der 3D-Druck ermöglicht es, jedem privaten Anwender relativ kostengünstig eigene Modelle komplizierter Formen herzustellen, die industriell nur mit teuren CNC-Maschinen oder in umständlicher Handarbeit möglich wären. Das erweitert die Möglichkeiten erheblich..

Ein geplantes Projekt zu dem spezielle Teile fehlen! Das geliebte Kinderspielzeug funktioniert nicht mehr, weil ein Kunststoffteil gebrochen ist!

Kein Problem – mit einem 3D-Drucker lassen sich auf kleinstem Raum Kunststoffteile selber fertigen. Angst vor komplizierter Technik muss dabei keiner haben.

Es ist zwar kein Kinderspiel, aber mit etwas technischem Sachverstand und der Bereitschaft, sich mit der Materie auseinanderzusetzen, für jeden umsetzbar.

Wichtig sind Grundkenntnisse mit Grafikprogrammen. Sie helfen sich schnell in der Software zur Modellerstellung zurecht zu finden.

1. Was kostet der 3D-Drucker?

3D-Druck – Von Sketchup zum 3D-Modell
3D-Druck – Von Sketchup zum 3D-Modell

Ehe man sich einem Hobby widmet, stellt sich die Frage: Kann ich mir das leisten und rentiert es sich? Beide Fragen sind in diesem Fall nur schwer zu beantworten.

Der 3D-Druck setzt eine gewisse technische Umsetzung voraus, die es nicht geschenkt gibt. Der erste Einstieg ist jedoch für jeden zu finanzieren.

Einfache 3D-Drucker sind bereits für weniger als 200 € zu bekommen, Grenzen nach oben gibt es jedoch keine. Gute und einfach zu bedienende Geräte liegen bei knapp unter 1.000 €.

Ob sich die Investition lohnt, hängt – wie bei jedem Hobby – vom eigenen Interesse und dem anschließenden Nutzen ab.

Sofort in ein teures Gerät zu investieren wäre der falsche Weg. Auch ein Modelleisenbahner kauft nicht gleich die teuerste Anlage, sondern fängt klein an, steigert sein Interesse oder verwirft das Hobby.

Ein 3D-Drucker für 1.000 € wäre hierbei ein sehr teures Lehrgeld. Mit rund 200 bis 250 € ist der Einstieg in den 3D-Druck jedoch möglich und schafft die Basis für viele Druckarbeiten. Wird das Hobby intensiv betrieben, kann später zu größeren Geräten gegriffen werden.

2. 3D-Drucker nutzen

2.1. CNC-Technik

CNC steht für Computerized Numerical Control oder auf deutsch rechnergestützte numerische Steuerung. Was kompliziert klingt, kann recht kurz zusammengefasst werden. Ein Computer weist eine Werkzeugmaschine an, mit ihrem Werkzeug einen bestimmten Punkt anzufahren.

Viele aufeinander folgende Befehle ergeben so ein komplettes Programm, wonach die Werkzeugmaschine in der Lage ist, ein komplettes Werkstück zu fertigen. Tiefer muss in das Thema für den 3D-Druck nicht oder nur bedingt eingedrungen werden.

Es hilft jedoch die Arbeitsweise zu verstehen und bei Bedarf gezielt in das Programm einzugreifen. Das kann hilfreich sein, wenn ein Halt für einen Farbwechsel eingefügt werden soll.

Das Werkstück wird Mittels Koordinatensystem programmiert.
Das Werkstück wird Mittels Koordinatensystem programmiert.

Die Basis der CNC-Steuerung liegt auf sogenannten G-Befehlen und dem Koordinatensystem mit mindestens 2 Achsen. Der 3D-Drucker nutzt, wie der Name bereits sagt, 3 Achsen.

Ein einfaches Beispiel mit zwei Achsen soll die Funktion näher erklären.

Das gezeigte Werkstück liegt im Ursprung des Koordinatensystems an und beginnt damit beim Punkt X0 Y0. Entlang der X-Achse ist es 7 cm lang, erreicht rechts unten den Punkt X7 und bleibt in Y auf 0, woraus sich die Position X7 Y0 (Punkt 1) ergibt.

Der nächste Punkt verschiebt sich auf der Y-Achse um 4 cm, bleibt dabei jedoch auf X7. Erreicht wird die Position X7 Y4 (Punkt 2).

Bei der anschließenden schrägen Bewegung ändert sich der X- und der Y-Wert auf die Position X5 Y6 (Punkt 3). Zurück geht es zum Ursprung der X-Achse (Punkt 4) und mit dem Weg auf X0 schließt sich das Teil.

Beschrieben wurde hier nur die Kontur, die ein 3D-Drucker in einer Schicht abfahren würde. Um daraus einen Körper zu machen, muss der Druckkopf auch nach oben fahren, was die dritte Achse beschreibt.

Die Koordinaten würden bei einem 5 cm hohen Teil an der Unterkante X0 Y0 Z0 und an der Oberkante im Koordinatenursprung X0 Y0 Z5 lauten.

Kombiniert werden die Positionen im Koordinatensystem mit einem Programm aus G-Befehlen. Diese setzen sich aus dem Eilgang ohne Bearbeitung G0, dem Vorschub mit Bearbeitung G1 und weiteren Befehlen zusammen, die Konturen beschreiben und Werte für die Maschine festlegen.

Zum Verständnis reicht es in erster Linie jedoch die einfachen Verfahrbefehle zu kennen. Anhand des Beispieles würde sich folgendes kurzes Programm ergeben.

Gut sind die Verfahrwege des Druckers zu erkennen.
Gut sind die Verfahrwege des Druckers zu erkennen.
  • G0 X0 Y0 Z0 (Startpunkt im Eilgang anfahren)
  • G1 X7 (im Vorschub auf Punkt 1)
  • G1 Y4 (im Vorschub auf Punkt 2)
  • G1 X6 Y5 (im Vorschub auf Punkt 3)
  • G1 X0 (im Vorschub auf Punkt 4)
  • G1 Y0 (im Vorschub zum Startpunkt)
  • G0 Z10 (im Eilgang 10 cm von der Oberfläche abheben)

Damit ein 3D-Drucker einen Körper aufbauen kann, muss sich das Programm immer wieder wiederholen und nach jedem Umfahren der Kontur die Höhe um die Schichtdicke des Auftrags erhöhen.

Daraus ergibt sich bereits bei dieser einfachen Kontur ein sehr langes Programm, das mehrere Hundert Zeilen umfassen kann. Bei komplizierteren Teilen vergrößert sich entsprechend das Programm und es ist kaum noch möglich, den Überblick zu behalten.

Daher übernimmt eine Software die Erstellung und es ist nicht nötig, jede Zeile selbst zu erstellen. Es ist jedoch nicht verkehrt zu wissen, was bei der Programmerstellung vor sich geht.

2.2. Schrittmotoren und Antrieb der Achsen

Wie eingangs beschrieben, eignet sich zum Einstieg ein Bausatz, bei dem eigenhändig die Motoren und Antriebe installiert werden. So wird ihre Funktion und Arbeitsweise kennengelernt.

Schrittmotor zum Steuern der Achsbewegung
Schrittmotor zum Steuern der Achsbewegung

Der Druckkopf muss sich über drei Achsen zum Druckmodell bewegen können. Im üblichen Aufbau erfolgt eine Bewegung (X-Achse) über den Tisch und zwei Achsen (Y- und Z-Achse) über den Druckkopf.

Die Bewegung kann über unterschiedliche Formen erfolgen, benötigt aber immer einen sogenannten Schrittmotor als Antrieb. Anders als einfache Motoren, besitzen sie im äußeren Ring viele Spulenpaare, die nacheinander aktiviert den Motor Schritt für Schritt drehen lassen.

Es ist ebenso möglich, nur das nächste Spulenpaar zu aktivieren, wodurch sich der Motor in einem vorgegebenen Winkel dreht und in dieser Position stehen bleiben.

Je mehr Spulenpaare eine Schrittmotor besitzt, desto kleiner ist der Winkel eines Schrittes. Diese Schrittfunktion ermöglicht es, die exakte Position des Antriebes zu steuern, ohne die Drehbewegung zu messen oder zu prüfen.

Verdreht sich der Motor jedoch, was durch Überlastung passieren kann, besitzt er keine Möglichkeit mehr, seine Position beziehungsweise Anzahl der Umdrehungen zu überprüfen. Diese Situation wird als Schrittverlust bezeichnet.

In diesem Fall muss der Tisch oder Druckkopf auf seinen Nullpunkt fahren, der mittels Endschalter bestimmt wird. An dieser Stelle wird der Verfahrweg auf Null gestellt und der Schrittmotor beginnt wieder seine Umdrehungen zu zählen und damit den gefahrenen Weg zu bestimmen.

Trapezspindel und Spindelmutter
Trapezspindel und Spindelmutter

Damit der Schrittmotor den Tisch oder Druckkopf bewegen kann, muss die Drehbewegung des Motors in eine geradlinige Bewegung umgewandelt werden.

Dieses kann durch ein einen Schneckenantrieb, ein Zahnstangengetriebe sowie einem Zahnriemen oder ähnlichem erfolgen.

Die sicherste Variante stellt der Antrieb mittels Kugelrollspindel dar, wie er bei großen CNC-Maschinen genutzt wird. Der Motor dreht eine Gewindespindel, auf der sich ein Gegengewinde (Mutter) befindet, welches sich auf der Spindel bewegt und somit verschoben wird.

Die Mutter der Kugelrollspindel besitzt jedoch kein einfaches Gewinde, sondern mehrere Kugeln, die im Gewinde geführt werden und exakt auf die Spindel angepasst werden können. Daraus ergibt sich eine spielfreie Übertragung der Drehbewegung ohne Reibung und damit (fast) ohne Verschleiß. Dieser Kugelgewindetrieb ist jedoch sehr aufwändig und kommt daher seltener im 3D-Drucker zum Einsatz.

Bewegungsübertagung mittels Zahnriemen
Bewegungsübertagung mittels Zahnriemen

Günstiger sind Trapezgewindespindeln mit Messing-Gewindebuchsen. Diese besitzen eine gute Passform, können sich jedoch abnutzen und Spiel aufweisen, wodurch der sogenannte “Umkehrfehler” entsteht.

Recht einfach erfolgt die Bewegungsübertragung mittels Zahnriemen. Dieser sitzt motorseitig auf einer Art Zahnrad, welches formschlüssig zum Zahnriemen passt.

Dreht sich der Motor, wird der Zahnriemen exakt hin und her bewegt und zieht den Tisch oder Druckkopf in die gewünschte Position. Diese Antriebsart ist leicht umsetzbar, günstig und unterliegt einem sehr minimalem Verschleiß.

Wichtig ist jedoch die richtige Riemenspannung, um ein Umkehrspiel durch einen durchhängenden Riemen zu vermeiden.

Umkehrspiel: Besitzt ein Getriebe (egal welcher Form) Spiel, steht es bei einer Drehbewegung in einer Richtung unter Spannung und arbeitet präzise. Wird die Drehbewegung des Motors jedoch umgekehrt, muss der Motor erst das Spiel ausgleichen, ehe sich zwischen den Getriebeteilen wieder eine Spannung aufbaut und ein Teil das nächste bewegt. In dieser Zeit findet zwar eine Drehbewegung des Motors statt, die Bewegung wird jedoch erst mit Verzögerung übertragen und es entsteht ein Fehler zwischen den Umdrehungen des Motors und der tatsächlichen Bewegung des Tisches. Da dieser Fehler bei jeder Umkehrung der Drehbewegung auftritt, bezeichnet man ihn als Umkehrfehler.

2.3. Wichtige Fachbegriffe zum 3D-Druck

Das Prinzip des 3D-Drucks ist nicht schwer, um jedoch Hilfen im Netz nutzen zu können, ist es wichtig, einige Fachbegriffe zu kennen.

Filament Damit wird der „Kunststoffdraht“ zur Verarbeitung bezeichnet. Hierfür können unterschiedliche Materialien verwendet werden.
Extruder Bezeichnet den Druckkopf, der das Verarbeitungsmaterial erwärmt und verarbeitet. Es gibt auch Extruder, die zwei oder mehr Farben verarbeiten können.
Heizbett Viele Druckflächen lassen sich erhitzen, was das Druckobjekt gleichmäßig warm hält und ein Verziehen durch ungleichmäßiges Abkühlen verhindert.
Slicen oder Slicer Slicen bedeutet „in Scheiben schneiden“. Genau das macht das Programm „Slicer“, welches ein 3D-Objekt in Schichten zerlegt, um diese drucken zu können.
Stütz- oder Support-Material Ein 3D-Drucker baut das Objekt von unten nach oben auf und kann nicht in die Luft drucken. Ein V könnte somit gedruckt werden, der Querstrich beim H jedoch nicht. Daher wird dünn Stützmaterial aufgebaut, welches den Querstrich beim Drucken stabilisiert und hinterher entfernt werden kann.
Cura, Slic3r, Simplify3D…. G-Code Generatoren slicen – schneiden das 3D-Objekt in Scheiben und erstellen Schicht für Schicht das Programm, nach dem der Drucker arbeitet.
Hot End Der Druckkopf (Extruder) muss das Filament erhitzen, was an der Druckspitze, dem sogenannten Hot End, geschieht.
Warp Effekt Zieht der Extruder bzw. Hot End beim Abheben Fäden durch falsche Temperatureinstellungen, bezeichnet man das als Warp Effekt.
Fused Deposition Modeling (FDM) FDM bezeichnet das Düsenschmelzverfahren, mit dem der Drucker das Filament aufträgt.
Layer Ein 3D-Drucker erstellt das gewünschte Modell in mehreren Schichten, diese nennen sich Layer.

3. Vorbereitungen für den ersten Druck

3.1. Vor dem Druck wird ein 3D-Modell benötigt

Nachdem man weiß, wie ein 3D-Drucker funktioniert, geht es an die Vorbereitung für den ersten Druck, wofür ein 3D-Modell benötigt wird. Erste Versuche lassen sich leicht im Internet laden und ausprobieren.

Wer jedoch auch eigene Werkstücke drucken möchte, steht schnell vor der Frage: Wie erstelle ich ein 3D-Modell?

Mit SketchUp erstelltes Modell
Mit SketchUp erstelltes Modell

Hierfür bietet das Internet viele Möglichkeiten und kostenlose Programme, die für erste und auch komplizierte Anwendungen absolut ausreichend sind. Bekannt ist SketchUp, mit dem sich recht einfach Modelle erstellen lassen.

Der Vorteil von SketchUp liegt in der intuitiven Bedienung, sodass schnell Modelle entstehen. Wer gut mit Grafikprogrammen zurecht kommt, kann auch SketchUp nutzen.

Mit der Einarbeit wird jedoch auch ersichtlich, dass SketchUp weit mehr bietet, als die anfänglich sichtbaren Funktionen. Beim tieferen Einstieg in die Materie hilft die große Verbreitung der 3D-Software. In vielen Tutorials und Videos werden die Funktionen und Möglichkeiten von SketchUp vorgestellt und erklärt.

Beim Öffnen von SketchUp zeigt sich wieder das eingangs erwähnte dreidimensionale Koordinatensystem, mit dem CNC-Maschinen arbeiten. Begonnen wird mit einer Grundfläche, die sich bereits mit zwei Klicks in die Höhe ziehen lässt und einen Körper formt.

Weitere Funktionen ermöglichen das Bilden von Absätzen, Bohrungen und Durchbrüchen. Je komplizierter das Teil wird, desto mehr Einarbeitung wird jedoch benötigt.

Schnell ist das erste Modell erstellt, welches nur noch das richtige Dateiformat benötigt, um von der Drucksoftware verarbeitet werden zu können. Geläufig sind STL und OBJ, ständig werden jedoch neue entwickelt.

Speziell SketchUp bietet für den Export (und viele andere Funktionen) Plugins an, die sich über „Fenster / Extension Warehouse“ installieren lassen. Mit dem Plugin „SketchUp STL“ ist die Software sofort in der Lage, erstellte Projekte im STL-Format zu speichern.

Schauen Sie in unseren Beitrag: 3D-Drucker: Vorlagen, Ideen und Anleitungen.

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3.2. Slicen, um ein Druckprogramm zu erstellen

Da ein 3D-Drucker Volumenkörper erstellt, müssen diese Schicht für Schicht von unten aufgebaut werden. Frei in der Luft hängende Elemente sind nicht möglich, da der verflüssigte Kunststoff einfach nach unten fallen würde.

Slicer berechnen die Verfahrwege und erstellen das Programm
Slicer berechnen die Verfahrwege und erstellen das Programm

Der Druck eines Körpers erfolgt daher direkt auf dem Arbeitstisch und baut sich nach oben auf. Damit der Drucker die einzelnen Schichten (Layer) aufbauen kann, muss das 3D-Modell „in Scheiben geschnitten“ und in ein druckbares Programm umgewandelt werden.

Dies geschieht durch eine Software namens „Slicer“, die zumeist im Druckprogramm bzw. der Druckeransteuerung enthalten ist.

Es gibt natürlich auch 3D-Programme, die integrierte Slice-Funktionen besitzen, Druckersteuerungen, die ein extra Slicer benötigen oder Druckprogramme, die sämtliche Funktionen vereinen. Dies muss individuell betrachtet werden, der Ablauf bleibt jedoch gleich: 3D-Modell erstellen – eventuell Format umwandeln– slicen – drucken.

Der Slicer erfüllt zusätzlich eine besondere Funktion, die den Körper sinnvoll aufbaut. Ohne diese Funktion würde ein Körper komplett mit Material gefüllt werden, was viel Filament verbraucht und der Stabilität nur bedingt dienlich ist.

Ein mit Waben gefüllter Körper verbraucht nur die Hälfte an Material, wiegt weniger und steht in der Stabilität einem Vollkörper kaum nach. Es ist daher zweckmäßig, bei Körpern nur die Außenflächen massiv zu gestalten und den Innenraum mit Profilformen zu füllen.

Wie die Profile aussehen und in welcher Stärke sie ausgeführt werden, lässt sich zumeist in den Einstellungen angeben. Als sehr stabil haben sich Waben mit einer Füllung von 30 bis 40 % des Vollmaterials erwiesen.

4. Wichtiges zum Druckvorgang

4.1. Die exakte Höhe des Druckkopfes ist wichtig

Bevor mit dem Druck begonnen werden kann, muss sich der 3D-Drucker im korrekten Zustand befinden. Hierzu zählen in erster Linie die Referenzmaße. Beim Startvorgang werden diese mittels Endschalter angefahren und damit der Nullpunkt des Druckers bestimmt.

So lange der Extruder nicht gewaltsam oder durch einen Fehler manuell bewegt wurde, bleiben die angefahrenen Maße erhalten und der Drucker einsatzbereit. Sind Maße verstellt, hilft das Anfahren des Referenzpunktes, um den Drucker neu zu positionieren. Dieses geschieht durch einen Neustart des Druckers oder die Anwahl der Home-Position.

Kontrolle der Nullstellung mit Papier
Kontrolle der Nullstellung mit Papier

Zusätzlich kann es nötig sein, die Höhe des Druckkopfes auszurichten. Wird in der Z-Achse (Höhe) der Punkt Null angefahren, muss sich die Druckspitze exakt bis maximal 0,1 mm über dem Druckbett befinden.

Prüfen lässt sich das, wenn der Extruder in jede Ecke der Druckfläche gefahren wird und sich zwischen Druckspitze und Druckplatte maximal ein Blatt Papier schieben lässt.

Papier besitzt eine Stärke von 0,1 mm, daher kann es nötig sein die Extruder-Position um 0,1 mm zu erhöhen.

Eine falsche Einstellung der Höhe kann dazu führen, dass die erste Lage des Filaments nicht auf der Druckplatte kleben bleibt (Nullpunkt zu hoch) oder beim Druck zu sehr verformt wird. Die zu niedrige Einstellung ist am Druckobjekt durch eine breit auslaufende Körperkante zu erkennen.

Hilfreich ist aber ebenso eine Begutachtung der ersten Drucklage. Deutlich zu erkennende einzelne und nicht verschmolzene Drähte weisen auf eine zu hohe Einstellung hin.

Wird das aufgetragene Filament jedoch durch eine zu niedrige Einstellung zu sehr gedrückt, baut sich zwischen den einzelnen Bahnen Grat auf. Eine Nachjustierung ist notwendig.

4.2. Die Layerhöhe entscheidet über die Druckqualität

Layerhöhe 0,2 mm
Layerhöhe 0,2 mm
Layerhöhe 0,3 mm
Layerhöhe 0,3 mm
Layerhöhe 0,4 mm
Layerhöhe 0,4 mm

Jedes Druckelement besteht aus mehreren Schichten – den Layern. Hohe Layer bedeuten eine deutliche Erkennbarkeit der Schichten an den Außenfläche, minimieren jedoch die Druckzeit.

Eine geringe Layerhöhe verkleinert die sichtbaren Rillen, zieht aber eine proportional höhere Druckzeit nach sich.

Gebräuchlich sind Druckdüsen mit einem Durchmesser von 0,4 mm, woraus sich eine maximale Layerhöhe von 0,4 mm ergibt. Das bedeutet, dass am Druckobjekt deutliche Rillen in einer Höhe von 0,4 mm abzeichnen.

Eine Layerhöhe von 0,2 mm erreicht bessere Ergebnisse, benötigt aber die doppelte Druckzeit. Es muss also ein Kompromiss zwischen Druckzeit und gewünschter Oberflächenqualität eingegangen werden.

Mit einer Änderung der Layerhöhe verändern sich auch die Verfahrwege im Programm, sodass die Einstellung im Slicer verändert werden muss. Der Slicer erstellt danach das passende Programm und passt die geänderten Durchflussmengen am Extruder an.

4.3. Wandstärken und Füllungen bestimmen die Stabilität und Druckzeit

Ein Modell komplett mit Filament auszufüllen, würde viel Druckmaterial und Zeit verbrauchen, ist der Stabilität aber nur bedingt dienlich. Sinnvoll ist eine sparsamere Füllung (Infill) in Linien-, Viereck- oder Wabenform.

Diese erreicht eine vergleichbare Stabilität, verbraucht jedoch nur ein Bruchteil an Filament und benötigt deutlich weniger Druckzeit. Wie dicht die innere Füllung gedruckt wird, lässt sich im Slicer unter dem Punkt „Füllung“ oder „Fill density“ in Prozent angeben. 30 % ergeben eine gute Kombination zwischen Stabilität, Materialverbrauch und Druckzeit.

Da ein Druckmodell nicht nur aus einer 30 %igen Füllung bestehen kann, benötigt es eine durchgängige Außenhülle. Diese besteht aus der untersten Schicht (first Layer), den Außenlinien (Perimeters) und der obersten Deckschicht.

Die Ober- und Unterseite werden als „solid Layers“ bezeichnet und sollten etwa eine Höhe von 1 mm besitzen. Beträgt die Layerhöhe 0,2 mm, sollten demnach fünf solid Layers eingestellt werden.

Besteht die Möglichkeit, die untere und obere Deckschicht (top und bottom) separat einzustellen, kann die untere Layerhöhe auch geringer ausfallen. Wird das Objekt in seiner späteren Position gedruckt, bleibt die Unterseite also nicht sichtbar, reichen sogar eins bis zwei „bottom solid layers“.

Die Außenhülle sollte etwas stabiler sein und aus 2 bis 4 Bahnen bestehen. Größere Objekte benötigen mehr Perimeters als kleine Objekte mit vielen Konturen. Zu viele Perimeters können jedoch die Druckzeit stark ändern, da diese langsamer als die Füllung gedruckt werden.

4.4. Auswahl des Filaments und Einstellung der richtigen Drucktemperatur

Die erste Entscheidung über ein gutes Druckergebnis fällt mit dem richtigen Filament. Unterschiedliche Zusammensetzungen erreichen verschiedene Eigenschaften, die für das Projekt entscheidend sein können.

Ist das richtige Filament gefunden, müssen einige Druckeinstellungen angepasst werden (s. Tabelle unten). Nicht jedes Filament schmilzt bei derselben Temperatur oder besitzt dieselben Fließeigenschaften.

Daher sind zum Filament passende Temperatur- und Vorschubeinstellungen wichtig. Diese betreffen die Temperatur am Hot End, die Temperatur des Drucktisches und den gewählten maximalen Vorschub.

5. Filamente für den 3D-Druck

Filamente für den 3D-Druck
Filamente für den 3D-Druck

Der vom 3D-Drucker verarbeitete Kunststoff wird Filament genannt und kann in zwei unterschiedlichen Formen genutzt werden. Häufige Verwendung finden Spulen, auf denen das Verbrauchsmaterial als dünner Draht aufgewickelt ist.

Es gibt jedoch auch Drucker, die mit Sticks – ähnlich der Heißklebepistole – arbeiten. Diese Variante findet jedoch seltener Anwendung.

Filamente gibt es mit vielen unterschiedlichen Eigenschaften von weich bis hart, fluoreszierend, mit Farbwechsel und sogar auf Holzbasis. Mit unterschiedlichen Eigenschaften ändert sich häufig jedoch auch der Preis, sodass zum Üben das günstige PLA verwendet werden sollte.

Zudem benötigt es etwas Zeit, bis alle Werte des Druckers und der Software richtig eingestellt sind. Erst dann sollte man sich an teures und sicher interessantes Filament wagen.

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5.1. Verarbeitung von Filament

Filament auf Spulen unterscheidet sich im Durchmesser des Drahtes sowie im Material. Der Durchmesser bildet hierbei bereits ein wichtiges Qualitätsmerkmal.

Da der Drucker weder die Durchflussmenge des Filaments, noch die gedruckte Masse messen kann, muss die zugeführte Menge und damit der Durchmesser des Filaments genau stimmen.

Die Zuführung erfolgt zumeist durch ein Zahnrad, welches auf das Filament drückt und mit der Umdrehung in den Hot End drückt. Dort wird das Filament erhitzt und durch eine weitere Nachführung in die Druckdüse gepresst.

Die Nachführung entscheidet somit darüber, wie viel Filament aus der Düse tritt. Schwankt der Durchmesser des Filaments, ändert sich auch das Volumen der Zuführung und damit die Menge des ausgedruckten Materials. Entscheidend für ein gutes Druckergebnis ist somit der gleichbleibende Durchmesser des Filaments.

Filament ist in unterschiedlichen Durchmessern erhältlich – gängig sind die Größen 1,75 mm und 3 mm. Welches Format genutzt wird, spielt prinzipiell keine Rolle, da der Düsendurchmesser über die aufgetragene Menge und somit über das Druckergebnis entscheidet.

Je dünner das Filament jedoch ist, um so einfacher und genauer lässt es sich dosieren. Mit einem Zentimeter Filament der Stärke 1,75 mm werden etwa 24 mm³ verarbeitet, bei einem 3 mm Filament bereits fast 70 mm³. Kleinste Schwankungen beim Vorschub des Filaments wirken sich demnach bei einem größeren Durchmesser deutlicher aus.

5.2. Filamentmaterialien für unterschiedliche Eigenschaften

Rein theoretisch lassen sich in einem 3D-Drucker alle Materialien verarbeiten, die sich bei Erwärmung verflüssigen und anschließend wieder in den Urzustand übergehen. Mit entsprechender Technik würde das sogar mit Glas, Metall und Keramik funktionieren.

Die private Verwendung beschränkt sich jedoch auf einfacher zu bearbeitende Materialien.

Material Beschreibung
ABS ABS – Acrylnitril-Butadien-Styrol ist ein rein synthetischer Stoff, etwas schwerer zu verarbeiten als PLA, aufgrund seiner besseren Eigenschaften jedoch ein sehr beliebtes Filament.

ABS ist hitzebeständiger, gibt bei der Verarbeitung jedoch einen unangenehmen Geruch ab, sodass stets für eine ausreichende Lüftung gesorgt werden muss.

Die Verarbeitungstemperatur liegt bei 215 °C bis 250 °C und ein beheizbares Bett von 100 °C sollte zur Verfügung stehen.

BendLay Bendlay ist ein relativ weiches und flexibles Filament und weist dabei jedoch noch genügend Stabilität auf, um daraus Becher oder Vasen zu gestalten.

Interessant ist die klare und leicht silbrig glänzende Optik, die dem Polycarbonat sehr ähnlich ist. Es ist biegsam, widerstandsfähig und sogar lebensmittelecht.

Die Druckeigenschaften sind denen von ABS sehr ähnlich.

Laybrick Ist ein sehr natürlicher Ausdruck als Architektur-Modell gewünscht, kommt Laybrick zum Einsatz. Der sandfarbende Druck lässt sich anschließend bemalen, mechanisch durch Schleifvorgänge bearbeiten und ist bis etwa 70 °C temperaturfest.

Praktisch im Modellbau ist die Möglichkeit mit einer unterschiedlichen Temperatur die Oberflächenbeschaffenheit zu ändern. Zwischen 165 °C und 190 °C ist diese sehr glatt und wird mit zunehmender Temperatur ab 200 °C rau.

Bei höheren Temperatur sollte mit einem Lüfter gearbeitet und das fertige Modell in der Abkühlzeit nicht berührt oder bewegt werden. Aufgrund der langsamen Verfestigung entsteht beim Druck kein Warp-Effekt (Verziehen des Druckmodells).

Laywood Holz drucken? Ja, das funktioniert mit Laywood. Dieses Filament besteht aus recycelten Holzfasern und einem Bindemittel als Trägermaterial.

Das fertige Modell lässt sich – wie Holz – mit einer Säge oder Feile bearbeiten und auch schleifen. Der Clou ist die Möglichkeit, mittels unterschiedlicher Temperatur die Farbe zu ändern.

In dem Bereich von etwa 175 °C bis 250 °C kann Laywood von hell bis dunkel gedruckt werden, sodass sich eine echte Holzmaserung imitieren lässt.

PA PA – Polyamide sind synthetische Kunststoffe mit besonderen Eigenschaften, die sich vor allem in ihrer Festigkeit und Zähigkeit auszeichnen.

Durch verschiedene Zusätze können die Materialeigenschaften geändert und besonderen Ansprüchen angepasst werden.

Die Verarbeitungstemperatur liegt bei etwa 240 °C.

PC PC steht für Polycarbonat und kennzeichnet ein sehr hartes, bis zu 100 °C hitzebeständiges, aber auch optisch klares Filament, welches sich sehr gut spanend weiterverarbeiten lässt.

Die relativ hohe Hitzebeständigkeit erfordert allerdings einen höheren Schmelzpunkt und damit eine Extruder-Temperatur von bis zu 350 °C.

Auch das Druckbett sollte mit bis zu 130 °C gut vorgeheizt werden, da die sehr hohe Drucktemperatur den Warp-Effekt kaum vermeiden lässt.

PC-Filament erfordert gute Erfahrungen im Umgang mit dem 3D-Drucker und ist nicht für Anfänger geeignet.

PLA PLA – Polylactide sind das am häufigsten verwendete Filament zum 3D-Druck. Sie sind bei der Erhitzung relativ geruchsneutral, recyclebar und leicht zu verarbeiten.

Verschiedene Zusammensetzungen ermöglichen variierende Eigenschaften und endlos viele Farben.

Die Verarbeitungstemperatur liegt bei 170 °C – 200 °C und eine Vorheizung des Druckbettes bis zu 60 °C ist sinnvoll.

PVA PVA Polyvinylalkohol ist nicht als übliches Filament zu sehen. Da es wasserlöslich ist, wird es hauptsächlich als Stützmaterial eingesetzt, um den Druck starker Überhänge zu ermöglichen.

Hierfür wird PVA in gewünschte Hohlräume oder unter Überstände gedruckt und bietet weiteren Schichten aus dem gewünschten Filament einen sicheren Halt.

Nötig ist hierfür jedoch ein Dual-Extruder, der in der Lage ist, zwischen dem Filament PVA und einem anderen zu wechseln.

Das fertige Druckobjekt braucht anschließend nur in kaltes Wasser gelegt werden, in dem sich das PVA-Filament vollständig auflöst.

5.3. Verarbeitungstemperaturen verschiedener Filamente

Verarbeitungsmaterial Filament Verarbeitungstemperatur Hot End Druckgeschwindigkeit Temperatur beheizbares Bett
ABS 215 – 250 °C 40 – 80mm/s 100 – 125 °C
BendLay 215 – 240 °C 40 – 80mm/s 90 – 115 °C
LAYBRICK 170 – 200 °C 30 – 50mm/s 0 – 70 °C
LAYWOOD 170 – 200 °C 40 – 80mm/s 0 – 0 °C
PA 220 – 250 °C 20 – 40mm/s 0 – 80 °C
PC 215 – 350 °C 20 – 30mm/s 130 °C
PLA 170 – 200 °C 20 – 40mm/s 0 – 60 °C
PVA 190 – 210 °C 20 – 40mm/s 0 – 60 °C

6. Galvanisieren von 3D Druck-Modellen

6.1. Vorwort zum Galvanisieren von 3D-Druck-Modellen

galvanisieren-teaser

So könnte ein mögliches Motiv aussehen.

Vor langer langer Zeit habe ich einen 3D-Drucker Bausatz getestet und vorgestellt. Das war mein Einstieg in den 3D-Druck.

Seit dem ist viel durch die Druckdüse gelaufen und so manches Projekt entstanden. Etliche dienten dazu meinen Drucker zu verbessern und zu optimieren. Auf dem Bild sind alle neuen Teile in grün zu erkennen.

Gezwungener Maßen und auch aus Interesse habe ich mich nebenbei auch mit der 3D-Zeichnung beschäftigt, sodass viele Projekte nicht nur selbst gedruckt, sondern auch selbst geplant, entworfen und gezeichnet wurden. Kurz, es macht tierischen Spaß.

Bisher waren es allerdings hauptsächlich praktische Dinge und die Farbe war größtenteils egal. Interessant werden langsam aber auch Dekostücke und persönliche Geschenke.

Die zu beschichten oder gar zu vergolden hat schon seinen Reiz. Neben dem 3D-Druck ein interessantes Hobby.

Noch interessanter wird aber sicher die Kombination aus beidem. Das möchte ich nun probieren.

6.2. Kunststoff galvanisieren

galvanisieren-drucker

Der 3D-Drucker Anet A8.

Um es einfach auszudrücken – galvanisieren hat was mit Strom zu tun, bei dem Metallionen aus einer Flüssigkeit oder einem “Opfermetall” auf ein anderes Stück übertragen werden.

Bekanntlich leitet Kunststoff aber keinen Strom und so kann das rein theoretisch auch nicht funktionieren.

Genau das macht die Sache ja so spannend und interessant.

galvanisieren-chemie

3D-Druck verkupfern, vernickeln und vergolden.

Gemeinsam mit Tifoo, die sich bereits ausgiebig mit dem Galvanisieren von Kunststoff beschäftigt haben, möchte ich jetzt ebenfalls das Thema angehen und die Ausdrucke meines 3D-Druckers beschichten.

Hierfür habe ich ein umfangreiches Set, mit dem ich verkupfern, vernickeln und sogar vergolden kann.

Oder zumindest können sollte. Ich gehe davon aus, dass schon etwas Übung nötig sein wird, bis ich perfekte Ergebnisse in der Hand halte.

6.3 Vorbereitung zum Galvanisieren von Kunststoff

Wie eingangs beschrieben, ist es beim Galvanisieren nötig, dass die Oberfläche des beschichtenden Gegenstandes elektrischen Strom leitet. Das ist bei dem Ausdruck aus einem 3D-Drucker nicht der Fall.

Das gewünschte Objekt (MakerBot Gnome von thingiverse.com) muss also entsprechend vorbereitet werden. Hierzu nutze ich aus dem Set zum Galvanisieren das Silberleitlack-Spray. Dieses wird wie übliches Lackspray verwendet, beinhaltet jedoch hochleifähiges Silber und schafft somit eine elektrisch leitende Oberfläche.

Zusätzlich brauchen wir noch eine leitende Aufhängung für unseren kleinen Zwerg und muss dieser gründlich entfettet werden. Hierfür habe ich ganz normalen Entfetter (Silikonentferner) verwendet, ihn aber auch schnell wieder abgewaschen.

Ich bin mir nicht ganz sicher, ob das PLA davon angegriffen wird.

galvanisieren-kunststoff

Frisch aus dem 3D-Drucker.

galvanisieren-kunststoff-vorbereitung

Ein Haken zum Aufhängen rein und entfetten.

Dann kann es auch schon losgehen und der Zwerg bekommt etwas Farbe. Nicht zu viel auf einmal, sonst gibt es Nasen, aber auch nicht zu wenig, damit die gesamte Oberfläche leitfähig wird.

Anschließend wird er zum Trocknen aufgehangen. Da ich eh häufig lackiere, hängen hier bereits einige gebogene Schweißdrähte in unterschiedlichen Größen.

Eine gleichmäßige Schicht Silberleitlack auftragen

Eine gleichmäßige Schicht Silberleitlack auftragen.

Anschließend darf er 30 min abhängen

Anschließend darf er 30 min abhängen.

6.4. Kunststoff mit Kupfer galvanisieren (verkupfern)

Nach der Trocknungszeit geht es endlich los und ich werde das erste Mal selber galvanisieren.

Im Galvanisierungs-Set war ein größeres und ein kleineres Becken zur Badgalvanik enthalten.

Wie es sich für einen Zwerg gehört, reichte ihm das kleinere und ich habe alles nach Anleitung (neben einer PDF gibt es etliche Videos bei Tifoo) aufgebaut und das Galvanikbad unter Spannung gesetzt.

galvanisieren-kunststoff-absetzen

Galvanikbad unter Spannung.

galvanisieren-kunststoff-abwarten

Jetzt heißt es abwarten.

Bereits nach kurzer Zeit ist zu sehen, wie sich das Kupfer auf dem kleinen Zwerg absetzt. In der Anleitung zum Galvanisieren hatte ich aber auch gelesen, dass die kleinen Kupferpartikel ziemlich geradlinig zwischen den angeschlossenen Polen, also Kupferplatte und Zwerg, wandern.

Bei der ersten Begutachtung wird das deutlich erkennbar. Die Front des Zwerges und hervorstehende Formen haben eine gute Kupferschicht erhalten – weiter innen liegende Stellen und die Rückseite zeigen noch den Silberleitlack.

Hier wird bereits deutlich, dass es gar nicht so einfach ist, komplizierte Formen zu verkupfern.

galvanisieren-verkupfern

Ungleichmäßige Beschichtung vorne.

galvanisieren-verkupfern-beschichtung

Geringe Beschichtung hinten.

Laut Anleitung sollte man möglichst zwei gegenüberliegende Kupferplatten im Galvanikbad nutzen, um einen gleichmäßigeren Auftrag zu erhalten. Das kann ich nun bestätigen und habe den Zwerg daher wieder baden geschickt und in regelmäßigen Abständen gedreht.

Wenn ich mich weiter dem Hobby hingebe, werde ich darüber nachdenken, mir einen Motor für Spiegelkugeln zuzulegen. Damit sollten sich perfekte Ergebnisse erzielen lassen.

6.5. Wie beim Sonnenbad: Wenden verbessert das Ergebnis!

Aber auch schon durch mein Drehen ist das Ergebnis recht gut geworden, wie das erste Bild zeigt. Vom Glanz des Glanzkupferelektrolyts sah man allerdings nicht so viel.

Ich habe dann ein sehr feines Schleifpad genommen und mal leicht an der Zipfelmütze gerubbelt. Tatsächlich wurde es glänzender.

Durch die feinen Rillen der Layer (Schichten beim 3D-Druck) wird es allerdings kaum möglich sein, eine gleichmäßig glänzende Schicht zu erreichen. Hierfür ist die Oberfläche einfach zu uneben.

Vielleicht brauche ich aber einfach nur mehr Übung.

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Durch drehen wird die Kupferschicht gleichmäßig.

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Mit etwas rubbeln wird es glänzend.

Kurze Info:

Eventuell sollte ich erwähnen, dass sich der Beitrag bereits seit einem Monat zieht. Das liegt einfach daran, dass ich natürlich auch andere Verpflichtungen habe und mich auch erst in das Thema einarbeiten muss. Das hat aber auch den Vorteil, dass ich lerne, wie die nächsten Bilder zeigen.

6.6. Nach einigen Versuchen werden die Ergebnisse besser

Inzwischen habe ich einiges probiert und gelesen. Kompliziert empfand ich dabei die Bestimmung der Stromstärke in Abhängigkeit der Oberfläche des Objektes. Vorgabe beim Glanzverkupfern ist beispielsweise eine Spannung von 0,8 bis 1,5 V und eine Stromstärke von 50 mA je cm².

Ich habe danach eine Spannung von 1,2 V eingestellt, das Objekt ins Bad getaucht und anschließend eine offensichtlich zu niedrige Stromstärke gewählt. Diese Erkenntnis kam bei einem Druck mit einem neuen 3D-Drucker für einen Testbericht (bald online).

Um ihn zu prüfen habe ich den Würfel zur Achsen-Kontrolle gedruckt. Da er exakt 2 x 2 x 2 cm sein sollte, kann die Oberfläche leicht berechnet werden. 2 x 2 cm x 6 Seiten macht 24 cm².

Die Daten habe ich in den Bedarfsrechner von TIFOO eingegeben und mir wurden 1200 mA angezeigt. Eingestellt, ausprobiert und tada: Das Ergebnis war schon ein ganz anderes.

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Das nächste Versuchsobjekt.

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So sieht das Ergebnis aus.

Noch nicht ganz perfekt, da nur die mittleren Bereiche einen Glanz aufwiesen, aber ok, das sieht schon anders aus. Jetzt konnte ich zumindest erkennen, dass doch eine deutlich höhere Stromstärke als gedacht benötigt wird.

Das Abschätzen der Fläche von unförmigen Teilen wird dadurch aber auch nicht einfacher. Dann habe ich etwas gefunden, was meine Ergebnisse deutlich verändern sollte – In der Anleitung zum Netzteil steht:

Drehen Sie dazu nun den Stromregler (Ampere, „A“) auf Maximum. Es wird noch kein Strom fließen. Drehen Sie dann ganz langsam den Spannungsregler (Volt, „V“) auf. Mit steigender Spannung steigt auch der Strom an.

Das heißt, ich brauche die Stromstärke gar nicht berechnen. Stromstärke voll auf, anschließend die gewünschte Spannung einstellen und die Stromstärke regelt sich automatisch.

Das ergab völlig neue Möglichkeiten, aber auch Grenzen durch eine beschränkte Leistung des Netzteils. Das nächste Objekt begeisterte mich total, scheint aber auch das Limit zu sein.

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Das ist Glanz-Verkupfern!

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Fotos geben es leider nicht ganz so gut wieder.

Nach der genannten Methode der Spannungsanzeige ging der Stromstärkenzeiger direkt an den Anschlag. Ich denke, mit etwas mehr Leistung wäre der Glanz noch besser, aber auch so sieht es wirklich klasse aus.

Meine Mädels rissen mir das Einhorn sofort aus den Händen. Der Drucker läuft schon – habe ja zwei Töchter. 🙂

6.7. Vernickeln und vergolden von 3D-Druck Modellen

Die anschließenden Versuche den Würfel zu vernickeln und zu vergolden funktionierten zwar, das Ergebnis war aber nicht so berauschend. Das lag allerdings an der nicht so erfolgreichen Vorarbeit.

Nickel und Gold glänzten nur da, wo auch vorher die Kupferschicht glänzte. Ist die Oberfläche nicht perfekt, darf man auch bei weiteren Beschichtungen keine Wunder erwarten.

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3D-Druck im Goldbad.

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Vergoldeter 3D-Druck.

Aber jetzt: Ich verbringe ja viel Zeit mit meinem Schwiegervater (Lackierer) in der Werkstatt und er lässt sich auch für solche Sachen begeistern. Zumindest “mal so aus Spaß”.

Er brachte mir jedenfalls einen Schlüsselanhänger als Lackierpistole, die er irgendwann mal als Auszeichnung bekommen hat. Aus dem Edelstahl sollte Gold werden. Klar, mache ich doch.

Edelstahl zu galvanisieren geht jedoch nicht so einfach. Wenn ich das richtig verstanden habe, bildet Edelstahl eine “Schutzschicht”, die das Rosten aber eben auch das Galvanisieren verhindert.

Daher muss Edelstahl mit dem Galvano-Aktivator (Säure) vorbehandelt und anschließend eine Sperrschicht (Nickel) aufgebracht werden. Dank meiner bisher gesammelten Erfahrungen, kann das Ergebnis absolut begeistern.

Je besser die Ergebnisse werden, desto mehr Spaß macht das Galvanisieren.

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Vernickelter Anhänger aus Edelstahl.

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Vergoldeter Anhänger aus Edelstahl.

6.8. Fazit zum Kunststoff Galvanisieren

Kunststoffe oder eben 3D-Druck Modelle selbst zu verkupfern, vernickeln oder zu vergolden, ist kein Wunderwerk. Es ist aber ebenso kein Kinderspiel.

Vielleicht vergleichbar mit dem 3D-Druck selbst. Zwar kann man schnell erste Ergebnisse sehen, wirklich gut wird es aber erst mit der Zeit und etwas Übung.

Leider musste ich aber auch feststellen, dass das Netzteil eine entscheidende Rolle spielt. Hier sollte man nicht zu sparsam sein und lieber in ein etwas kräftigeres investieren: Mit maximal 2 Ampere darf das zu galvanisierende Werkstück nicht zu groß sein.

Bildnachweise: © Riccardo Düring - heimwerker.de, Adobe Stock/Patrick Daxenbichler, '3D-Druck – Von SketchUp zum 3D-Modell': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Beispiel eines ': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Deutlich sind die Verfahrwege des Druckers zu erkennen': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Schrittmotor zum Steuern der Achsbewegung': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Trapezspindel und Spindelmutter': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Bewegungsübertagung mittels Zahnriemen': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Mit SketchUp erstelltes Modell': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Ein Slicer berechnet die Verfahrwege und erstellt das Programm': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Kontrolle der Nullstellung mit Papier': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Filamente für den 3D-Druck': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Layerhöhe 0,2 mm': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Layerhöhe 0,3 mm': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Layerhöhe 0,4 mm': Riccardo Düring - heimwerker.de, '3D-Druck – Von SketchUp zum 3D-Modell': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Beispiel eines ': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Deutlich sind die Verfahrwege des Druckers zu erkennen': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Schrittmotor zum Steuern der Achsbewegung': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Trapezspindel und Spindelmutter': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Bewegungsübertagung mittels Zahnriemen': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Mit SketchUp erstelltes Modell': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Ein Slicer berechnet die Verfahrwege und erstellt das Programm': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Kontrolle der Nullstellung mit Papier': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Filamente für den 3D-Druck': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Layerhöhe 0,2 mm': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Layerhöhe 0,3 mm': Riccardo Düring - heimwerker.de, 'Layerhöhe 0,4 mm': Riccardo Düring - heimwerker.de (chronologisch bzw. nach der Reihenfolge der im Kaufratgeber verwendeten Bilder sortiert)