In diesem ersten Beitrag zum 3D Druck möchte ich euch eine kurze Übersicht geben was ein 3D Drucker ist, was er macht, welche Arten es gibt und welchen ich hier in meinem Projekt benutze, sowie kurz das Thema Materialien zum 3D Drucken anschneiden.
Inhalt
Eine kurze Geschichte des 3D-Drucks
3D-Druck bezeichnet alle Verfahren, in denen man Material Schicht für Schicht aufträgt und damit dreidimensionale Strukturen herstellt.
Dies können verschiedenste Materialien sein, wie Kunststoffe, Beton, Metall oder gar Schokolade.
Die ersten Male wurde die Idee des 3D Drucks schon in den 1940er und 1950er Jahren in der Science Fiction aufgegriffen.
Murray Leinster schreibt in einer Kurzgeschichte von Roboterarmen die Gegenstände scannen. Diese haben ein Werkzeug welches Plastik extrudiert, mit welchem sie den Scan dann in der Luft nachzeichnen und somit duplizieren. – Was doch erstaunlich nahe an heutige Technologie kommt.
Erst in den 1980er Jahren wurden aber tatsächlich Patente beantragt und Prototypen der ersten 3D-Drucker gebaut.
Im Jahre 1987 kam das erste kommerzielle 3D Drucker auf den Markt, einen solchen zu besitzen kostete damals bis zu 300,000 $.
Patente und der hohe Preis verhinderten in den Jahren bis 2009 die weite Verbreitung von 3D Druckern, sie wurden Hauptsächlich in der Forschung und für Prototypen in der Industrie verwendet.
In dieser Zeit reifte der Prozess jedoch immer weiter und es wurden weitere Methoden entwickelt, wie man Schicht für Schicht Objekte mit verschiedensten Materialien bauen konnte.
Im Jahr 2009 liefen Patente für den “Fused Deposition Modeling” Prozess, auch FDM genannt, ab.
Mit dem Auslaufen dieser Patente war es nun allen möglich 3D Drucker nach dem FDM-Prinzip zu entwickeln, ohne für die Patente zu zahlen.
Projekte wie RepRap förderten die Verbreitung und Weiterentwicklung dieser Drucker. RepRap war ein Projekt der University of Bath, welches billige 3D-Drucker entwickelte, die den Großteil ihrer eigenen Teile selbst drucken konnten.
Also selbst replizierende Maschinen. Alle Designs für diese Maschinen wurden als “open design” mit einer GNU – General Pubic License veröffentlicht und sind somit für jede:n öffentlich zugänglich.
Dies führte zu einer explosionsartigen Weiterentwicklung, viele Firmen brachten ihre eigenen Modelle auf den Markt und das führte zu einem Preisverfall für 3D Drucker auf 2000 $ im Jahre 2016. Mittlerweile bekommt man für 200-300 € gute Einsteigermodelle.
3D-Drucker für Zuhause
Mittlerweile gibt es viele verschiedene Arten des 3D-Drucks und auch mehr als nur FDM Drucker für den Haushalt.
Die gängigsten 3D-Drucker sind FDM oder FFF Drucker, FDM steht für “fused deposition modeling” und ist ein Markenrechtlich geschützter Begriff, deswegen wird mittlerweile häufiger FFF “fused filament fabrication” dafür verwendet.
Das sind Geräte denen eine “Plastik-Schnur”, auch Filament genannt, zugeführt wird, dieses Filament wird dann in einem Druckkopf geschmolzen und in feinen Schichten auf eine Platte, auch Bett genannt, aufgetragen.
Diese Geräte haben je nach Preisklasse ein geheiztes Bett was die Druckqualität erhöht, können das Bett selbstständig begradigen, mit mehreren Farben gleichzeitig oder abwechselnd drucken und vieles mehr.
Es gibt eine große Anzahl an Herstellern, die Drucker von WIENXTRA sind vom tschechischen Unternehmen Prusa Research.
Wir benutzen das Modell Prusa i3 MK3S+. Der MK3S+ gilt als Arbeitstier, er hat einen sehr robusten Aufbau und arbeitet auf lange Zeit sehr zuverlässig. Für den vergleichsweise niedrigen Preis bietet er Features wie ein geheiztes und selbst begradigendes Bett.
Was Prusa Drucker für uns sonst noch auszeichnet ist, dass sie Open Source sind und eine große Community haben. Dadurch sind sie einfach zu modifizieren, sehr leicht zu warten und die große Community sorgt für Unterstützung weit darüber hinaus was Prusa selbst leisten kann.
Für weitere 3D-Druck verfahren lege ich euch gerne den Wikipedia Artikel dazu nahe, überhaupt SLA und SLS finde ich sehr spannend wobei SLA auch immer mehr Einzug in den Konsumerbereich findet.
Materialien zum 3D-Drucken
Neben der Vielzahl an Herstellern, Modellen und Drucktechniken gibt es auch eine große Anzahl an Materialien mit denen gedruckt werden kann.
Das geht von verschiedensten Polymeren, über Metalllegierungen, bis hin zu Beton und Schokolade.
Oftmals braucht es für jedes Material einen spezialisierten 3D-Drucker, aber speziell bei Polymeren hat man mit einem 3D-Drucker eine Auswahl aus mehreren Stoffen.
Für FFF Verfahren handelt es sich hierbei um thermoplastische Kunststoffe, das sind Kunststoffe, welche durch Erwärmen verformt werden können.
Material zum Drucken mit FFF Geräten nennt man gemein hin Filament (spätlat. filamentum ‘Fadenwerk’), da es in Drahtform auf einer Rolle (Spool) aufgewickelt verkauft wird.
Die drei wichtigsten Filamente hierbei sind PLA, PETG und ABS.
PLA steht für polylactic acid, es handelt sich dabei um einen Kunststoff, der vorwiegend aus pflanzlicher Stärke hergestellt wird und biologisch abbaubar ist.
PLA ist eines der weit verbreitetsten Filamente, da es einfach zu verarbeiten und billig ist.
Nachteile sind, dass es bereits mit 60°C heißem Wasser wieder verformbar wird und auf Dauer durch UV-Strahlung spröde wird.
PETG steht für polyethylene terephthalate glycol-modified und ist ein ähnlicher Kunststoff wie unsere PET-Flaschen.
Es ist auch ein sehr gängiges Filament, das viele Nachteile von PLA ausgleicht. Es ist mechanisch stabiler, kann bei höheren Temperaturen eingesetzt werden und ist UV-stabil.
Dafür ist es jedoch etwas teurer und hat etwas schwierigere Druckeigenschaften.
ABS steht für acrylonitrile butadiene styrene und ist ebenso ein weit verbreitetes Filament. Es ist sehr stoßfest und wie PETG besser temperaturbeständig als PLA.
ABS bietet außerdem die Möglichkeit, dass man seine Oberfläche nach dem Druck mit Aceton glätten kann.
Ein Nachteil ist auch wieder die schwierigeren Druckeigenschaften, ABS ist anfällig für Verformungen beim Abkühlen, weswegen man es mit einem geheizten Bett benutzen sollte.
Neben diesen drei gibt es noch viele andere Materialien wie Nylon, Filament mit Holzoptik, Filamente mit Metallpartikeln, Karbonfaser-verstärkte Filamente, flexible gummiartige Filamente und viele mehr.
Nicht jeder Drucker kann jedoch mit jedem Material arbeiten und auch manche Filamente nutzen den Drucker schneller ab als andere. Für Karbonfaser und metallische Filamente wird zum Beispiel eine Stahldüse empfohlen da die Standard-Bronzedüse sich damit schnell abnutzt.
Filament solltet ihr grundsätzlich Trocken und Lichtgeschützt lagern, erst recht über längere Zeit. Große luftdichte Behälter mit Silicagel bieten sich an. Filamente wie PLA neigen dazu sich mit Luftfeuchtigkeit anzusaugen und über Zeit brüchig zu werden.
Einen 3D-Drucker kaufen
Falls ich mit diesem Beitrag jetzt eure Neugierde geweckt habe, möchte ich noch kurz ein paar Sätze zum Anschaffen eines Druckers schreiben.
Überlegt euch zuerst einmal was für ein Verfahren ihr gerne haben möchtet, im Hobby-Bereich bleiben euch hier fast nur FFF und SLS zur Auswahl. Lest euch dazu etwas ein, schaut ein paar YouTube Videos, stattet vielleicht eurem lokalen Makerspace einen Besuch ab und überlegt, was eure Anwendungsgebiete sein könnten.
Typischerweise für Anfänger empfiehlt sich ein FFF Drucker. Dazu stellt sich dann gleich die Frage welche Features das Gerät können soll, auf jeden Fall empfehlenswert ist eine automatische Bett-Nivellierung und ein geheiztes Druckbett. Das spart einem in der Anwendung sehr viel Frust.
Nun ist die Frage welcher Hersteller und welches Modell. Es gibt eine große Auswahl an namhaften Herstellern und eine noch viel größere an billigen Nachbauten oder Eigenmarken.
Es empfiehlt sich hier auch wieder Reviews zu lesen und eher bei namhaften Herstellern zu bleiben, diese sind zwar gerne ein bisschen teurer, dafür bieten sie Support und im besten Fall eine große Community, die sich gegenseitig hilft.
Manchmal bekommt man 3D Drucker als Kit, zum selber Bauen, billiger. Für den Prusa i3 MK3S+, zum Beispiel, zahlt man als Kit 230 € weniger. Die Bauanleitung ist zwar richtig gut und detailliert, aber man sollte doch mit mehreren Stunden Bauzeit rechnen.
Wenn man darauf Bock hat großartig! Wir hatten viel Spaß damit, wenn es aber eher an Zeit mangelt, zahlt sich der Aufpreis durchaus aus.
Wenn ihr nun eure Auswahl getroffen habt, stellt sich auch schnell die Frage welches Filament ihr dazu bestellt.
Empfehlenswert ist hier für den Anfang PLA, damit ist leicht zu drucken und man hat schnell gute Ergebnisse.
Danach könnt ihr euch gerne mit allen möglichen Spezial-Filamenten austoben, aber fangt zuerst mit PLA an.
Auch hier bleibe ich persönlich bei namhaften Herstellern, zum Beispiel Prusa vertreibt selbst Filament, das sie mit ihren Druckern testen.
Ich hoffe, ich konnte euch hiermit einen Einblick geben, in weiteren Beiträgen möchte ich dann auf das Drucken, das Slicen, Filamente und Projekte mit dem 3D-Drucker weiter eingehen.
