3D-Print: Drucker und Druckmaterial
In den vorhergehenden Beiträgen haben meine Kollegen Kai und Kevin über die Technologie 3D-Druck und ihre Einsatzpotentiale gesprochen und die gängigen Druckverfahren und Softwarelösungen vorgestellt. In diesem Artikel beleuchte ich gängige Druckermodelle und die Druckmaterialien. Dabei beantworte ich unter anderem die Fragen, welche Drucker sich besonders gut für Anfänger eignen und was bei den verschiedenen Druckmaterialien zu beachten ist.
Bei den Druckern gibt es eine ungeheuer große Auswahl. Der Preis reicht von ein paar Hundert Euro für anständige Einstiegsmodelle für den privaten Gebrauch bis zu sechsstelligen Summen im industriellen Bereich. Wir konzentrieren uns in diesem Beitrag auf den privaten Anwendungsbereich. Die Bandbreite an potenziellen Nutzern ist groß. Sie reicht von Künstlern und Produktdesignern über Heimwerkerkönige — im Englischen Maker genannt — bis hin zu Technikenthusiasten, die gern mit neuen Technologien experimentieren.
Der entspannte Einstieg gelingt mit FDM-Druckern
FDM steht für Fused Deposition Modeling. Diese Geräte verwenden als Druckmaterial einen Kunststoffdraht, Filament genannt. Das Filament wird im Drucker geschmolzen und dann schichtweise aufgetragen.
Innerhalb der FDM-Drucker gibt es große Unterschiede bei Preis und Qualität. Hier gilt wie in vielen Bereichen: Wer billig kauft, kauft (oft) zweimal. Die günstigsten Geräte aus dem Reich der Mitte gibt’s bei Amazon schon ab 130 Euro. Mit denen sind durchaus anständige Druckergebnisse möglich. Doch bei dem Preis kann man realistisch keine 1a-Qualität bei den mechanischen Teilen und Kabeln, der Software und beim Support erwarten.
Zudem werden die „China-Böller“ meist in einzelnen Komponenten geliefert, die zu Hause zusammengebaut werden müssen. Das kann klappen, aber letztlich ist es wie beim Pax-Schrank von Ikea: Am Ende fehlt irgendeine Schraube oder ein wichtiges Verbindungsstück bricht bei der Montage ab. Auf Ersatz muss man dann wochenlang warten, wenn man Glück hat — Stichwort Support.
Printer in guter Qualität gibt es ab rund 300 Euro. Auch diese Geräte werden aus logistischen Gründen oft in Einzelteilen geliefert. Doch ab einem gewissen Preisniveau kann man mit einem Kundenservice rechnen, der seinen Namen auch verdient.
Es lohnt sich vor einem Kauf auf jeden Fall, in den einschlägigen Foren zu recherchieren. Die 3D-Druck-Community ist sehr aktiv und hilfsbereit, zum Beispiel auf www.thingiverse.com, www.myminifactory.com, https://www.3d-druck-community.de oder auf diversen YouTube-Channels und Facebook-Gruppen. Worauf du beim Kauf achten und welche Fragen du dir vorher beantworten solltest, lernst du in einem weiteren Beitrag.
FDM-Multifunktionsgeräte für ambitionierte Maker
Du willst nicht nur dreidimensional drucken, sondern deine Objekte anschließend fräsen oder gravieren? Kein Problem: Jeder kennt aus dem Office-Bereich die Alleskönner aus Drucker-Kopierer-Scanner-Fax. Solche Multifunktionsgeräte gibt es auch für den 3D-Druck. Hier kann man den Druckkopf durch eine CNC-Fräse (CNC = computerized numeric control) austauschen. Integrierte Laser können beispielsweise auch Holz gravieren. Als Datenvorlage dient der gleiche Maschinencode (G-Code) wie beim Drucken. Ambitioniertere Hobbybastler können ihrer Inspiration freien Lauf lassen.
Egal ob Einsteigermodell oder Multifunktionsgerät: Der Umgang mit FDM-Printern ist relativ unkompliziert, die Geräte bieten einen niederschwelligen Start in das 3D-Druckuniversum.
SLA-Printer: Drucken im heimischen Chemielabor
Etwas schwieriger zu handhaben sind Geräte, die mit dem Stereolithographie-Verfahren (SLA) arbeiten. Das Ausgangsmaterial ist ein flüssiger UV-Licht-empfindlicher Harz, der in Schichten aufgetragen und dann von einem UV-Laser punktgenau ausgehärtet wird.
Während dieses Vorgangs entstehenden immer gesundheitsschädliche Gase. Zwar werden auch bei FDM-Druckern Mikropartikel freigesetzt, besonders bei ABS-Filamenten. Doch bei den meisten Filamenten sind die Mikropartikel weniger gefährlich.
Wegen der Gasentwicklung befindet sich der Druckbereich in SLA-Printer immer in einem geschlossenen Gehäuse. Trotzdem eignen sie sich nicht für Wohnräume und schon gar nicht für Schlafzimmer, sondern stehen besser in gut lüftbaren Räumen. Auch sollte man direkten Hautkontakt mit den Harzen vermeiden.
Die Nachbereitung der gedruckten Objekte ist aufwendiger als bei FDM-Druckern. Die Objekte müssen in einer mit Alkohol versetzten Lösung gereinigt und anschließend unter UV-Licht zusätzlich ausgehärtet werden.
Der Vorteil von SLA-Druckern: Mit ihnen kann man Objekte mit sehr feingranularen Details erstellen. Das kann eine Miniaturfigur aus deinem Lieblingsfilm sein.
Möglich sind aber auch professionelle Anwendungsbeispiele wie das Erstellen von Zahnschutzschienen bei unserem Kunden DMG. Objekte, die nach dem SLA-Verfahren gedruckt wurden, halten lange. Durch die Empfindlichkeit gegenüber Licht kann es bei transparentem Kunstharz über die Zeit zu Verfärbungen kommen.
Jetzt wurden mit Kunststoffdraht und Flüssigharz schon zwei Druckmaterialien erwähnt. Im folgenden Abschnitt stelle ich diese und weitere gängige Materialien etwas ausführlicher vor. Wie bei den Druckern auch, ist die Auswahl riesig.
Aus welchen Materialien können 3D-Drucke bestehen?
Das Material, aus dem 3D-Drucker im Schichtaufbauverfahren dreidimensionale Objekte erstellen, ist so vielfältig wie die gedruckten Objekte selbst. Die wichtigsten stellen wir auf den folgenden Zeilen vor.
Schmelzen — Auftragen — Fertig: Drucken mit Kunststoffen
Thermoplastische, also sich bei Wärme verformende Kunststoffe sind das am häufigsten verwendete Druckmaterial. Transportiert werden sie meist als wenige Millimeter dünne Schnüre, Filamente genannt, die auf Rollen aufgewickelt sind. ‚Filament‘ ist abgeleitet vom lateinischen Wort Filum (Faden). Diesen Kunststoffdraht haben wir oben bereits kurz beschrieben.
Der Top-Kunststoff für Einsteiger ist Polylactic Acid — kurz PLA. Das ist ein umweltfreundliches, auf Maisstärke oder Zuckerrohr basierendes Material. PLA ist am einfachsten zu verwenden, schmilzt bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen und bleibt beim Erkalten formstabil. PLA ist als Endprodukt sehr fest, wenig elastisch und wird in vielen Farben vertrieben.
Produkte aus dem Zungenbrecher Acrylonitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) haben viele schon als Kind in der Hand gehabt — in Form von Legobausteinen. Objekte aus diesem Material sind ebenfalls sehr fest, was jeder bestätigen kann, der schon mal barfuß auf ein Legoteil getreten ist. Objekte aus ABS sind im Vergleich zu PLA flexibler. Im Druckprozess aber deutlich schwerer zu händeln, denn es sind jedoch deutlich höhere Temperaturen nötig. Die Drucker brauchen ein beheiztes Druckbett und im Idealfall auch eine beheizte Umgebung. Während des Druckens entstehen geruchsintensive, teils sogar gesundheitsgefährdende Dämpfe und beim Erkalten verziehen sich die Strukturen. ABS eignet sich nicht für Einsteiger.
PET — schon mal gehört, oder? Richtig, das ist der Kunststoff, aus dem viele Plastik-Mehrwegflaschen sind. PET steht für Polyethylenterephthalat und wird durch Anreicherung mit Glycerol zu einem guten Druckmaterial. Der neue Stoff heißt PETG. Er kann beim Abkühlen etwas schrumpfen, ist dafür aber langlebig, flexibler als PLA und ABS und verfügt über eine hohe Schlagfestigkeit. Das macht PETG zu einem idealen Material für Bauteile, die hohen mechanischem Belastungen ausgesetzt sind.
Grundlegend gibt es schon jede Menge Kunststoffe und der Bereich entwickelt sich sehr dynamisch, so dass die Auswahl der zur Verfügung stehenden Stoffe und damit auch die Anwendungsfelder stetig größer werden. Die Materialien unterscheiden sich stark hinsichtlich Stabilität, Langlebigkeit, Temperaturbeständigkeit, Preis, Umweltverträglichkeit und vieles mehr. Wer sich zu den Filamenten weiter informieren will, kann in diesem Artikel weiterlesen.
Hart durch UV-Strahlen: Drucken mit Harzen
Lichtempfindliche Harze, auch Photopolymere genannt, werden bei SLA-Printern als Druckmaterial verwendet. Beim Umgang mit diesen klebrigen Stoffen ist Vorsicht geboten. Hautkontakt und das Einatmen der beim Aushärten mittels Laser entstehenden Ausdünstungen sollten vermieden werden. Zu diesem Druckmaterial wird im Moment viel geforscht und weiterentwickelt, sodass hier zukünftig mit einer ähnlichen Vielfalt wie bei den Kunststoff-Filamenten zu rechnen ist. Harze sind besonders gut geeignet für extrem dünne Schichten — und damit für feinste Detailgrade.
Heavy Metal: Drucken mit Metallen
Auch Metalle und verschiedene Legierungen eigenen sich als Druckmaterial — allerdings nicht für den privaten Bereich. Deshalb sind sie hier auch nur am Rande erwähnt. Im unternehmerischen Bereich werden häufig verwendet Aluminium (sehr leicht, für mechanische Bauteile in Raumfahrt und Fahrzeugbau), Titan (biokompatibel, gut für medizinischen Bereich geeignet), Gold (teuer) und Silber.
Biologische Materialien: Ein essbares Brandenburger Tor
Mit 3D-Druckern können auch essbare Objekte, also Lebensmittel, hergestellt werden. In einem kurzen Exkurs im ersten Artikel unserer Reihe wiesen wir schon darauf hin, dass die 3D-Druck-Technologie ein Schlüssel sein kann für die Ernährung zukünftiger Generationen der weiter wachsenden Erdbevölkerung.
Seit einigen Jahren druckt das spanische Food-Tech-Unternehmen Novameat fleischlose Rindersteaks auf Basis einer Mixtur aus Wasser, pflanzlichem Eiweiß und pflanzlichem Fett. Noch bekannter wurde dazu kürzlich das israelische Unternehmen Redefine Meat. Es ist nur eine Frage der Zeit, bis diese Produkte soweit optimiert sind, dass fleischlose Steaks vom Original hinsichtlich des Geruchs und des Geschmacks- und Kauverhaltens nicht mehr unterscheidbar sind.
Ein süßeres Beispiel ist die schon 2015 in Berlin eröffnete Magic Candy Factory, in der alle möglichen essbaren Objekte aus Gelantine (Fruchtgummi) hergestellt werden. Ebenso schon vorhanden sind 3D-Drucke auf Schokoladen-Basis — für besonders ausgefallene Naschideen. Auch Nudeln (aus Stärke) oder Eiscreme sind schon von 3D-Druckern hergestellt worden.
Es gibt noch weitere Druckmaterialien, beispielsweise Gips (Modellbau in der Architektur), Keramik, Glas oder Verbundstoffe. Ähnlich wie die Metalle sind diese Materialien im privaten Bereich eher ungebräuchlich und werden hier nur der Vollständigkeit halber genannt.
Was muss man vor dem Kauf eines Druckers beachten?
In einem weiteren Beitrag erläutere ich, welche Fragen sich ein frisch motivierter Neueinsteiger stellen sollte, bevor er einen eigenen 3D-Drucker kauft und was man sonst noch alles wissen muss, damit man typische Fehler vermeiden und schnell erste eigene Erfolge in der Welt des 3D-Drucks feiern kann.
Hier gehts zu den anderen Beiträgen aus unserer 3D-Druckreihe:
- 3D-Druck eröffnet faszinierende Möglichkeiten
- 3D-Druckverfahren und Softwarelösungen
- Ratgeber: Welche Fragen man sich vor dem Kauf eines 3D-Druckers stellen sollte
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