Grundlagen für den 3D-Druck

  • Der 3D-Druck erfährt immer größere Beliebtheit. Sei es eine Neukonstruktion, der Nachbau von Ersatzteilen, Modellbau oder Ähnlichem. Die Möglichkeiten sind fast unbegrenzt.


    Mittlerweile sind schon recht günstige Modelle auf dem Markt, die den 3D-Druck auch für den Heimgebrauch immer interessanter machen.

    Einsteigermodelle gibt es oft schon für unter 300,00 EUR. Bei Sonderaktionen sinken die Preise bei einigen Herstellern schon unter 200,00 EUR. Nach oben sind natürlich (fast) keine Grenzen gesetzt.


    Für diejenigen, die noch keine oder wenig Erfahrungen mit 3D-Druckern haben, möchten wir hier mal eine kleine Einführung die Materie geben.

    Es sollen die gebräuchlichsten Druckverfahren dargestellt werden, die derzeit am weitesten unter den Heimanwendern verbreitet sind und einen Einblick in die Grundlagen geben.


    Was brauche ich zum Drucken in 3D?


    1. Einen 3D-Drucker, klar.

    2. Eine Software zum Drucken

    3. Eine Software zum Erstellen/Bearbeiten von 3D-Modellen



    1. Der Drucker:


    FDM-Drucker


    Am weitesten verbreitet ist derzeit der FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling). Er funktioniert ähnlich wie eine Heißklebepistole.

    Dabei wird eine aufgewickelte Kunststoffsehne (das Filament) durch eine heiße Düse (der Extruder) getrieben. Das zu druckende Objekt wird Schicht auf Schicht von oben auf eine zumeist beheizte Druckplatte aufgebracht. Diese Schichten nennt man Layer, aus dem Englischen von Schicht/Ebene.

    Die Druckgeschwindigkeit ist dabei so, dass die zuletzt gedruckte Schicht abgekühlt ist, wenn die nächste darauf aufgetragen wird.


    FDM-Drucker arbeiten auf drei Achsen.

    Die X-Achse bewegt sich horizontal von links nach rechts. Die Y-Achse bewegt sich ebenfalls horizontal von vorne nach hinten. Dies wird über die Druckplatte realisiert. Die Z-Achse bewegt sich vertikal von unten nach oben, so dass der Extruder nach jeder gedruckten Schicht etwas nach oben rückt.


    Durch unseren Smiley-Extperten Munin konnten wir Kontakte zu Dr. Druck knüpfen, welcher dieses Prinzip anschaulich verdeutlichen kann:




    Als Materialien können bei FDM-Druckern verschiedene Filamente verdruckt werden, wobei das sogenannte PLA (Polylactic Acid) das am weitersten verbreitete ist.

    Dabei muss beachtet werden, dass nicht jeder Drucker mit jedem Material umgehen kann. Dazu sollte man die Angaben der jeweiligen Hersteller zu Rate ziehen.

    Auch werden die unterschiedlichen Materialien mit abweichenden Einstellungen wie Drucktemperatur, Temperatur der beheizten Druckplatte und Druckgeschwindigkeit gedruckt. Hierzu gibt jeder Hersteller seine eigenen Empfehlungen.


    Die zu druckenden Modelle werden bei FDM-Druckern in der Regel nicht massiv, d.h. zu 100% gefüllt gedruckt, sondern erhalten den meisten Fällen eine feste Außenwand, deren Stärke vorher definiert wird. Darin wird eine Waben- oder Gitterstruktur (das sogenannte Infill) in einem gewissen prozentualen Verhältnis gedruckt.

    Je höher das Verhältnis, desto enger wird die Füllstruktur und desto massiver wird das Modell. Meist liegt das sinnvollste Füllungsverhältnis bei 20-50 Prozent.



    Aufgrund der Funktionsweise von FDM Druckern ist der Betrieb nicht ganz geräuschlos. Insbesondere die ständigen Bewegungen der Druckplatte in der Y-Achse, als auch die des Extruders in der X-Achse sind zumeist deutlich wahrnehmbar.

    Zudem verfügen die Drucker über mehrere Lüfter, welche von Hersteller zu Hersteller unterschiedlich laut wahrnehmbar sind.


    Sehr angenehm, und dem Betrieb in geschlossenen Räumen zuträglich ist die zumeist nicht vorhandene Geruchsentwicklung.

    Wobei es durchaus zu leicht wahrnehmbaren Gerüchen kommen kann, wenn man ABS oder Filamente mit Holzanteilen verdruckt.

    Auch hier bestehen Unterschiede zwischen den einzelnen Herstellern.


    Ein Wehmutstropfen, sind die mitunter langen Druckzeiten bis zur Fertigstellung des Modells. Das ist jedoch keine eigentliche Eigenschaft von FDM-Druckern, sondern gilt allgemein.

    Die Druckzeit richtet sich nach der insgesamten Größe des Modells. Also nach dessen Abmaßen in Länge, Breite und Höhe. Zusätzlich spielen die Fülldichte und die Höhe der Schichten (Layer) eine Rolle. Alleine die Verringerung der Layerhöhe von 0,2 mm auf 0,1 mm bedeutet eine Verdoppelung der Druckzeit, sieht aber auch besser aus.

    Ein kleines Modell von zwei mal zwei Zentimetern kann wenigen Minuten gedruckt sein, wobei ein komplexes Modell, welches den Bauraum mehr ausfüllt 12, 18, 24 Stunden dauern kann.


    Im nächsten Beitrag behandeln wir den SLA-Drucker.

  • SLA-Drucker


    Ein weiteres verbreitetes Druckverfahren für die erschwingliche Heimanwendung ist der SLA-Druck (Stereolithographie).

    Hier wird mittels einer Lichtquelle, zumeist UV-Licht, ein flüssiges Harz (Resin) Schicht für Schicht ausgehärtet. Dabei „hängt“ das Modell an einer Druckplatte, welche sich nach jeder Schicht nach oben bewegt, wobei der Behälter mit dem Harz seine Position nicht verändert.


    Da die Belichtung der einzelnen Schichten über den gesamten Druckbereich erfolgt, arbeiten SLA-Drucker nur über eine Z-Achse, welche die Druckplatte von unten nach oben bewegt.

    Auch hier kann Dr. Druck das Prinzip wieder anschaulich verdeutlichen:



    Als Druckmaterial wird ein flüssiges Harz, das sogenannte „Resin“ verwendet, welches nach dem Belichten mit UV-Licht aushärtet.

    Diese Harze gibt es von unterschiedlichen Herstellern. Die Farbauswahl ist im Gegensatz zu den Filamenten für den FDM-Druck eher bescheiden.

    Schaut man auf die gängigsten Verkaufsplattformen, so findet man vornehmlich schwarz, Grau, weiß, sowie unterschiedliche transparente Farben.

    Sie werden zumeist in Gebinden von 500g oder 1000g angeboten. Die Preise variieren dabei von Hersteller zu Hersteller und sind manchmal nicht ganz nachvollziehbar.


    Auch beim SLA-Druck sind verschiedene Einstellung für das Drucken vorzunehmen.

    Sie werden grundsätzlich im Druckprogramm vorgenommen und umfassen zum Beispiel die Geschwindigkeit für die Z-Achse, Belichtungszeit, Ruhezeiten nach der Belichtung der einzelnen Schichten, Auflösung und die Höhe der einzelnen Schichten.

    Die Einstellungen können je nach verwendetem Harz, sowie vom verwendeten Drucker abweichen, sodass die Herstellerangaben nur eine Referenz für gute Ergebnisse sein können.


    Die zu druckenden Modelle werden im Gegensatz zu FDM-Druckern grundsätzlich massiv, d.h. zu 100% gefüllt gedruckt.

    Ein „Aushöhlen“, was die Kosten für das Harz senkt ist zwar möglich, aber relativ kompliziert zu bewerkstelligen und lohnt sich in der Regel nicht.

    Die Menge des benötigten Harzes entspricht somit in etwa dem Volumen des zu druckenden Modells.


    SLA-Drucker können extrem dünne Schichthöhen drucken, was sehr feine Übergänge zwischen den einzelnen Schichten ermöglicht. Bei einer Schichthöhe von 0,005 mm ist schon fast keine Treppchenbildung mehr erkennbar. Bei einer Schichthöhe von 0,001 mm verschwinden diese gänzlich, erhöht die Druckzeit allerdings auch um 500%.

    Diese feine „Auflösung“ macht einen SLA-Drucker besonders für den Modellbau interessant.

    Da der gesamte Bereich der Druckplatte gleichzeitig belichtet wird, ist die Druckdauer lediglich von der Höhe des Modells abhängig. Die Länge und Breite spielen hier keine Rolle.

    Das bedeutet, dass zum Beispiel ein aufrecht gedruckter Zahnstocher im Druck genauso lange dauert wie eine Kaffeetasse der gleichen Höhe.

    Insgesamt gesehen sind die Druckzeiten auch bei SLA-Druckern sehr hoch und können, je nach Höhe des Modell und der Schichthöhe 8, 12, 18 oder mehr Stunden dauern.


    Da SLA-Drucker nur über eine einzige Achse, der Z-Achse verfügen, sind sie im Betrieb recht geräuscharm. Der Druckraum befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse, sodass die Geräusche der Achsenbewegung und vorhandener Lüfter deutlich gedämpft werden.

    Das Gehäuse ist in der Regel durchsichtig gestaltet, so dass in den Druckraum geschaut werden kann. Die Scheiben verfügen dabei über einen UV-Filter, damit von außen eindingendes Licht keine negativen Einwirkungen auf das Harz und das zu druckende Modell während des Druckes haben können.


    Was diesbezüglich zuerst vorteilhaft wirkt, verfällt aber aufgrund der folgenden Eigenschaften vollends:


    Das Harz entwickelt im flüssigen Zustand starke Gerüche. Die Dämpfe können gesundheitsschädlich sein, wenn keine Sicherheitsvorkehrungen in Form einer Atemschutzmaske getroffen werden.

    Hierbei ist nicht die Rede von einer OP-Maske oder FFP2-Maske, sondern von mindestens einer Halbgesichtsmaske, welche die Atemluft filtert.

    Auch mit der Haut sollte das Harz nicht in Berührung kommen. Deshalb sollen unbedingt Einmalhandschuhe (Latex, Nitril oder Vinyl) getragen werden.



    Die Modelle hängen nach dem Ausdruck an der Druckplatte und sind noch mit nicht ausgehärtetem Harz behaftet. Diese Harzreste müssen entfernt werden.

    Das Reinigen wird durch eine Alkohollösung, zumeist Isopropanol bewirkt.

    Produkte wie Bioethanol oder Spiritus haben ähnliche Eigenschaften und funktionieren ebenfalls. Sie sind zudem zu erschwinglicheren Preisen erhältlich.

    Spätestens, wenn beim Reinigen die Dämpfe des Harzes und die der Alkohollösung zusammenkommen, wird man bemerken, dass man ohne Atemschutzmaske nicht auskommt.


    Im Handel sind verschiedene Modelle von Reinigungsstationen erhältlich. Darin sollen die Modelle automatisch und ohne große Sauerei gereinigt werden können.

    Ob diese zusätzlichen Kosten gerechtfertigt sind. Muss jeder für sich selbst entscheiden.

    Grundsätzlich kann das Reinigen auch in einer genügend großen, dicht verschließbaren Kunststoffbox erfolgen. Dabei sollte ausreichend Alkohollösung in der Box sein. Das Modell wird dann in der Lösung mit einem Pinsel gereinigt.

    Dabei sollten die Handschuhe nicht vergessen werden.

    Die verwendete Alkohollösung muss übrigens nicht gleich entsorgt werden. Sie kann in der Box verbleiben und immer wieder verwendet werden. Haben sich zu viele Harzflocken darin angesammelt, kann man diese herausfiltern.


    Nicht vergessen darf man, die Druckplatte ebenfalls zu reinigen, da diese für das weitere Drucken eine saubere Oberfläche benötigt.


    Nachdem das Modell nun abschließend gereinigt und trocken ist, empfiehlt sich das endgültige Aushärten mittels einer UV-Lampe. Vorzugsweise steht das Modell dabei auf einem Drehteller und wird einige Minuten von allen Seiten mit dem UV-Licht bestrahlt.

    Im Handel gibt es dazu unterschiedliche UV-Lampen von verschiedenen Herstellern.

    Auch hier sollte man beachten, dass die Leistungen der Lampen mitunter nicht gerade gering, und für das Augenlicht nicht gerade gut sind.

    Deshalb wird auch hier eine Schutzbrille empfohlen, die die Wellenlänge des UV-Lichtes herausfiltert.

    In den Sommermonaten mit ausreichend Sonnenschein kann das Aushärten auch durch natürliches Sonnenlicht erfolgen.


    Wie man unschwer erkennen kann, ist der Umgang mit SLA-Druckern wesentlich aufwändiger als mit FDM-Druckern.

    Ganz oben stehen dabei die Sicherheitsmaßnahmen, mit denen nicht unbedenklich umgegangen werden sollte, und die auf jeden Fall eingehalten werden müssen.


    Deshalb soll an dieser Stelle nochmals auf die Sicherheitsmaßnahmen eingegangen werden:


    Man sollte sich immer darüber im Klaren sein, dass es sich sowie bei dem Harz, als auch bei der Alkohollösung um Chemikalien handelt.

    Diese sollten weder eingeatmet werden, noch mit der Haut in Berührung kommen.

    Deshalb sind bei jedem Umgang damit Einmalhandschuhe und Atemschutzmaske zu tragen.

    Während des Druckens und insbesondere bei der anschließenden Reinigung der Modelle entstehen starke Gerüche und Dämpfe, welche auch nach einiger Zeit noch wahrnehmbar sind. Das Drucken sollte deswegen unbedingt in einem separaten und geschlossenen Raum erfolgen. Vom Betrieb in Wohn- und Schlafräumen ist abzuraten.

    Während, aber auf jeden Fall nach dem Drucken und der Reinigung sollte der Raum gut durchgelüftet werden.

    Aufgrund der mitunter hohen Leistung von UV-Lampen sollte auf jeden Fall eine Schutzbrille mit UV-Filter getragen werden, wenn man solche Lampen verwendet.

Jetzt mitmachen!

Sie haben noch kein Benutzerkonto auf unserer Seite? Registrieren Sie sich kostenlos und nehmen Sie an unserer Community teil!