3D-Druck

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Druck der ersten Schicht

Der RUB-Makerspace wird zehn verschiedene 3D-Drucker zur Verfügung stellen, welche alle mit dem Fused Filament Fabrication Verfahren arbeiten. Grundsätzlich handelt es sich dabei um ein additives Fertigungsverfahren aus der Verfahrensfamilie der Extrusionsverfahren, mit dem das Werkstück schichtweise aus einem thermoplastischen Kunststoff generiert wird.
Die für den 3D-Druck verwendeten drahtförmigen Thermoplaste werden als Filament bezeichnet und in der Regel auf Rollen oder seltener in Kassetten gelagert bevor sie weiterverarbeitet werden. Das Filament wird dazu über einen Materialeinzug in den Druckkopf befördert, dort von einem Heizelement geschmolzen und über eine Düse, welche auch als Nozzle bezeichnet wird, strangförmig abgelegt. Das erhitzte Thermoplast schmilzt dabei die vorherige Schicht an und härtet anschließend aus, wobei die Stränge der Schichten eine Stoffschlüssige Verbindung eingehen. Die als G-code gespeicherten Schichtinformationen steuern die Wege, welchen der Druckkopf während der Extrusion folgt. Ist eine Schicht fertig senkt sich der Maschinentisch um eine Schichtdicke ab und der Prozess beginnt erneut. Bei überstehenden Bauteilregionen kann es vorkommen, dass die aufzutragende Schicht nicht auf einer vorherigen abgelegt werden kann. In solchen Fällen ist eine Stützkonstruktion erforderlich, welche entweder aus dem Druckmaterial selbst, oder einem leicht zu entfernendem Filament erzeugt wird. Um die 3D-Drucker im MakerForum zu nutzen, müsst ihr zum Einstieg einen Workshop bei uns absolvieren.

Prozesskette

1. CAD-Datenerzeugung
Bevor gedruckt werden kann ist es erforderlich ein CAD-Modell des Bauteils zu erzeugen oder aus freien Bibliotheken wie beispielsweise GrabCAD oder Thingiverse das gewünschte Modell herunterzuladen. Die Auswahl an CAD-Systemen zur Erstellung eigener Modelle ist so umfangreich, dass an dieser Stelle lediglich auf zwei kostenlos nutzbare Systeme eingegangen wird.

  • FreeCAD ist ein vollwertiges, quelloffenes 3D-CAD-System welches für diverse Linux Distributionen, Windows und Mac erhältlich ist. Es steht kommerzieller CAD-Software in nichts nach und stellt außerdem eine sehr gute Dokumentation in Form eines Wikis zur Verfügung.
  • Wer bisher noch nicht mit einem CAD-System gearbeitet hat, die Einarbeitung zu aufwendig findet und trotzdem "schnell mal" ein eigenes 3D-Modell erstellen will, sollte sich zunächst mit Tinkercad beschäftigen (Autodesk Account erforderlich). Es handelt sich dabei um eine browserbasierte Applikation, welche durch ihre simple Oberfläche sehr intuitiv zu bedienen ist. Neben einer Elektronik- und einer Codierungsanwendung stellt Tinkercad eine 3D-Entwurfsoberfläche zur Verfügung mit der sich eigene Modelle erstellen und in den Dateiformaten STL und OBJ exportieren lassen.

Ferner besteht die Möglichkeit des Reverse Engineering. Dazu stellt das MakerForum einen 3D-Streifenlichtscanner zur Verfügung mit dem ihr Objekte Scannen und zu CAD-Modellen verarbeiten könnt.
2. Datenvorbereitung
Da die CAD-Daten für 3D-Drucker kein Auswertbares Format darstellen, müssen diese mittels sogenannter Slicing Software für den Druck vorbereitet werden. Dazu zählt nicht nur das Konvertieren der CAD-Daten in einen G-code, sondern es müssen auch konstruktive und fertigungstechnische Merkmale des Bauteils für den Druck angepasst werden. Im Folgenden werden zwei der wichtigsten Einstellungen diskutiert.

  • Wie bereits beschrieben kann es erforderlich sein eine Stützkonstruktion für überstehende Bauteilregionen zu erzeugen. Zwar funktioniert dies innerhalb der meisten Slicer voll automatisch jedoch sollte die Praktikabilität der Stützkonstruktion genauer hinterfragt werden. Es gilt zu prüfen ob diese durch die Software richtig platziert ist und eine ausreichende Stabilität während des Drucks gewährleistet ist. Ferner sollte bereits im Vorfeld berücksichtigt werden, dass die Stützkonstruktion nach dem Druck entfernt werden muss und dementsprechend mit einem Werkzeug zugänglich sein sollte. Da die Stützkonstruktion stoffschlüssig mit dem Werkstück verbunden ist muss diese herausgebrochen werden und die Bruchstellen gegebenenfalls nachbearbeitet werden.
  • Geschlossenen Volumenkörpern wird durch die Software eine Füllstruktur zugewiesen, welche zum einen in ihrer Dichte und zum anderen in ihrer Geometrie anpassen werden kann. Bei der Auswahl einer geeigneten Struktur und Strukturdichte sollte berücksichtigt werden ob es sich um ein mechanisch beanspruchtes Bauteil oder ein reines Anschauungsobjekt handelt. So eignen sich beispielsweise Tetraeder oder kubische Strukturen gut für mechanisch beanspruchte Bauteile, da die isotropen Eigenschaften des Bauteils annähernd erhalten bleiben.

Ferner kann es aufgrund falsch gewählter Druckeinstellungen zu diversen Problemen kommen, welche an dieser Stelle jedoch nicht diskutiert werden. Lösungsansätze sind in einschlägigen Foren und auf den Websites der Hersteller zu finden. Damit ihr euch im Vorfeld informieren könnt findet ihr hier eine Liste der im MakerForum zur Verfügung stehenden Slicer.

3. Maschinenvorbereitung
Bevor nun der Druckauftrag an den 3D-Drucker übergeben werden kann, muss das Gerät mit dem gewünschten Filament geladen und auf seine Betriebsfähigkeit geprüft werden. Wie der jeweilige 3D-Drucker mit Filament geladen wird, ist der entsprechenden Betriebsanleitung des Gerätes zu entnehmen. Ferner ist dabei die Betriebsanweisung für das Arbeiten mit 3D-Druckern zu beachten. So muss das Gerät nach Gebrauch mindestens 30 Minuten abkühlen bevor es mit Filament geladen werden darf – Es besteht Verbrennungsgefahr. Die Betriebsfähigkeit ist vor jedem Druck mit einer Sichtprüfung des Elektroanschlusses zu verifizieren. Außerdem dürfen sich zu keinem Zeitpunkt Fremdkörper wie z.B. Werkzeuge im Bauraum des Druckers befinden. Wartungsarbeiten wie z.B. die Nivellierung des Druckbettes dürfen ausschließlich durch beauftragte und unterwiesene Personen durchgeführt werden.
4. Bauprozess
Der Bauprozess läuft wie bereits einleitend beschrieben auf Grundlage des Fused Filament Fabrication Verfahrens. Während des Drucks darf unter keinen Umständen in den Bauraum gegriffen werden – Es besteht Verbrennungs- und Quetschungsgefahr.
5. Bauteilentnahme und Postprocessing
Ist der Druckauftrag abgeschlossen muss das Gerät mindestens 5 Minuten abkühlen bevor das Bauteil entnommen werden darf. Beim Entnehmen des gedruckten Objekts scharfe Kanten beachten und ggf. Handschuhe und Schutzbrille als Schutz vor fliegenden Splittern tagen. Gleiches gilt für das Herausbrechen der Stützkonstruktion. Das verwendete Gerät und im Besonderen die Druckplatte sind nach Arbeitsende zu reinigen. Eine verdreckte Druckplatte kann zu einer schlechten Haftung der ersten Druckschicht an der Plattenoberfläche und somit zu Fehlern während des Drucks führen.
6. Nachbehandlung
Hat das Bauteil nach dem Druck noch nicht die gewünschten Eigenschaften kann es selbstverständlich entsprechend nachbearbeitet werden. Welche Maßnahmen Ihr Ergreifen könnt um die gewünschten Resultate zu erzielen bleibt euch dabei vollkommen selbst überlassen.

3D-Drucker

Zwar arbeiten alle bisher im MakerForum verfügbaren 3D-Drucker mit dem Fused Filament Fabrication Verfahren, jedoch unterscheiden sie sich in ihren Eigenschaften insoweit voneinander, dass für spezielle Anwendungsfälle nicht jedes Gerät infrage kommt. Im Folgenden findet ihr eine Liste der verfügbaren Geräte und ihrer wichtigsten Eigenschaften.

Modell Bauraum [mm] Filament Handbuch
Makerbot Replicator+
295 x 195 x 160 MakerBot PLA Filament MakerBot Replicator+ DE
MakerBot Replicator+ EN
Prusa Mini+
180 x 180 x 180 PLA, PETG, ASA, ABS, Flex Prusa Mini Guide DE
Prusa Mini Guide EN
Prusa MK3S
250 x 210 x 210 PLA, ABS, PET, HIPS, Flex PP, Ninjaflex, Laywood, Laybrick, Nylon, Bamboofill, Bronzefill, ASA, T-Glase, Carbon-fibers enhanced filaments, Polycarbonates Prusa MK3S Guides EN
Ultimaker 2+
223 x 223 x 205 PLA, ABS, CPE, CPE+, PC, Nylon, TPU 95A Ultimaker 2 DE
Ultimaker 2 EN
Ultimaker 3
215 x 215 x 300 PLA, ABS, CPE, CPE+, PC, Nylon, TPU 95A, PVA, PP, Breakaway Ultimaker 3 DE
Ultimaker 3 EN
Ultimaker S5
330 x 240 x 300 PLA, Tough PLA, Nylon, ABS, CPE, CPE+, PC, TPU 95A, PP, PVA, Breakaway Ultimaker S5 DE
Ultimaker S5 EN
Raise3D Pro2 Plus
305 x 305 x 605 PLA, ABS, HIPS, PC, TPU, TPE, Nylon, PETG, ASA, PP, Glass Fiber Filled, Carbon Fiber Enforced, Metal Particles Filled, Wood Filled Raise3D Pro2 Plus EN
Zortrax M200 Plus
200 x 200 x 180 PLA, ABS, CPE, CPE+, PC, Nylon, TPU 95A, PVA, PP, Breakaway Zortrax M200 Plus EN

Filament

Da die Auswahl an Filament ebenso umfangreich ist wie die Einsatzgebiete des 3D-Drucks selber, kann an dieser Stelle lediglich ein kleiner Überblick verschafft werden. Die verschiedenen Filamente weisen unterschiedlichste mechanische, physikalische, chemische und visuelle Merkmale auf und decken so ein großes Feld an Einsatzgebieten ab. Gewünschte mechanische Eigenschaften wie Festigkeit, Nachgiebigkeit und Dauerfestigkeit lassen sich zum einen durch die Wahl eines bestimmten Filament-Materials und zum anderen durch spezielle Carbon-Faserverstärkte Filamente realisieren. Neben den mechanischen Eigenschaften können Filamente noch weitere spezielle Eigenschaften aufweisen die allerdings nicht alle beschrieben werden können. Im Folgenden findet ihr einen kleinen Überblick.

  • Chemische Eigenschaften: Wasserlöslich, witterungsbeständig, biologisch abbaubar
  • Physikalische Eigenschaften: Elektrisch leitfähig, magnetisch
  • Visuelle Aspekte: Holzoptik, metallisch glänzende Optik, Keramik/Ton Optik, fluoreszierend, farbwechselnd (Temperaturbedingt)
Material Spezielle Eigenschaften Anwendung Festigkeit Flexibilität Langlebigkeit Druck Druck

Temperatur [°C]

Druckplatte

Temperatur [°C]

ABS

Acrylnitril-Butadien-Styrol

Stoßfest Visuelle und funktionelle Prototypen, Kleinserien Mittel Mittel Hoch Mittel 210 - 250 50 - 100
ASA

Acrylnitril-Styrol-Acrylat-Copolymer

Witterungsbeständig Outdoor Mittel Gering Hoch Mittel 240 - 260 100 - 120
CPE

Copolyester

Chemikalienbeständig Visuelle und funktionelle Prototypen, Kleinserien Hoch N/A N/A N/A N/A N/A
CPE+

Copolyester

Chemikalienbeständig, Temperaturbeständig bis 100°C Visuelle und funktionelle Prototypen, Klneinserien N/A N/A N/A N/A N/A N/A
HIPS

High Impact Polystyrene

Biologisch abbaubar Stützmaterial bei Druck mit ABS Gering Mittel Hoch Mittel 210 - 250 50 - 100
Nylon

Polyamid

Stoßfest, geringer Reibungskoeffizient, Korrosionsbeständig gegenüber Basen und organischen Chemikalien Funktionelle Prototypen, Werkzeuge, Industriemodelle Hoch Hoch Hoch Mittel 220 - 260 50 - 100
PC

Polycarbonat

Formstabil bis 110°C Beleuchtung, Formgüsse, technische Komponenten, Werkzeuge, funktionelle Prototypen und Kleinserien N/A N/A N/A N/A N/A N/A
PETG

Polyethylenterephthalat

N/A N/A Mittel Hoch Hoch Mittel 220 - 235 Keine beheizte Druckplatte nötig
PLA

Polylactid

Biologisch abbaubar, gute Oberflächenqualität Haushaltswerkzeuge, Spielzeug, Ausstellungsobjekte, Prototypen, Architekturmodelle, hochauflösende Teile Mittel Gering Mittel Leicht 180 - 230 Kein beheiztes Druckbett nötig
PP

Polypropylen

Chemikalienbeständig Funktionelle Prototypen, aktive Gelenke, Verbindungselemente, Laborgeräte, Verpackungen, Aufbewahrungskisten, Schutzabdeckungen Mittel Hoch Mittel Schwer 210 - 230 120 - 150
PVA

Polyvinylalkohol

Wasserlöslich, biologisch abbaubar, Ölresistent Stützmaterial bei Druck mit PLA oder ABS Hoch Gering Mittel Leicht 180 - 230 keine beheizte Druckplatte nötig
TPU

Thermoplastisches Polyurethan

Gummiartig Elastische Teile Gering Hoch Mittel Schwer 225 - 235 Keine beheizte Druckplatte nötig

Arbeitssicherheit

Gefahren für Mensch und Umwelt

  • Das Druckbett kann bis zu 140°C heiß werden – es besteht Verbrennungsgefahr.
  • Beim Hereingreifen in den Druckraum besteht die Gefahr der Quetschung.
  • Der Druckkopf erhitzt sich während des Druckvorgangs je nach Modell bis zu 300°C, was zu Verbrennungen führen kann.
  • Dämpfe von erwärmten ABS können zu Reizungen der Atemwege führen. Das Material darf daher nur in einem abgesaugten Drucker eingesetzt werden.
  • Schnittgefahr an scharfkantigen Drucken.

Schutzmaßnahmen und Verhaltensregeln

  • Die Benutzung des Druckers ist ausschließlich erst nach einer Unterweisung durch das MakerForum-Personal erlaubt.
  • Während des Betriebs nicht in den Druckraum greifen.
  • Druck nach dem Beenden 5 Minuten abkühlen lassen.
  • Den Druckkopf frühestens 30 Minuten nach Benutzung berühren/wechseln.
  • Beim Entnehmen des gedruckten Objekts scharfe Kanten beachten und ggf. Handschuhe und Schutzbrille als Schutz vor fliegenden Splittern tagen.
  • Das Filament/Material ABS darf ausschließlich in 3D-Druckern eingesetzt werden, die abgesaugt werden.

Verhalten bei Störungen und im Gefahrenfall

  • Bei Schäden an den 3D-Druckern oder der weiteren Schutzausrüstung das MakerForum
  • Unverzüglich das Personal informieren.
  • Schäden nur von Fachpersonal beseitigen lassen.

Erste Hilfe

  • Verletzte retten und Erste Hilfe leisten (z. B. Schockbekämpfung, Blutungen stillen)
  • Bei Stromunfall unter Selbstschutz die Anlage abschalten. Bei Atem- bzw. Herzstillstand Wiederbelebung einleiten.
  • Ersthelferin/Ersthelfer benachrichtigen. Unfallstelle sichern.
  • Unfall unverzüglich dem MakerForum-Personal melden.
  • Durchgangsarzt aufsuchen.
  • Achte darauf, dass über jede Erste Hilfeleistung Aufzeichnungen, z.B. in einem Verbandbuch, gemacht werden. Gegebenenfalls schriftliche Unfallmeldung durchführen.

Instandhaltung

  • Instandsetzung nur durch beauftragte und unterwiesene Personen.
  • Gerät nach Arbeitsende reinigen.
  • Es muss die Leichtgängigkeit der beweglichen und der feste Sitz der fest angebauten Teile kontrolliert werden.

Wichtige Namen und Telefonnummern

Verantwortliche: Susanne Schult Tel.: 0234/32-22924
Ersthelfer: Dirk W. Hansmeier Tel.: 0234/32-29541
Sicherheitsbeauftragte: Susanne Schult Tel.: 0234/32-22924

Melden eines Notfalls bzw. Brandes

  • Leitwarte intern benachrichtigen:

    23333

  • Leitwarte per Handy benachrichtigen:

    0234/32-23333

  • Wo? Universitätsforum, Raum UFO 01/10
  • Was?
  • Wer ruft an? Name und Telefonnummer
  • Angaben zu verletzten gefährdeten Personen, Hinweise auf besondere Gefährdungen.
  • Auf Rückfragen warten.
  • Ggf. Erste Hilfe leisten.

Weblinks

Hardware
www.youtube.com/Ultimaker3D
www.youtube.com/makerbot
www.youtube.com/ZortraXTV
www.youtube.com/Raise3D
www.youtube.com/prusajr

Software
www.freecadweb.org
www.freecadweb.org/wiki

Nützliches
www.tinkercad.com
www.grabcad.com
www.thingiverse.com
www.ultimaker.com/materials
www.ultimaker.com/tips-tricks
www.prusa.com/materials