Kapitel 2:
Der 3D-Drucker

Sie tragen sich mit der Idee, einen 3D-Drucker zu kaufen oder Sie haben sich den Drucker bereits gekauft. In diesem Kapitel stelle ich Kriterien vor, die für den Kauf eines 3D-Druckers relevant sind. Dazu wird der Drucker von der Technik her erklärt. Sie lernen Ihren Drucker so besser kennen. Sie erfahren außerdem, wie man den Drucker am besten aufstellt und was für die eigene Sicherheit beachtet werden muss.

2.1  Der 3D-Drucker, der zu Ihnen passt

Schauen wir uns zunächst die Funktionsweise von 3D-Druckern an, damit Sie beurteilen können, welchen Drucker Sie sich anschaffen sollten. Dazu gebe ich in Abschnitt 2.1.3 auch eine Kaufberatung.

Ein 3D-Drucker ist im Prinzip ein hochpräzise arbeitender Roboter. Er besteht aus akkurat gearbeiteten Komponenten, die in einer komplexen Art und Weise zusammenarbeiten. Im Rahmen der 3D-Modellierung? hat sich der Standard herausgebildet, die ?Achsen des Druckers mit X (links und rechts), Y (vor und zurück) und Z (hoch und runter) zu benennen und zwar sowohl in den 3D-Modellierprogrammen als auch bei den Hardware-Druckern. Die X- und Y-Achse sind die Achsen in der Ebene, von denen die Z-Achse senkrecht nach oben führt. Und in diesen drei Raumachsen muss der Drucker seine Komponenten und damit das 3D-Objekt, das er druckt, bewegen können.

2.1.1  Funktionsweise eines FDM-Druckers

?FDM heißt ausgeschrieben »?Fused Deposition Modelling«, ins Deutsche übersetzt etwa »?Schmelzschichtverfahren«. Auch gebräuchlich ist, dieses Verfahren als ?FFF zu bezeichnen, also »?Fused Filament Fabrication«. Ein solcher Drucker - und bei den meisten Hobbydruckern handelt es sich um einen solchen - druckt ein 3D-Modell, indem er es mit flüssigem Kunststoff Schicht für Schicht aufbaut. Den schichtweisen Aufbau der Objekte können Sie gut in Abbildung 2.1 sehen (achten Sie auf die Verschlussklappe des Teleskops).

Abb. 2.1: Das Hubble-Weltraumteleskop als 3D-Objekt

Der Extruder (die Druckdüse inkl. Heizelemente), der das 3D-Modell ausdruckt, muss in den drei räumlichen Achsen (X, Y und Z) bewegt werden können. Es haben sich dazu verschiedene Techniken herausgebildet, von denen ich im Folgenden einige beschreibe.

Zum einen kann ein Drucker so vorgehen, dass er den ?Druckkopf am oberen Ende des Druckers in die X- und Y-Richtung bewegt und das Druckbett beim Druck langsam absenkt (Z-Richtung, beispielsweise Ultimaker S5). Der ?Materialfeeder der Teil des Druckers, der für den Transport des Filaments (das ist der Kunststoff, der zumeist auf einer Spule dem 3D-Drucker zugeführt wird) zuständig ist, ist bei den verschiedenen 3D-Druckern an unterschiedlichen Stellen angebracht. Bei den Ultimaker-Druckern ist der Materialfeeder auf der Rückseite des Druckers vor dem Führungsschlauch anmontiert. Das hat den Vorteil, dass der Druckkopf eine relativ geringe Masse hat und daher sehr schnell bewegt werden kann. Diese Drucker können sehr schnell drucken.?

Weiterhin sind Drucker auf dem Markt, bei denen der Druckkopf nur in die Y-Richtung bewegt wird und das Druckbett in die X- sowie in die Z-Richtung. Bei einigen Druckern sind die Materialfeeder direkt über dem Druckkopf angebracht. Das hat den Vorteil, dass es so gut wie kein Spiel des Filaments zwischen Materialfeeder und ?Extruder gibt. Der Drucker kann sehr akkurat drucken.

Darüber hinaus gibt es auch Konstruktionen, bei denen sich das Druckbett unten befindet und nur in die Y-Richtung (vor und zurück) bewegt wird, der Druckkopf sich aber in die X- (links und rechts) und Z-Richtung (nach oben) bewegt (beispielsweise bei meinem Bambu Lab A1). Es sind auch noch andere Konstruktionen auf dem Markt.

Hinweis

Ich selbst besaß einen Renkforce RF 1000, den ich inzwischen durch einen modernen Bambu Lab A1 ersetzt habe. Ich beziehe mich in diesem Buch auf beide Drucker, wenn es um Druckbeispiele geht. Sie können die Projekte aber auch mit jedem anderen Drucker umsetzen.

Gedruckt wird immer durch ein Zusammenspiel der Ansteuerung der X-, Y- und Z-Motoren sowie des Materialfeeders. Der Materialfeeder bewegt das ?Filament vor und zurück. Vor, wenn der Drucker flüssiges Filament aufträgt, und zurück, wenn die ?Druckdüse ihre Position verändert, damit das Material keine Fäden zieht.

Abb. 2.2: Der Materialfeeder des Bambu Lab A1

Der Materialfeeder (siehe Abbildung 2.2) besteht aus einer mit einem Motor betriebenen Achse sowie einer Andruckrolle. Zwischen diesen beiden wird das Filament befördert. Da entweder die Achse oder die Andruckrolle ein Profil hat, um das Filament präzise befördern zu können, kommt es nach häufigem Druck zu eine?m Abrieb des Filaments. Dann befinden sich überall im Materialfeeder klei?ne Filament-Späne. Dies kann dazu führen, dass das Filament nicht mehr ordnungsgemäß transportiert wird. Es ist daher erforderlich, ab und zu den Materialfeeder zu säubern. Das geht mit einem kleinen Malpinsel am besten. Tun Sie das aber bitte nicht während des Drucks, da dann die Härchen des Pinsels in den Feeder gelangen können. Sie müssen in einem solchen Falle den Druck sofort abbrechen.

Abb. 2.3: Druckkopf des Bambu Lab A1 in einer seitlichen Ansicht

Abb. 2.4: Die Druckdüse (Extruder) des Bambu Lab A1

Der ?Druckkopf (siehe Abbildung 2.3) besteht aus einem Wagen, der von einem oder zwei Motoren in die verschiedenen Raumachsen bewegt wird und einem? Extruder, der Druckdüse (siehe Abbildung 2.4?) mit Heizeinrichtung. Dieser wird vor dem Druck aufgeheizt, dadurch wird in seinem Inneren das Filament verflüssigt und durch seinen unteren Düsenausgang ausgeschieden. Der dafür nötige Druck im Extruder wird durch den Materialfeeder erzeugt. Es gibt Drucker, bei denen der Extruder durch ein Modell mit einem ?anderen Durchlassdurchmesser austauschbar ist. Damit ist es möglich, filigraner bzw. grober zu drucken. Außerdem können Extruder für vers?chiedene Filament-Durchmesser ausgetauscht werden. Oft befinden si?ch kleine Ventilatoren am Extruder, die für eine sofortige Abkühlung des ausgetretenen, flüssigen Filaments sorgen.

Ein »normaler« FDM-Drucker kann immer nur einfarbig drucken. Es gibt aber Drucker mit zwei Extrudern (beispielsweise der ?UltiMaker S5). Diese können gleichzeitig zwei Filament-Farben verwenden. Ein 3D-Objekt kann dann zweifarbig gedruckt werden. Außerdem besteht die Möglichkeit, neben dem Hauptfilament ein Filament für ?Stützstrukturen zu drucken, welches beispielsweise wasserlöslich ist und später komfortabel aus dem 3D-Objekt entfernt werden kann (siehe dazu Kapitel 6).

Abb. 2.5: Das Druckbett des Bambu Lab A1

Das ?Druckbett (siehe Abbildung 2.5) ist zumeist eine Glas-, Keramik- oder Plastikplatte, auf der das 3D-Objekt entsteht. Teurere Drucker haben die Möglichkeit, das Druckbett zu beheizen. Das hat den Vorteil, dass dann auch andere Filamente nebe?n PLA (Polyactic Acid) gedruckt werden können. PLA kann von jedem FDM-Drucker gedruckt werden. Ist das Druckbett nicht beheizbar, ist es erforderlich, Maßnahmen zu ergreifen, damit das 3D-Objekt beim Druck nicht den Halt auf dem Druckbett verliert. Dabei sind verschiedene Vorgehensweisen üblich, z.B. die Verwendung eines Prittstifts, mit dem der Druckbereich eingestrichen wird (siehe dazu Kapitel 6).

2.1.2  Andere 3D-Druckverfahren

Neben dem FDM- bzw. ?FFF-Druck gibt es auch noch andere Verfahren im 3D-Druck, deren Drucker aber heute noch derartig teuer sind, dass diese sich für den Hobbybereich nicht wirklich eignen. Ich möchte drei dieser Verfahren aber trotzdem kurz vorstellen.

?Gips-Drucker (auch ?3DP genannt)

Ein FDM-Drucker kann bei einem Extruder immer nur einfarbig drucken. Die Lücke zum echten ?Farbdruck schließt der Gips-Drucker. Dieser trägt schichtweise Gips auf, welches mit einem Bindemittel (z.B. Wasser) versetzt wurde. Das Bindemittel kann, wie bei einem Tintenstrahldrucker, eingefärbt werden. Das 3D-Objekt wird farbig gedruckt. Wegen des Materials Gips sind die Objekte aber sehr empfindlich gegen Stöße und andere mechanische Einwirkungen. Vom Bauvolumen her sind die Drucker viel größer als FDM-Drucker. Mit Gips-Druckern können beispielsweise menschliche Figuren (siehe auch Kapitel 15) gedruckt werden.

SLA- und DLP-Drucker?

Diese Drucker lassen ein 3D-Objekt aus einem ?Harz entstehen. Die Objekte können wesentlich feiner und mit einem höheren Detaillierungsgrad hergestellt werden. Das Harz wird mit ?UV-Licht so bestrahlt, dass es an bestimmten Stellen aushärtet. So entsteht Schicht für Schicht das 3D-Objekt.

Bei den meisten ?SLA-Druckern? (?Stereolithografie) wächst das 3D-Objekt unter dem Druckbett nach unten. Es sind ?Schichtdicken von 0,15 bis 0,05 mm möglich. Dabei entstehen praktisch keine ?Schichtlinien. Das Aushärten des Harzes bewerkstelligt ein ?Laserstrahl. Überall, wo er das 3D-Objekt trifft, härtet das Harz aus. Das Druckbett fährt danach etwas nach oben, und frisches Harz läuft nach. So wächst das 3D-Objekt langsam aus dem Harzbett nach unten.

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