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Wie nähert man sich praktisch einem ersten 3D-Druckprojekt? Dieser Artikel verfolgt an einem Beispiel alle Schritte von der Idee bis zum fertigen Objekt.

Ausgangspunkt für ein 3D-Druckprojekt ist die Idee für ein Objekt, das man drucken möchte. Und woher kommt eine solche Idee? Die einfachste Lösung wäre, etwas Vorhandenes zu nehmen. Es gibt etliche Internet-Plattformen, die fertige 3D-Modelle sammeln, darunter MyMiniFactory [1], Thingiverse [2] oder auch eine spezielle Webseite der NASA [3]. Von diesen Seiten kann man 3D-Modelle für den Druck herunterladen, teilweise lassen sich dort auch selbstentwickelte 3D-Modelle für die Community veröffentlichen.

Eigene Modelle

Ein weiterer Ansatz wäre, Objekte der wirklichen Welt zu scannen und so ein 3D-Modell zu erhalten. Für den Hobbybereich bietet sich beispielsweise die Fotogrammetrie an. Dabei fotografiert man das Objekt aus verschiedenen Perspektiven von allen vier Seiten und von oben. So erhält man 50 oder mehr Fotos, die man dann per Software in ein 3D-Modell umwandeln kann. Einen Überblick über mögliche Software für diesen Zweck bietet 3DNatives [4]; darunter finden sich auch Open-Source-Programme.

Eine dritte Möglichkeit besteht darin, ein Modell direkt zu entwerfen und dann diesen Entwurf auszudrucken. Dieser Artikel demonstriert diese Herangehensweise an einem kunsthandwerklichen Objekt, nämlich einem Paar Ohrringe. Deren Form wird zunächst mit Bleistift auf Papier skizziert (Abbildung 1). Man erkennt zwei ineinander geschobene Rechtecke. Im nächsten Schritt gilt es, diese Projektidee in ein 3D-Modell zu übertragen.

Abbildung 1: Manuelle Skizze des geplanten Ohrrings.

Ein 3D-Modell erstellen

Es gibt eine Reihe von Programmen, die den Anwender dabei unterstützen, ein 3D-Modell zu entwerfen. Unter Linux eignet sich beispielsweise Blender [5]. Eigentlich wurde es entwickelt, um 3D-Szenen zu erstellen, Videos zu rendern oder 3D-Modelle für Computerspiele zu entwickeln. Die Software steht unter einer Open-Source-Lizenz und ist kostenfrei zu haben. Seine besonderen Stärken spielt Blender aus, wenn es um organische Formen geht.

Da es sich bei dem oben skizzierten Ohrring aber eher um eine geometrische Figur handelt, eignet sich das Programm Sketchup Free besser. Die browserbasierte Lösung lässt sich beispielsweise in der Architektur einsetzen. Ruft man das Programm über die URL https://www.sketchup.com/de auf, zeigt es die Startseite aus Abbildung 2.

Abbildung 2: Die Startseite von Sketchup Free.

Man klickt nun auf SketchUp ausprobieren, wählt die Kategorie Privat und richtet, falls noch nicht geschehen, ein Konto ein. Danach ist noch ein Formular auszufüllen, und schon landet der Anwender auf der Seite, die Abbildung 3 zeigt.

Abbildung 3: Die Design-Seite von Sketchup Free.

Die gezeigte Dame soll nicht gedruckt werden, also entfernt man sie nach einem Klick auf die Figur mit [Entf] aus dem Arbeitsbereich. Danach legt der angehende Modelleur mithilfe des Menüs oben links unter App-Einstellungen fest, dass er Maße in Millimetern verwenden will (Regional/Einfache Vorlage — Millimeter).

Die Werkzeugleiste auf der linken Seite des Bildschirms enthält einige Tools, die beim Konstruieren helfen. Um die Grundform des Ohrrings zu erhalten (es genügt, nur einen zu designen, später werden dann auf Basis dieses 3D-Modells zwei Objekte gedruckt), klickt der Anwender das Rechtecksymbol an und wählt aus dem aufpoppenden Menü wieder Rechteck.

Damit lässt sich nun ein Viereck auf der Grundfläche zeichnen. Die gewünschten Abmessungen von 40 x 40 Millimetern lassen sich vorgeben, die Software passt das Rechteck daraufhin entsprechend an. Im nächsten Schritt hebt der Designer mit dem Werkzeug Drücken/Ziehen einen 5 Millimeter hohen Bereich aus dem Rechteck heraus, sodass ein Quader entsteht (Abbildung 4).

Abbildung 4: Durch Herausheben eines Bereichs wird aus dem Rechteck ein Quader.

Um die erste Form des Ohrrings entstehen zu lassen, legt der Designer mit dem Maßband-Tool an den Rändern des Quaders im Abstand von 5 Millimetern zu den Ecken Messpunkte an. Die lassen sich dann mithilfe des Linien-Werkzeugs verbinden. Es entsteht ein kleineres Rechteck auf der Oberfläche des Quaders. An dessen Ecken überstehende Linien löscht der Radiergummi. Das Ergebnis zeigt Abbildung 5.

Abbildung 5: Auf dem Quader zeichnet der Designer ein Hilfsrechteck ein.

Um nun die skizzierte Grundform des Ohrrings zu erhalten, senkt man die Fläche des eingeschlossenen, kleineren Rechtecks ab und entfernt sie aus dem 3D-Modell. Hier kommt das schon bekannte Werkzeug Drücken/Ziehen zum Zug. Das innere Rechteck wird ein wenig hineingedrückt, dann gibt man 5 mm ein, woraufhin es verschwindet. Nach dem gerade beschriebenen Prinzip erzeugt der Modelleur jetzt eine weitere Figur, die die Außenmaße 25 x 25 Millimeter hat. Zieht der er nun um diesen Entwurf einen Rahmen mit dem Zeiger-Tool, stellt die Software sämtliche Flächen der kleinen Figur gepunktet dar. Das Werkzeug Verschieben verlagert die kleine Figur anschließend in die große. Das Ergebnis zeigt Abbildung 6.

Abbildung 6: Die kleinere Figur wird in die größere Figur geschoben.

Als Letztes gilt es nun noch, die Öse in den Ohrring zu integrieren. Dabei hilft das Werkzeug Rechteck/Kreis. Zunächst benötigt man einen Mittelpunkt für den Kreis. Dazu zeichnet man mit dem Maßband an der oberen Ecke des Ohrrings zwei Messpunkte ein, die jeweils 2,5 Millimeter vom Rand entfernt liegen. Nun lässt sich mit dem Kreis-Werkzeug ein Kreis mit einem Radius von 2 Millimetern auf den sich ergebenden Mittelpunkt in der Ecke der Konstruktion zeichnen. Im Anschluss löscht der Designer die Hilfslinien mit dem Radiergummi wieder. Das Drücken/Ziehen-Tool senkt dann die Öse wie gehabt ab. Damit ist das 3D-Modell des Ohrrings fertig (Abbildung 7).

Abbildung 7: Den Kreis absenken und entfernen.

Der Anwender speichert jetzt das 3D-Modell, indem er oben aufSpeichern klickt und als Name “Ohrring” eingibt. Schließlich exportiert er das 3D-Modell und wählt dabei als Dateiform STL. Anschließend lässt sich die Datei »Ohrring.stl« herunterladen. Damit liegt das 3D-Modell in einer Form vor, mit der sich weiterarbeiten lässt, und der Anwender kann das Programm via Startseite | Konto |Abmelden verlassen. Im nächsten Schritt gilt es, aus der Datei »Ohrring.stl« ein Dateiformat zu generieren, das den Ausdruck des Modells mit einem 3D-Drucker erlaubt.

Slicen des 3D-Modells

Das englische Verb “to slice” bedeutet unter anderem “in Scheiben schneiden”. Ein Slicer-Programm wandelt die STL-Datei in eine GCODE-Datei um, die das 3D-Modell in Schichten aufteilt, die der 3D-Drucker später abfährt.

In der Praxis hat sich mit Cura von Ultimaker [6] ein Quasistandard herausgebildet. Das Programm gibt es in Versionen für Linux, MacOS und Windows. Es kommt im Folgenden zum Zug, um das 3D-Modell weiterzubearbeiten. Alternativ könnte man auch das Slicer-Programm verwenden, das mit dem eigenen 3D-Drucker geliefert wurde. Der Autor dieses Artikels besitzt beispielsweise einen RF 1000 von Renkforce, zu dem das Slicer-Programm Renkforce Repetier-Host gehört.

Nach dem Start von Cura ergibt sich das Bild der Abbildung 8. Als Erstes gilt es, den verwendeten Drucker einzustellen. Das geschieht über den zweiten Schalter in der Menüleiste. Nach einem Klick auf das Kombinationsfeld und dann auf Drucker hinzufügen erscheint ein Fenster, in dem man durch einen Klick den eigenen Drucker auswählt.

Abbildung 8: Das Startfenster des Slicer-Programms Cura.

Erscheint das verwendete Modell hier nicht, wählt man ein ähnliches. Da der Autor die Ohrringe auf einem RF 1000 druckt, den Cura nicht aufführt, wählt er hier den Ultimaker 2+. Im Kombinationsfeld daneben gilt es, das Druckmaterial sowie eventuell den Durchmesser der Druckdüse einzustellen. Im konkreten Beispiel sollen die Ohrringe mit dem Filament PLA gedruckt werden.

Nun sind im rechten Fenster noch einige Einstellungen zum Profil zu machen. Ein Klick auf den Menüpunkt Alle Einstellungen anzeigen führt sämtliche Druckparameter auf. Da sich 3D-Drucker stark unterscheiden, kann die Tabelle 1 nur beispielhaft einige Parameter zeigen, die für den hier verwendeten 3D-Drucker RF 1000 gelten.

Für welches Filament man sich entscheidet, hängt vom auszudruckenden Modell und vom verwendeten 3D-Drucker ab. Bei Druckern ohne Druckbettheizung kommt eigentlich nur PLA infrage. Bei Druckern mit Druckbettheizung kann man zwischen verschiedenen Kunststoffen wählen. Die Höhe der einzelnen Schichten hängt davon ab, wie detailliert der Druck ausfallen soll. Wählt man 0,1 Millimeter Schichtdicke, entsteht eine feinere Struktur.

Als Infill bezeichnet man die zu druckende innere Struktur des 3D-Objekts. Üblicherweise lässt man eine Kästchenstruktur drucken, deren Dichte zwischen 15 und 20 Prozent liegt. Eine solch lockere Struktur im Inneren des Objekts eignet sich deshalb besonders gut, weil sie sowohl Material spart als auch das Modell weniger schwer werden lässt.

Stützstrukturen, das sogenannte Support-Material, muss man generieren, wenn der 3D-Drucker sonst Teile des Objekts in die Luft drucken würde – was er natürlich nicht kann. Daher erzeugt ein Slicer-Programm bei solchen Passagen automatisch Stützstrukturen, die man nach dem Druck mit den Fingern oder einem Modellierwerkzeug aus dem Objekt entfernt. Die hier vorgestellten Ohrringe weisen allerdings keine Teile auf, die man durch Stützstrukturen auffangen müsste.

Die Parameter Print Speed (Druckgeschwindigkeit) und Travel Speed (Reisegeschwindigkeit des Druckkopfes) werden auch vom verwendeten 3D-Drucker beeinflusst. Der Durchmesser des verwendeten Filaments muss gesondert angegeben werden. Die Temperatur des Extruders wiederum hängt vom verwendeten Filament ab. Die empfohlene Temperatur des Extruders (Druckkopf) steht meistens auf der Verpackung des Filaments. Wenn der 3D-Drucker über ein beheiztes Druckbett verfügt, lässt sich auch dessen Temperatur einstellen. Sie hängt vom verwendeten Filament ab und steht zumeist auf der Verpackung der Filamentspule.

Lädt man nun das 3D-Modell in das Programm Cura, sieht man zunächst noch gar nichts: Die metrischen Angaben der Programme Sketchup Free und Cura passen nicht zusammen. Daher muss man mit der mittleren Maustaste das 3D-Modell heranzoomen, anklicken und dann vergrößern. Mit den angezeigten Pfeilen kann man es auf dem virtuellen Druckbett bewegen.

Am linken Fensterrand erscheinen einige Tools. Wählt man hier Skalieren und gibt als Faktor 2000 Prozent ein, erscheint der Ohrring auf dem Druckbett. Nun kann man sich grundsätzlich entscheiden, wie groß das Objekt später werden soll. Anschließend schiebt man mit dem Bewegen-Werkzeug den Ohrring zur Seite und lädt das 3D-Modell ein zweites Mal – es sollen ja zwei Ohrringe entstehen. Auch dieses Modell skaliert man wieder auf 2000 Prozent (Abbildung 9).

Abbildung 9: Beide Ohrringe sind skaliert und auf dem virtuellen Druckbett platziert.

In einem Fenster unten rechts lassen sich die erwartete Druckzeit sowie die nötige Menge und die Länge des PLA-Strangs ablesen. Über Speichern in Datei sichert man den Bearbeitungsstand in die GCODE-Datei »UM2_Ohrring.gcode«, die später für den Druck zum Einsatz kommt.

Wer auf Vorschau klickt, sieht im Bild, wie der 3D-Drucker die Objekte später drucken wird. Man erkennt eine Manschette, die das jeweilige Modell umgibt. Sie soll beim Druck für mehr Stabilität sorgen und wird hinther von den Objekten entfernt. Außerdem gibt es in der Mitte des Fensters einen Slider, den man nach links bewegen kann. Dann sieht man, wie der Druckkopf sich über die Objekte bewegt und diese langsam erzeugt beziehungsweise abbaut.

Drucken der Objekte

Bevor es jetzt es an den eigentlichen Druck gehen kann, muss man den 3D-Drucker vorbereiten. Zunächst speichert man die GCODE-Datei auf die zum 3D-Drucker gehörende SD-Karte und setzt sie in den 3D-Drucker ein.

Es ist besser, sich für einen 3D-Drucker zu entscheiden, der einen SD-Kartenleser hat. Sonst müsste man den 3D-Drucker per USB-Kabel über den eigenen Computer anzusteuern. Das hat mehrere Nachteile: Erstens kann man während des Drucks nicht voll über den Rechner verfügen, zweitens würde ein Programmabbruch des Steuerprogramms den Druck verderben. Große, komplexe Objekte benötigen oft 6 bis 10 Stunden Druckzeit.

Als Nächstes legt man eine geeignete Filamentspule ein. Es hat sich bewährt, nach dem Druck die verwendete Filamentspule aus dem 3D-Drucker zu nehmen, da der Kunststoff mit der Zeit die Luftfeuchtigkeit aufnimmt. Der Material-Feeder kann ihn dann nicht mehr korrekt transportieren. Nach dem Einlegen des Filaments lässt man ein wenig extrudieren, damit es wirklich bündig in der Druckdüse sitzt.

Ein gängiger Trick ist es, das Druckbett immer mit einem Pritt-Stift einzustreichen, auch bei einem beheizbaren Druckbett. Der Klebestift hat sich beim Autor dieses Artikels bewährt; der Leim lässt sich nach dem Druck mit einem Schwamm und etwas Spülmittel gut abwaschen.

Weiterhin sollte man vor dem Druck Druckbett und Druckdüse auf die Solltemperatur bringen und mindestens 10 Minuten warten, bis beide voll durchgeheizt sind. Vor allem durch das Druckbett läuft zumeist eine Heizschlange, die der 3D-Drucker vorab oft nur unzureichend erwärmt. Auf der Verpackung des im Beispiel verwendeten PLA-Filaments nennt als Druckbetttemperatur 60 Grad Celsius, als Temperatur für die Druckdüse 230 Grad Celsius.

Nun geht es endlich an den eigentlichen Druck, bei dem der 3D-Drucker alle Schritte automatisch abspult. Wer will, kann dem nicht wirklich spannenden Prozess zusehen. Das Haus verlassen sollte man währenddessen aber auf keinen Fall. Manchmal löst sich das Objekt während des Drucks vom Druckbett, was einen sofortigen Stopp erfordert, um sonst möglichen Defekten an der Hardware vorzubeugen. Man behält den Prozess also besser im Auge und schaut regelmäßig vorbei – alles andere wäre fahrlässig. Während des Drucks kann man übrigens schön das innen befindliche, vom Slicer-Programm erzeugte Kästchenmuster des Infills erkennen. Die blaue Farbe in Abbildung 10 folgt aus der Tatsache, dass der Innenraum des 3D-Druckers des Autors mit zwei blauen LED-Bändern beleuchtet wird.

Abbildung 10: Gut sichtbar: das Kästchenmuster zum Ausfüllen des Objekts.

Nach Abschluss des Drucks kann man das Objekt aus dem 3D-Drucker entfernen. Dabei sollte man beheizbare Druckbetten zunächst etwas abkühlen lassen. Der verwendete Kunststoff sowie das Druckbett haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten, sodass sich das Objekt nach dem Druck leicht entfernen lässt. Haftet es dennoch am Druckbett, hilft eine Rasierklinge.

Nach dem Druck steht noch Nacharbeit an. Als Erstes gilt es, die mitgedruckten Manschetten zu entfernen. Für schwierige Stellen hat sich ein Modellierwerkzeug bewährt. Die an den Objekten nach dem Entfernen der Manschetten zumeist verbleibenden scharfen Kanten glättet man mit einer Einmalfeile aus dem Drogeriemarkt. Die Kunststoffreste muss man ordnungsgemäß entsorgen, zum Beispiel bei der Kunststoffsammelstelle des nächsten Supermarkts.

Schließlich kann der Schmuckdesigner auch noch Farbe verwenden, um die Ohrringe weiter aufzuhübschen. Dazu bietet sich eine goldene Sprühfarbe aus einem gut sortierten Baumarkt an. Zu guter Letzt gilt es, noch jeweils einen Halter einzubauen, damit sich die Ohrringe auch tragen lassen (Abbildung 11).

Abbildung 11: Die finalisierten Ohrringe sind endlich fertig.

Fazit

Das kleine Beispielprojekt hat gezeigt, welches Potenzial in einem 3D-Drucker steckt: Den eigenen kreativen Ideen sind damit im Grunde keine Grenzen gesetzt – ob mit Modellen aus dem Internet, gescannten Vorlagen oder selbstentwickelten 3D-Objekten. Die Ergebnisse fallen oft beeindruckend aus, und das Hobby belohnt mit immer neuen Erfolgserlebnissen. (jcb/jlu)