Was ist ein 3D Drucker?
Du hast schon von 3D Druckern gehört und fragst Dich nun, wie funktioniert ein 3D Drucker eigentlich? Vielleicht hast Du schon einmal einen aus nächster Nähe sehen können, nur das Prinzip ist Dir noch nicht klar? Dann bist Du hier richtig, denn in diesem Beitrag möchte ich Dir möglichst einfach erklärt zeigen, wie ein 3D Drucker funktioniert.
Noch einmal kurz zum Einstieg: Ein 3D Drucker kann aus einem bestimmten Material ein reales Objekt erschaffen, z. B. eine Vase, ein Zahnrad, ein kleines Häuschen oder eine Tasse. Da gibt es beinahe keine Einschränkungen. Höchstens das verwendete Material und die Größe Deines Objekts setzen Dir Grenzen. Nachdem wir das noch einmal eben geklärt haben, sollten wir uns überlegen, woraus ein 3D Drucker besteht. Denn so können wir die Frage "Wie funktioniert ein 3D Drucker?" besser beantworten. Nun also zunächst zur Frage, woraus sich 3D Drucker zusammensetzen und wo die Unterschiede der verschiedenen 3D Drucker liegen. Die nachfolgende Beschreibung bezieht sich auf FDM 3D Drucker, die häufigsten 3D Drucker.
Komponenten Deines 3D Druckers
Die mechanischen Komponenten
Die Achsen
Um ein dreidimensionales Objekt drucken zu können, muss Dein 3D Drucker jeden Punkt in einem fest definierten dreidimensionalen Raum erreichen können. Dabei repräsentiert die x-Achse den Weg von links nach rechts. Die y-Achse repräsentiert den Weg von vorne nach hinten und die z-Achse den Weg von unten nach oben. Um zu den passenden Koordinaten zu gelangen, verfügt Dein 3D Drucker über starre Achsen, an denen sich der Druckkopf zur geeigneten Position bewegt. Der Antrieb erfolgt in X- und Y-Richtung mittels Zahnriemen und Schrittmotoren.
In z-Achse bewegt sich Dein 3D Drucker an einer Spindel, deren Gewindesteigung letztlich dafür verantwortlich ist, wie klein die Bewegungen in die Höhe werden können. Daraus ergeben sich auch Deine kleinstmöglichen Schichthöhen für Deinen 3D Druck. Zugleich befindet sich am Boden eine Druckplatte, auf der Dein 3D Druck beginnend mit der ersten Schicht aufbaut.
Filamentförderung
Um ausreichend Material zu fördern, verfügt Dein 3D Drucker über einen oder mehrere Feeder, meist als Extruder bezeichnet. Das sind Schrittmotoren mit einem angebauten Zahnrädchen, das Dein Filament bewegt. Meist liegt dem Zahnrädchen gegenüber ein Kugellager, das mit einer Feder Gegendruck an das Zahnrad ausübt. Höherwertige Komponenten nutzen dazu ein weiteres Zahnrad. Auf diese Weise wird das Filament in exakten Schritten vor und zurückbewegt.
Druckkopf
Am Druckkopf angekommen wird das Material aufgeschmolzen, um es mit einer Düse auf der Druckplatte auftragen zu können. Dein 3D Drucker verfügt dafür über einen oder mehrere Druckköpfe. Jeder Druckkopf erhält damit das zugeordnete Material durch den Feeder zugeschoben. Dies erfolgt manchmal direkt, ohne weiteres Schlauchstück. Dann heißt es Direktextruder oder direct drive. Wenn sich zwischen Feeder und Druckkopf ein Schlauchstück befindet, sprechen wir von einem Bowdensystem. Das Schlauchstück besteht dabei meist aus PTFE oder PFA und wird in Kupplungen oder Coupler eingesteckt, die den Schlauch (Bowden) festhalten.
Die elektronischen Komponenten
Dein 3D Drucker verfügt über ein Netzteil zur Stromversorgung sowie einer Hauptplatine zur Verarbeitung der Druckbefehle und der Ansteuerung der weiteren elektronischen Komponenten. Über ein Display kannst Du den Drucker steuern und den Druckfortschritt überwachen. Netzwerkanschlüsse über USB, LAN, oder WLAN ermöglichen Dir die Verbindung zu Deinem Computer. Über SD-Karten und USB-Sticks werden oftmals Druckaufträge eingelesen und vom Drucker gestartet.
Alle mechanischen Komponenten werden von Schrittmotoren angetrieben. Die Schrittmotoren besitzen über ihre Wicklung eine feste Schrittweite, die sie mit jedem Stromimpuls drehen. Über Anlegen der Spannung an bestimmten Anschlüssen kann sich der Motor durch die dadurch entstehende Polung gegenüber einem Magneten entweder in die eine oder andere Richtung drehen.
Verschiedene Bauarten
Bei 3D Druckern gibt es verschiedene Bauarten, wie der 3D Drucker aufgebaut ist. Sie lassen sich in kartesische Drucker und Delta-Drucker unterscheiden.
Kartesische Bauart
Bei der kartesischen Bauart hast du unabhängig voneinander bewegliche Achsen in X-, Y- und Z-Richtung. Dabei gibt es unterschiedliche Konzepte, wie sich Deine Achsen bewegen können. Alle diese Konzepte haben ihre Vor- und Nachteile. Lass uns kurz in die verschiedenen Konzepte abtauchen.
Prusa / Mendel Style
Diese Drucker haben einen festen Rahmen um die x-Achse herum, sodass es wie ein Fenster aussieht, wenn Du ihn von vorne betrachtest. Entlang der x-Achse bewegt sich der Druckkopf starr von links nach rechts und zurück. Die Bauplattform bewegt sich anhand der y-Achse nach hinten und vorne. Die z-Achse bewegt die x-Achse mit dem Druckkopf nach oben oder unten. Der Vorteil liegt in einer kostengünstigen und leichten Rahmenkonstruktion. Als Nachteil ergibt sich der im Verhältnis zur Bauplattform größere Platzbedarf nach vorne und hinten. Diese Bauform wirst Du vor allem im Einsteigersegment am häufigsten finden. Das prominenteste Beispiel ist der Prusa i3.
Ultimaker / Darwin Style
Bei diesem Typ 3D Drucker hast Du einen starren Außenrahmen des Druckers. Er sieht daher einem Würfel oder Quader ähnlich. Der Druckkopf kann sich durch seine Aufhängung auf zwei Achsen in X- und Y-Richtung frei bewegen. Dagegen ist die Bauplattform starr an der z-Achse aufgehängt und bewegt sich von oben nach unten. Der Vorteil liegt in der steiferen Gehäusekonstruktion, was höhere Druckgeschwindigkeiten ermöglicht. Der Nachteil ergibt sich aus höheren Kosten für die Gehäusekonstruktion und die schwierigere Zugänglichkeit zum Druckbett.
CoreXY und H-bot Style
Bei diesen 3D Druckern ist der Druckkopf auf einer starren x-Achse montiert, die sich nach vorne und hinten bewegen lässt. Das Druckbett ist jeweils starr und bewegt sich nur in der z-Achse. Bei Großraumdruckern kannst Du diesen Bautyp häufig antreffen.
Angetrieben werden CoreXY Drucker von zwei langen Zahnriemen, die beide am Druckkopf montiert sind. Dabei werden die x- und y-Achse von jeweils zwei Motoren angetrieben. Der Vorteil liegt in hohen Druckgeschwindigkeiten bei hoher Präzision. Als Nachteil kann die größere Anzahl an Antriebskomponenten genannt werden.
H-bot 3D Drucker sind den CoreXY 3D Druckern sehr ähnlich. Jedoch kommt für die x- und y-Achse jeweils nur ein Motor zum Einsatz. Verwendet wird ein langer Zahnriemen, der den kompletten Drucker und den Weg zum Druckkopf umläuft. Dieser Zahnriemen ist nur an einer Seite des Druckkopfs fest angebracht. An der gegenüberliegenden Seite läuft er frei durch den Druckkopf. H-bot Systeme zeichnen sich durch hohe Präzision aus und kommen mit weniger Antriebskomponenten als CoreXY 3D Drucker aus. Für gute Ergebnisse müssen diese Drucker aber perfekt ausgerichtet sein und Du musst ein Auge auf das Drehmoment der Motoren haben.
Delta Bauart
Bei der Deltabauart hast Du ebenfalls ein starres Druckbett, doch diesmal kann es nicht bewegt werden. Stattdessen wird der Druckkopf anhand von drei z-Achsen an denen er mit Stangen befestigt ist von unten nach oben und in alle X- und Y-Richtungen bewegt. Die X- und Y-Bewegungen werden durch ein unterschiedlich starkes Anheben der verschiedenen z-Achsen erreicht. Delta Drucker haben aufgrund Ihrer Bewegungsabläufe stets runde Druckbetten. Für viereckige Bauteile verlierst Du also Druckraum im Vergleich zu den anderen Drucksystemen. Runde Objekte können den Raum dagegen perfekt ausnützen. Vorteile dieses Systems liegen in hohen Druckgeschwindigkeiten und im Vergleich höheren Bauräumen. Die Nachteile liegen in der komplizierteren Steuerung und Ausrichtung, weshalb diese 3D Drucker gerade für Anfänger oft eine Herausforderung sind.
Wie arbeiten die Komponenten des 3D Druckers zusammen?
Die Steuerung
Die Hauptplatine ist das zentrale Herzstück Deines 3D Druckers. Über sie werden alle Steuersignale an die übrigen elektronischen Komponenten geleitet. Die Steuerungsbefehle wiederum sind im Gcode hinterlegt. Du hast sie zuvor in Deinem Slicer aufgrund Deiner Parameter aus 3D Drucker, Bauteil und Druckeinstellungen festgelegt. Die Hauptplatine übersetzt diese Befehle und schickt die entsprechenden Signale weiter. So können sich zugleich die Achsen und der Feeder bewegen, während über das Heizkabel die Temperatur erzeugt wird und über den Temperatursensor gemessen wird. Auf diese Weise kann zur richtigen Zeit am richtigen Ort Material aufgetragen werden.
Die Achsen
Wie zuvor beschrieben, sind Deine Achsen beweglich. So können Sie über Zahnriemen und Spindeln und angetrieben von Schrittmotoren Deinen Druckkopf und/oder das Druckbett an die benötigte Stelle bewegen. Von der Auswahl der verwendeten Komponenten hängt dabei ab, wie exakt die Bewegungen erfolgen können. Das beeinflusst dann auch Deine Druckauflösung. Meist kommen bei den Motoren Nema17 Schrittmotoren zum Einsatz. In der Regel haben diese eine Schrittweite von 1,8° Grad. So lassen sich mit einer Motorumdrehung 200 exakte Schritte erzeugen. Höherwertige Motoren haben eine Schrittweite von 0,9° Grad, wodurch sie mit einer Motorumdrehung doppelt so viele Schritte abbilden. Mit jedem Schritt übersetzt durch Zahnriemenscheiben und übertragen auf Zahnriemen bewegt sich Deine Achse um ein Stück. Die z-Spindel und der Feeder werden meist direkt angetrieben.
Der Druckkopf
Über den Feeder wird das Material in Deinen Druckkopf gefördert. Dieser besteht meist aus einem Kühlkörper und einem Heizblock, die über ein Röhrchen - die Hitzebremse (heat break) - verschraubt werden. In den Heizblock werden zudem die Düse, der Temperatursensor und das Heizkabel eingesetzt. Der Kühlkörper sorgt zusammen mit der Hitzebremse dafür, dass überschüssige Wärme nicht nach oben steigt und das Filament zu früh erweicht. Im Heizkörper wird die nötige Hitze erzeugt und gehalten, um das Filament auf einen bestimmten Temperaturbereich aufzuheizen. Denn nur innerhalb dieses Temperaturbereichs kannst Du das Filament auftragen.
Am Druckkopf befinden sich meistens ein oder mehrere Lüfter. Die Lüfter führen Abwärme vom Kühlkörper und kühlen je nach Bedarf den aufgetragenen Kunststoff ab. Über die Bauteilkühlung erreichst Du geeignete Druckergebnisse für Deinen 3D Druck. Die Einheit aus Feeder und Druckkopf ist der Extruder Deines 3D Druckers. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich jedoch Extruder als Bezeichnung für die Fördereinheit durchgesetzt.
Wie funktioniert der 3D Drucker
Nachdem wir nun alles über die Komponenten gelernt haben, greifen wir noch einmal unsere Eingangsfrage auf. Wie funktioniert ein 3D Drucker?
Du benötigst eine 3D Zeichnung
Als Basis für Deinen 3D Druck benötigst Du eine dreidimensionale Zeichnung. Diese findest Du zum Teil kostenlos oder kostenpflichtig im Internet. Idealerweise lernst Du darüber hinaus das Zeichnen. So kannst Du mit eigenen Entwürfen völlig individuelle 3D Drucke erzeugen, die genau auf Deinen Bedarf zugeschnitten sind. Jetzt benötigst Du noch einen 3D Drucker und eine Slicing Software.
Du benötigst einen 3D Drucker
Die Wahl Deines 3D Druckers solltest Du nach oben genannten Vor- und Nachteilen der unterschiedlichen Bautypen eingrenzen. Im weiteren Schritt solltest Du Dir überlegen, wie viel Dein 3D Drucker kosten darf. Als Faustformel darf hier gelten, wer billig kauft, kauft teuer. Denn je weniger der 3D Drucker kostet, desto geringwertiger sind seine Komponenten und desto schlechter sind Deine Druckergebnisse. Achte also darauf, was Dir wirklich wichtig ist, bevor Du Dich entscheidest.
Du benötigst eine Slicer Software
Slicer für Deinen 3D Drucker gibt es kostenlos und kostenpflichtig am Markt. Je nach Hersteller des 3D Druckers verwenden diese auch eigene Software, die speziell auf deren 3D Drucker zugeschnitten sind. Jeder Software gleich ist, dass Sie Dein 3D Modell in einzelne Scheiben schneidet, welche dann die Druckbahnen Deines 3D Druckers sind. Je nachdem, welche Software Du verwendest, stehen Dir verschiedene Optionen für Auswahl von bereits definierten 3D Druckern, bereits definierten Materialien und unterschiedlichen Druckparametern. Nicht selten verwenden Nutzer mehr als einen Slicer, je nachdem welche Anforderungen sie an das vorliegende Bauteil haben. Es gibt also nicht per se eine richtige Software. Es kommt vielmehr auf Deine Bedürfnisse an. Vergleiche daher unterschiedliche Software auf Deine Bedürfnisse und wähle die für Dich passendste(n).
Du benötigst geeignetes Material
Wenn die Zeichnung fertig ist und das Slicing erledigt ist, braucht Dein 3D Drucker noch das passende Filament. Die Einstellungen für Drucktemperatur, Druckbetttemperatur und Bauteilkühlung entnimmst Du den Angaben des Filamentherstellers und übernimmst sie im Slicer. Bei der Materialwahl orientierst Du Dich an den Anforderungen, die Dein fertiges Bauteil am Ende erfüllen soll. Stimmen geslicte Materialparameter und eingesetztes Material im Drucker überein, kannst Du mit Deinem 3D Druck beginnen.
Du übergibst den Druckauftrag
Alles ist bereit für den 3D Druck. Das wichtigste wird der Erfolg Deiner ersten Druckschicht sein. Achte also darauf, dass Dein Druckbett korrekt ausgerichtet ist, bevor Du startest. Dein Drucker benötigt nun den Druckauftrag aus dem Slicer. Das ist eine Gcode Datei, die Du wahlweise nach Druckerausstattung über USB, LAN oder WLAN an den Drucker sendest. Kann der Drucker den so erhaltenen Druckauftrag nicht lokal zwischenspeichern, solltest Du vorzugsweise Deinen Gcode über SD-Karte oder USB-Stick an den 3D Drucker übergeben. So vermeidest Du Druckabbrüche aufgrund eines Übertragungsfehlers.
Du startest und überwachst Deinen 3D Druck
Jetzt, da der Drucker seinen Druckbefehl erhalten hat und nach dem Aufheizen seine Arbeit aufnimmt, solltest Du Dir die Zeit nehmen, den Fortschritt der ersten Schicht zu beobachten. Viel hängt davon ab, ob diese gelingt. Sollte es bei dieser ersten Schicht zu Problemen kommen, prüfe nochmals die Einstellungen im Slicer und die Ausrichtung Deines Druckbetts. Erst nach der gelungenen ersten Schicht kannst Du Deinen 3D Drucker alleine arbeiten lassen. Werfe dennoch von Zeit zu Zeit einen Blick darauf, für den Fall, dass während des Druckfortschritts Fehler auftreten, die Dein Eingreifen erfordern.
Wie Du am besten lernst, wie ein 3D Drucker funktioniert
Du willst ganz tief in die Materie eindringen, wie ein 3D Drucker funktioniert? Dann macht es am meisten Sinn, Du baust Dir von Grund auf einen eigenen 3D Drucker zusammen. Eine gute Quelle für alle Fragen zu einem 3D Drucker Selbstbau findest Du z. B. im deutschen RepRap Forum. Sei Dir dabei bewusst, dass Du einiges an Zeit aufbringen wirst, um Deinen Wunsch-3D-Drucker zu bauen. Insbesondere bei der Verwendung hochwertiger Komponenten wirst Du mehr Geld investieren, als bei manch fertigem 3D Drucker am Markt.
Alternativ dazu kannst Du Dir auch einen Bausatz eines 3D Drucker Herstellers kaufen. Dein Vorteil, Du benötigst weniger Zeit für Recherchen und erhältst alle Komponenten fix und fertig zum Aufbau. Damit lernst Du bereits eine ganze Menge zur Mechanik und der Verkabelung des 3D Druckers.
Einfacher ist es natürlich, Du kaufst Dir ein Fertiggerät und investierst die Zeit in die Anwendung des 3D Druckers. Damit sparst Du Zeit und Mühe und den ersten Überblick hat Dir bereits dieser Artikel vermittelt. Wie auch immer Du Dich entscheidest, mit Deinem Interesse für 3D Druck eröffnen sich für Dich neue Welten. Ich wünsche Dir viel Spaß beim Abenteuer 3D Druck.