Mein erster 3d-Drucker: Anycubic Vyper

3D-Druck ist längst keine Technologie mehr, die nur Unternehmen, Forschungseinrichtungen oder ambitionierten Bastlern vorbehalten ist. Die ersten vergleichsweise erschwinglichen 3D-Drucker für den Schreibtisch kamen Ende der 2000er-Jahre auf den Markt. Einer der bekanntesten frühen Vertreter war der MakerBot CupCake CNC aus dem Jahr 2009. Er kostete damals rund 750 US-Dollar und wurde noch als Bausatz geliefert (Wired).

Seitdem hat sich einiges getan. Die Geräte sind inzwischen nicht nur günstiger, sondern vor allem schneller, zuverlässiger und wesentlich einfacher zu bedienen. Bei den verbreitetsten Geräten handelt es sich um sogenannte FDM-Drucker. FDM steht für Fused Deposition Modeling, auf Deutsch meist als Schmelzschichtung bezeichnet. Dabei wird ein Kunststofffaden erhitzt und durch eine Düse Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Objekt aufgebaut (Stratasys).

Meinen ersten eigenen 3D-Drucker habe ich im Jahr 2021 für ungefähr 350 Euro gekauft: den Anycubic Vyper. Das Modell wurde im Juni 2021 vorgestellt und kostete regulär zunächst 359 US-Dollar (Anycubic). Seither haben sich 3D-Drucker besonders bei der Druckgeschwindigkeit deutlich weiterentwickelt. Beim Vyper wurden etwa 80 mm/s als normale Druckgeschwindigkeit empfohlen. Ein heute weit verbreiteter Drucker wie der Bambu Lab A1 arbeitet in seinen Standardprofilen eher mit 200 bis 300 mm/s und erreicht unter geeigneten Bedingungen deutlich höhere Geschwindigkeiten. In einem Test benötigte der A1 beispielsweise nur gut 19 Minuten für einen 3DBenchy, ein häufig verwendetes Testmodell (Tom’s Hardware). Ein kleineres Modell, für das mein Vyper ungefähr eine Stunde benötigt, kann auf einem modernen Drucker deshalb je nach Geometrie, Material und Qualitätseinstellungen durchaus schon nach etwa 15 bis 30 Minuten fertig sein. Ich habe meinen Vyper trotzdem immer noch, denn ich drucke nur sehr unregelmäßig. Manchmal läuft er mehrere Tage hintereinander, manchmal wird er wochen- oder monatelang überhaupt nicht eingeschaltet. Interessant wird er für mich immer dann, wenn plötzlich ein Problem auftaucht, für das es keine passende Lösung zu kaufen gibt.

Wofür ich meinen 3D-Drucker verwende

Natürlich kann man sich einfach fertige Modelle aus dem Internet herunterladen und ausdrucken. Auf Plattformen wie Thingiverse gibt es eine riesige Auswahl an Figuren, Halterungen, Ersatzteilen, Spielzeug und allerlei mehr oder weniger nützlichen Dingen. Das macht Spaß, war für mich aber nie der eigentliche Reiz des 3D-Drucks. Spannend wird es für mich dann, wenn ich selbst ein Problem lösen kann. Ein Teil fehlt, etwas passt nicht richtig oder für einen ganz bestimmten Einsatzzweck gibt es schlicht kein passendes Produkt. Dann kann ich das benötigte Bauteil selbst konstruieren und wenige Stunden später in der Hand halten.

So sind bei mir beispielsweise bereits ein Schallumlenker für den Fernseher, eine Aerobridge für mein Fahrrad sowie verschiedene Teile für unseren Campervan, darunter Schraubenabdeckungen und Batteriepol-Abdeckungen, entstanden.

Gerade solche kleinen Teile zeigen für mich den eigentlichen Nutzen eines 3D-Druckers. Sie sind häufig sehr speziell und wären kommerziell entweder gar nicht erhältlich oder nur mit unverhältnismäßig großem Aufwand zu beschaffen.

Meine eigenen Modelle sollen künftig unter Aktivitäten gesammelt werden. Dort können sie angesehen und auch für die eigene Verwendung heruntergeladen werden.

Doch wie kommt man eigentlich von einer Idee zu einem fertigen Kunststoffteil?

Schritt 1: Das 3D-Modell

Am Anfang jedes Drucks steht ein digitales dreidimensionales Modell.

Man kann dieses entweder selbst erstellen oder ein bereits vorhandenes Modell herunterladen. Für meine eigenen Konstruktionen verwende ich Shapr3D. Das Programm ist für den Einstieg erstaunlich intuitiv. Es gibt eine eingeschränkte kostenlose Basic-Version mit eingeschränkten Exportmöglichkeiten sowie eine kostenpflichtige Pro-Version, die für 14 Tage kostenlos getestet werden kann (Shapr3D).

Der grundlegende Ablauf ist relativ einfach: Man zeichnet zunächst beispielsweise ein Rechteck oder einen Kreis mit exakten Abmessungen und zieht diese zweidimensionale Form anschließend in die dritte Dimension. Daraus entsteht ein Körper. Anschließend können Löcher ausgeschnitten, Kanten abgerundet oder weitere Körper hinzugefügt werden.

Nach kurzer Einarbeitung lassen sich damit bereits überraschend komplexe Teile konstruieren. Für Shapr3D gibt es außerdem zahlreiche Erklärvideos und Tutorials.

Wer kein Geld für CAD-Software ausgeben möchte, findet auch kostenlose Alternativen, beispielsweise FreeCAD. Und wer überhaupt nicht selbst konstruieren möchte, findet auf Thingiverse und ähnlichen Plattformen eine große Zahl fertiger Modelle, die direkt für den 3D-Druck verwendet werden können.

Schritt 2: Das richtige Filament

Hat man ein Modell, benötigt man noch das Material, aus dem es entstehen soll.

Bei einem klassischen FDM-3D-Drucker wie meinem Anycubic Vyper wird Kunststoff in Form eines sogenannten Filaments verwendet. Vereinfacht gesagt handelt es sich dabei um einen langen Kunststofffaden, der auf einer Spule aufgewickelt ist. Bei vielen 3D-Druckern für den Heimgebrauch hat dieses Filament einen Durchmesser von 1,75 Millimetern.

Es gibt zahlreiche unterschiedliche Kunststoffe mit jeweils anderen Eigenschaften. Am häufigsten verwende ich PLA und PETG.

PLA (Polylactide) lässt sich besonders einfach drucken. Es verzieht sich beim Abkühlen nur wenig und ermöglicht saubere Druckergebnisse. Deshalb eignet es sich sehr gut für den Einstieg sowie für Modelle und Bauteile, die keinen hohen mechanischen oder thermischen Belastungen ausgesetzt sind. PLA wird zudem meist aus nachwachsenden Rohstoffen hergestellt. Ausgangsstoff sind pflanzliche Zucker bzw. Stärke, beispielsweise aus Mais, Zuckerrohr oder Zuckerrüben, die zunächst zu Milchsäure fermentiert und anschließend zu Kunststoff weiterverarbeitet werden. PLA gilt daher als biobasierter Kunststoff. Zwar ist es grundsätzlich biologisch abbaubar bzw. kompostierbar, allerdings vor allem unter den hohen Temperaturen und kontrollierten Bedingungen industrieller Kompostieranlagen. Im heimischen Kompost oder in der freien Natur baut es sich dagegen nur sehr langsam ab.

PETG (Polyethylenterephthalat-Glykol) ist zäher und temperaturbeständiger und eignet sich deshalb häufig besser für funktionale Bauteile. Dafür neigt es beim Drucken etwas stärker zu kleinen Kunststofffäden zwischen einzelnen Bereichen, dem sogenannten Stringing. Auch Überhänge sind mit PETG häufig schwieriger sauber zu drucken (Prusa). PETG ist eine modifizierte Form von PET, wie es beispielsweise auch bei Getränkeflaschen verwendet wird. Im Gegensatz zu PLA wird PETG üblicherweise aus fossilen Rohstoffen hergestellt und ist nicht biologisch abbaubar oder kompostierbar. Es lässt sich grundsätzlich recyceln, allerdings können PETG-Druckreste nicht überall über die üblichen PET-Recyclingströme entsorgt werden.

Welches Material sinnvoll ist, hängt deshalb davon ab, was das Bauteil später aushalten muss. Ein Dekorationsobjekt im Wohnzimmer stellt andere Anforderungen als eine Halterung am Fahrrad oder ein Bauteil im Campervan.

Schritt 3: Aus dem Modell werden Druckbewegungen

Ein 3D-Drucker kann mit dem eigentlichen 3D-Modell zunächst noch nichts anfangen. Er muss stattdessen wissen, wohin sich der Druckkopf bewegen soll, wie schnell er fahren soll, wie viel Kunststoff dabei aus der Düse kommen muss und wann die nächste Schicht beginnt.

Diese Übersetzung übernimmt eine sogenannte Slicer-Software. Ich verwende dafür UltiMaker Cura, eine kostenlose Open-Source-Software.

Der Begriff Slicer kommt vom englischen slice, also Scheibe. Die Software zerlegt das dreidimensionale Modell in viele dünne horizontale Schichten. Aus diesen Schichten berechnet sie anschließend die Bewegungen, die der Drucker ausführen muss. Das Ergebnis ist in der Regel eine sogenannte G-Code-Datei.

Dabei kann man zahlreiche Parameter einstellen: die Schichthöhe, Druckgeschwindigkeit, Temperatur, Wandstärke oder auch wie stark ein Bauteil im Inneren ausgefüllt werden soll.

Denn ein 3D-gedrucktes Teil muss keineswegs komplett aus massivem Kunststoff bestehen. Häufig besteht die Außenwand aus mehreren festen Schichten, während das Innere nur mit einer gitterartigen Struktur, dem sogenannten Infill, gefüllt wird. Dadurch spart man Material, Gewicht und Druckzeit.

Schritt 4: Ab auf den Drucker

Ist das Modell gesliced, muss die erzeugte Datei auf den Drucker übertragen werden. Bei meinem Anycubic Vyper geschieht das beispielsweise über eine Speicherkarte. Neuere Drucker können Dateien häufig auch direkt über WLAN empfangen.

Anschließend wird das gewünschte Filament eingelegt und der Druck gestartet.

Im Druckkopf befindet sich eine beheizte Düse. Das Filament wird dort, abhängig vom verwendeten Kunststoff, typischerweise auf Temperaturen von ungefähr 200 bis 250 Grad Celsius erhitzt. Dadurch wird es weich genug, um durch die kleine Öffnung der Düse gepresst zu werden.

Die Düse trägt eine dünne Kunststoffbahn auf das Druckbett auf. Ist die erste Schicht fertig, bewegt sich der Druckkopf beziehungsweise das Druckbett um eine winzige Distanz in der Höhe weiter. Darauf wird die nächste Schicht gedruckt. Und dann die nächste usw..

So entsteht aus Hunderten oder Tausenden dünnen Kunststoffschichten langsam das fertige dreidimensionale Bauteil.Das erklärt auch, warum selbst relativ kleine Teile mehrere Stunden benötigen können. Der Drucker baut das Objekt tatsächlich Schicht für Schicht auf.

Das Problem mit Überhängen

Diese Arbeitsweise führt gleichzeitig zu einer der wichtigsten Einschränkungen des FDM-3D-Drucks: Der Drucker kann nicht einfach in die Luft drucken.

Jede neue Kunststoffschicht benötigt normalerweise zumindest teilweise Material unter sich, auf dem sie aufliegen kann.

Eine senkrechte Wand ist deshalb problemlos möglich. Auch schräge Flächen funktionieren bis zu einem gewissen Punkt gut. Wird eine Fläche jedoch zu stark nach außen geneigt oder beginnt ein Teil des Modells vollständig in der Luft, fehlt der nächsten Kunststoffschicht die notwendige Unterlage.

Als grobe Orientierung können viele FDM-Drucker Überhänge im Bereich von etwa 45 bis 60 Grad noch ohne zusätzliche Unterstützung drucken. Wie gut das funktioniert, hängt jedoch stark vom Drucker, dem Material, der Kühlung und den Einstellungen ab (Prusa).

Bei schwierigeren Überhängen kann der Slicer automatisch sogenannte Support-Strukturen erzeugen. Dabei wird unter dem eigentlichen Bauteil eine Art temporäres Kunststoffgerüst gedruckt. Nach dem Druck wird dieses wieder entfernt.

Bei eigenen Konstruktionen versuche ich deshalb schon während der Modellierung darauf zu achten, wie das Bauteil später auf dem Druckbett liegen wird. Manchmal reicht es bereits, ein Modell anders herum zu drucken oder eine Form leicht zu verändern, um große Mengen an Support zu vermeiden.

Gerade hier merkt man schnell: Gutes 3D-Design bedeutet nicht nur, dass ein Bauteil am Computer richtig aussieht. Man sollte bereits beim Konstruieren berücksichtigen, wie es später tatsächlich hergestellt wird.