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3D-Druck – Von Sketchup zum 3D-Modell

3D-Druck – Von Sketchup zum 3D-ModellDer 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.

Was kostet der 3D-Drucker?

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.

3D-Drucker nutzen 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.

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.

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.

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.

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.

Wichtiges zum Druckvorgang

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.

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. 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.

Filamente für den 3D-Druck

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Das Verarbeitungsmaterial des 3D-Druckers wird als Filament bezeichnet. Viele unterschiedliche Zusammensetzungen ermöglichen verschiedene Materialeigenschaften und Optiken. Wir erklären, wie die einzelnen Filamente verarbeitet werden. Filamente für den 3D-Druck

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.

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.

 

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