TECHNIK

3D-Druck

Grundlegendes und Wissenswertes - Teil 1


Das 3D-gedruckte, autarke Flugmodell der TH-Bingen, (Prof. Dr. Jens Altenburg)

Das massenhafte Aufkommen von bezahlbaren 3D-Druckern hat längst auch weite Bereiche des Modellbaus erreicht. Scale-Details, Einbauelemente, Anlenkungsteile und Verschiedenes mehr - der Vielfalt sind kaum Grenzen zu setzen. Tobias Pfaff hat sich eingehend mit dem Thema beschäftigt.

Eine alte Lehrmeinung der Wirtschaftswissenschaften lautet: Konkurrenz fördert die Entwicklung. Für sehr einfache, technologische Proble- me mag das auch durchaus zutreffend sein. Doch mit zunehmender Komplexität der Tech-nologie wächst der Entwicklungsaufwand überproportional an. So kann heute ein einzelner Hersteller gar nicht genügend Arbeitsleistung aktivieren, um ein derartiges Projekt umzusetzen. Vor allem nicht in annehmbarer Zeit und ausreichender Qualität. Dank kooperativer Entwicklung ist es heute sogar möglich, ganze Flugzeuge zu drucken, wie das Projekt von Dr. Jens Altenburg der TH-Bingen zeigt. Nicht von ungefähr entstanden Projekte wie Linux, LibreOffice, OpenTX, Multikopter und nicht zuletzt 3D-Drucker. In diese Projekte wurde bis heute jeweils wesentlich mehr Entwicklungszeit investiert, als es einem einzelnen Anbieter in hundert Jahren möglich wäre. Arbeitet ein solch großes Team - von teilweise tausenden von Programmierern und Entwicklern - an einem Projekt, kann man es kommerziell jedoch nicht mehr gewinnbringend vertreiben. Letztlich ist also nicht das Geld Anreiz für die Entwicklung, sondern der Nutzungsvorteil für alle. Am Ende entwickelt jeder zu seinem eigenen Nutzen. Wenn andere davon profitieren, soll es ihnen gegönnt sein.

Die Idee, Bauteile aus in Schichten gesinterter Materialien aufzubauen, stammte von Charles W. Hull (USA) aus dem Jahr 1981. Um das Jahr 2010 erschienen die ersten 3D-Drucker nach dem Aufschmelzverfahren von Kunststoff für den Heimbedarf. Die Methode im Stil einer Heißklebepistole Stränge von aufgeschmolzenem Polymer schichtweise aufeinander zu legen, machte das Schichtaufbauverfahren zu einer kostengünstigen Methode. Die ersten gut funktionstüchtigen Konstruktionen wurden dann im Laufe des Jahres 2014 veröffentlicht und von einer zunächst noch recht überschaubaren Gemeinde an Interessierten genutzt und weiterentwickelt. All diese Detaillösungen wurden zusammengetragen und die Möglichkeiten und Qualitäten steigerten sich von Jahr zu Jahr. Unterdessen sind einige tausend Entwickler beteiligt und die Qualität der Drucker und der Ergeb- nisse ist heute bereits extrem gut - bei gleichzeitig sehr kleinen Kosten für die Hardware von wenigen hundert Euro. Ein Preis, der mit dem üblichen Budget einer Modellbaukasse durchaus zu stemmen ist. Man muss sich vor Augen führen, dass solche Geräte - hätte man sie konventionell bei einem Hersteller entwickelt - sicher einige hunderttausend Euro kosten müssten, damit die Kosten für die Entwicklung refinanzierbar wären. Mit heute verfügbaren kostengünstigen Druckern kann man ohne Weiteres eine hervorragende Bauteilqualität mit sehr geringen Toleranzen erzeugen. Bei einer Auflösung von üblicher Weise 1/10 Millimetern, liegt die Wiederholbarkeitsgenauigkeit bei gut konstruierten Geräten zum großen Teil weit darunter. Eine gute Reproduzierbarkeit ist also tatsächlich erfüllt.

Die grundlegende Funktion ist - wie schon erwähnt - die einer klassischen Heißklebepistole: In einem Reservoir wird ein Thermoplast aufgeschmolzen und durch nachgedrücktes Material durch eine kleine Öffnung definiert nach außen befördert. Dort wird das Material auf bereits vorhandenem Kunststoff abgelegt und versintert mit diesem, bevor es endgültig abkühlt. So entsteht Schicht für Schicht eine dreidimensionale Form. Dabei ist die Festigkeit des Kunststoffs hervorragend. 3D-gedruckte Bauteile sind in der Regel hoch belastbar. Wichtige Voraussetzung dafür ist eine gute Verschmelzung der Schichten miteinander. Dazu muss die Aufschmelztemperatur hoch genug gewählt werden. Auch wenn das üblicherweise verwendete PLA (Polylaktat) schon bei circa 170 Grad aufschmilzt, ist erst ab etwa 200 Grad eine ausreichende Verschmelzung der Schichten unterein- ander gewährleistet.

Die Druckgeschwindigkeit ist recht gering. Selbst mittelgroße Bauteile benötigen bisweilen einige Stunden. Da man im Gegensatz zu klassischen Herstellungsmethoden jedoch den Drucker für sich arbeiten lässt, kann man einige Teile drucken lassen, während man sich mit anderen Bereichen des Modellbaus beschäftigt. Gute Planung vorausgesetzt. Sicherheitshalber sollte man jedoch in der Nähe bleiben, denn übliche 3D-Drucker arbeiten durchaus mit hohen Temperaturen und Leistungen.

Den Einsatzmöglichkeiten sind kaum Grenzen gesetzt. Zwei grundlegende Bereiche können von einem 3D-Drucker gut abgedeckt werden: Ähnlich wie bei Spritzgussverfahren lassen sich auch komplizierte Geometrien umsetzen. Im Gegensatz dazu jedoch spielt die Anzahl der produzierten Teile keine Rolle. Soll eine Spritzguss- form hergestellt werden, müssen sehr viele Teile damit gefertigt werden, um die hohen Kosten für die Erstellung der Form, den Betrieb und die Anschaffung der Maschine rentabel werden zu lassen. 3D-Druck ist hingegen eine Kleinserien- bis Einzelfertigungs-Technik, die im Gegensatz zu spanenden Kleinserien-Techniken keinen Verschnitt produziert. Es ist ebenso gut möglich ein einzelnes Teil oder auch zehn Stück davon herzustellen. Die Kosten je Teil bleiben dennoch die gleichen und sind mit circa 20 Euro pro Kilogramm sehr gering.

Ein zweiter Vorteil im Vergleich zu Spritzguss ist, dass man nahezu beliebige Innenstrukturen erzeugen kann. Das erstreckt sich von stützenden Füllstrukturen, die leichte und gleichzeitig sehr feste Bauteile ermöglichen, bis hin zu funktionalen Innenstrukturen, die mittels Spritzguss nicht herstellbar sind. Gerade die Möglichkeit, leichte und gleichzeitig sehr feste Bauteile herzustellen macht den 3D-Druck zu einer für den Flugmodellbau idealen Technologie.

Die Arbeitsabfolge für das Erstellen eines 3D-Bauteils ist dabei im Grunde immer die gleiche. Alles beginnt mit einem 3D-Netzkörper-Modell. Es gibt kostenfreie Download-Datenbanken, wie zum Beispiel Thingiverse (www.thingiverse. com), in denen man unter einer schier unübersichtlichen Zahl von vorgefertigten Netzkörpermodellen fündig werden kann. Bisweilen werden dort Teilesammlungen für ganze Modelle - leider hauptsächlich Autos und Schiffe - angeboten.

Oft wird man jedoch für sein eigenes, in der Regel sehr spezielles Problem dort nicht fündig. Dann ist das Selbsterstellen eines Netzkörpers gefragt. Und das ist auch schon der komplizierteste Teil der gesamten Vorgehensweise. Grundsätzlich sind hierfür alle 3D-tauglichen CAD- Programme (Computer Aidet Design) geeignet, die es ermöglichen, Dateien im STL-Format zu exportieren. Die Erfahrung zeigt, dass die Vorlieben für die ein oder andere Software recht individuell sind. Man muss letztlich selbst auspro- bieren, mit welcher Software man gut arbeiten kann. Ein wenig Einarbeitungszeit benötigen alle Programme, wobei der Zeitbedarf hierbei zwischen einigen Stunden bis hin zu einigen Wochen liegen kann.

Leider sind noch immer keine freien CAD-Programme in ausreichender Qualität verfügbar. Zwei Open-Source-Projekte sind gestartet aber befinden sich noch in einem sehr frühen Stadium der Entwicklung. Kommerzielle Program- me sind, wenn sie halbwegs gut entwickelt sind, recht teuer. Man benötigt für den 3D-Druck jedoch nicht die neueste Version. Ältere Versionen werden oft für einen Bruchteil des Preises der aktuellsten Version vertrieben. In der Regel gibt es für alle Programme Test-Versionen, sodass man nicht die Katze im Sack kaufen muss. Alle sich im Arbeitsprozess daran anschließenden Programme, sowie Druckerserver und Firmware des Druckers liegen als Freeware vor.

Ist ein 3D-Netzkörper-Modell erstellt, muss es in Ebenen aufgeteilt und die Verfahrwege für den Druckkopf des Druckers daraus errechnet werden. Das sogenannte Slicen übernehmen nun Programme wie "Slic3r" (www.slic3r.org), die es ermöglichen, einen Steuer-Code (G-Code) der ursprünglich zur Steuerung von CAM-Maschinen (Computer Aidet Manufactoring), wie CNC-Fräsen (Computerized Numerical Control) oder -Drehbänke entwickelt wurde.

Eine solche G-Gode-Datei wird dann an den Drucker übertragen und von diesem abgearbeitet. Das Slice-Programm muss dafür auf den jeweiligen Drucker, sein Druckvolumen, Heizmög- lichkeiten, Kühlluftzufuhren oder Düsendurchmesser eingestellt werden. Das kann im Einzelnen etwas aufwändig sein. Hat man aber mal eine Konfiguration gefunden, die gute Ausdrucksqualitäten ermöglicht, muss man diese Arbeit natürlich nicht wiederholen. Die fertige G-Code-Datei wird dann entweder direkt vom PC über USB an den Controller des Druckers geschickt, oder kann per SD-Karte an den Drucker übertragen werden. Das hat den Vorteil, dass der PC nicht die gesamte Zeit des Ausdrucks mitlaufen muss. Ebenso kann man einen Drucker-Server mittels Raspberry Pi einrichten.

Die Konstruktion von 3D-Druck-Teilen unterscheidet sich ein wenig von der klassischen Konstruktion mittels spanender Herstellungstech- niken wie Drehen, Fräsen, Sägen und Bohren. Ob man einen rechten Winkel, eine Phase, Rundungen oder komplexe Bauteilformen erstellt, ist für den Herstellungsprozess nicht von sonderlicher Bedeutung. Man hat für die Geometrie der Bauteile sehr viel mehr Freiheitsgrade als bei klassischen Methoden, bei denen oft die Komplexität der Konstruktion zugunsten leichterer Herstellbarkeit stark reduziert werden muss. Doch es gibt auch Grenzen: Überhängende Strukturen sind schwer umsetzbar. Idealerweise sollten Bauteile sich nach oben verjüngen. Die meisten Drucker können jedoch auch Überhänge mit einem Flankenwinkel von 45 Grad drucken, ohne dass Stützstrukturen nötig werden.

Was jedoch vermieden werden sollte, sind gerade bei solchen überhängenden Strukturen spitze Winkel, bis hin zu rechten Winkeln. Durch thermische Spannungen biegen sich diese Ecken stark nach oben. An diesen besteht die Gefahr, dass der Druckkopf hängen bleibt und es zu Schrittverlusten kommt. Das Bauteil muss dann verworfen werden. Oder das Bauteil verformt sich immer weiter, sodass die Formhaltigkeit inakzeptabel wird. Abhilfe schaffen hier großzügig gefaste oder gerundete Ecken. Man sollte daher bei der Konstruktion eines Bauteils immer bedenken, welche Seite auf dem Druckbett zu liegen kommt. Sollte keine ausreichend plane Seite eines Bauteils vorhanden sein, kann ein Bauteil auch an einer sinnvollen Stelle geteilt ausgedruckt und danach verklebt oder verschraubt werden. Ist eine hohe Belastung der Verbindungsfläche zu erwarten, ist eine Verschraubung oder eine Verklebung mit zusätzlichen Verbindungsstiften ratsam. Ansonsten kann zur Verklebung Polyester-Klebstoff oder Sekundenkleber Verwendung finden.

Da während des Ausdrucks das Kunststoffmaterial zwischen Düse und vorher Gedrucktem quasi platt gedrückt wird, muss bei allen Passungen und Gewindekernbohrungen das seitlich verbreiterte Filament als Offset berücksichtigt werden. Man sollte hierzu den Durchmesser um etwa den Durchmesser der Druckdüse größer wählen. Ist das normgemäße Kernloch für ein M3-Gewinde üblicher Weise 2,4 Millimeter, so muss es beim Ausdruck unter Verwendung einer üblichen 0,4-mm-Düse um diesen Betrag größer designet werden und damit 2,8 Millimeter sein. Für Passungen, zum Beispiel bei Kugellager-Sitzen, sind die Toleranzen noch enger. Hier sollte man mit ein paar Testteilen den Offset des individuellen Druckers durch ein paar Versuche bestimmen.

Gewinde direkt zu drucken ist bei sehr groben Gewinden zwar möglich, ist aber durchaus schon die Grenze dessen, was der 3D-Druck derzeit ermöglicht. Feingewinde müssen hingegen klassisch geschnitten werden. Da PLA schnell auf- schmilzt und dazu neigt gut mit Stahloberflächen zu verkleben, ist es notwendig ein Schneidmittel anzuwenden um die Schnittfläche aus- reichend kühl zu halten. Bewährt hat sich dabei Spiritus. Man taucht den Gewindeschneider in die Flüssigkeit oder deponiert sie im Gewindeloch. Der Schnitt sollte recht langsam und wenn erforderlich in mehreren Schritten erfolgen. Gewinde ab M3 lassen sich gut umsetzen. Soll das Gewindeloch jedoch nicht zur einmaligen Verschraubung dienen sondern öfter verwendet werden - etwa für Wartungsdeckel - empfehlen sich Gewinde ab M4 oder das Einlegen einer entsprechenden Mutter während des Drucks. Dazu wird ein Hohlraum im Druckteil vorgesehen, in das eine Gewindemutter mit den genannten Toleranz-Offsets genau hineinpasst. Leider muss man dann Ebenen zählen und die letzte Ebene für diesen Hohlraum abwarten, den Drucker mit der Pause-Funktion stoppen um dann die Mutter einlegen zu können. Die nachfolgende Schicht muss dann jedoch eine geschlossene Ebene über die Mutter drucken, damit das sich daran anschließende Loch eine gute Druckbasis hat. Diese geschlossene Ebene sollte ein oder zwei Schichten dick sein und kann nach Fertigung des Bauteils durch die Schraube selbst leicht durchstoßen werden.

Kurzum, 3D-Druck nach dem Aufschmelzverfahren ist kostengünstig und mit ein wenig Erfahrung leicht anwendbar. Ob man nun fertig designte Teile aus dem Internet lädt oder selbst konstruiert, ist jedem überlassen. Die mechanische Belastbarkeit der Teile ist erstaunlich hoch und somit können selbst tragende Teile für den Modellflug ausgedruckt werden.

Im nächsten Teil des Beitrags soll es konkret werden: Wie kann man einen möglichst qualitativ hochwertigen 3D-Ausdruck erstellen und welche Teile lassen sich konkret umsetzen. So viel sei jetzt schon verraten: Im Grunde setzt nur die Fantasie des Konstrukteurs die Grenzen.

Tobias Pfaff


Ein kostengünstiger 3D-Drucker mit sehr guter Druckqualität. Diese Anlage ist für unter 400 Euro als Bausatz erhältlich


Ein 3D-Drucker nach dem Aufschmelzverfahren arbeitet wie eine Heißklebepistole


Für kleine Scale-Details ist 3D-Druck prädestiniert, hier Scale-Felgen für eine "Siebel 202c" von RBC-Kits


TurboCAD ist ein leicht zu erlernendes und gleichzeitig sehr mächtiges Programm. Ältere Versionen sind kostengünstig


Die Software "Slic3r" errechnet aus dem CAD-Netzkörpermodell ein Schichtmodell und exportiert die Steuer-Code-Datei. Eine "Simulation" des Druckergebnis kann erzeugt werden


Überhängende Strukturen lassen sich oft nur mithilfe von Stützstrukturen herstellen. Die Oberflächenqualität der nach unten gerichteten Fläche ist dabei oft nicht besonders gut


Überhängende Strukturen von 45-Grad-Flankenwinkel sind durchaus umsetzbar (Blick auf die Unterseite des Druckteils).Durch Fasen oder Rundungen können thermische Verzüge verringert werden.


Haltbare Schraubgewinde lassen sich durch Einlegen einer Mutter herstellen


Die Auspuffstutzen am Dmax-Modell "Airtractor" von Philipp Gardemin, wurden ebenfalls 3D-konstruiert und -gedruckt



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