3D-Druck beweglicher Objekte

Sogenannte Print-in-Place-Modelle (PIP) sind derzeit das Nonplusultra im 3D-Druck. Diese Objekte enthalten verschiedene Arten von Verbindungselementen, bewegliche Teile und Scharniere, die dazu führen, dass das fertige Objekt unter Umständen wesentlich größer als der eigentliche Druckbereich ist. Sharing-Plattformen wie Thingiverse und Youmagine zeigen eine Vielzahl an Designstrategien, die die Grenzen des Möglichen für mit Plastikdraht arbeitende 3D-Drucker für den Schreibtisch erkunden.

3D-Druck

Der Sammelbegriff 3D-Druck steht heute für ein ganzes Bündel von Fertigungstechniken, die nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren und sich jeweils nur für ganz bestimmte Materialien eignen. Ihr gemeinsamer Nenner: Alle Verfahren bauen dreidimensionale Objekte, indem sie Material in dünnen Schichten auftragen und verfestigen.

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In den letzten Jahren sind diese kleinen 3D-Drucker um ein Vielfaches besser geworden. Nicht jeder 3D-Drucker produziert jedoch das gleiche Ergebnis. Während Druckerhersteller in ihren Verkaufsbroschüren gerne die Schichtauflösung betonen, sagt die bloße Schichthöhe nur wenig über die Qualität eines PIP-Druckergebnisses aus. Wichtig ist zum Beispiel auch die Gesamtstabilität eines Druckers. Geräte, die zu viel Spiel haben, denen ein steifer Rahmen fehlt oder solche, bei denen der Zahnriemen oft nachgespannt werden muss, können für Probleme sorgen. Die unterschiedlichen Ergebnisse sind jedoch in erster Linie auf die verwendete Software zurückzuführen. Slicing-Programme erstellen nicht nur die digitalen Anweisungen für den 3D-Drucker, sondern sie interpretieren das Design. Und jede Anwendung nutzt dabei unterschiedliche Algorithmen.

Slicer haben ihre Eigenheiten. Manche sind darauf spezialisiert, Brücken zu drucken oder Stützstrukturen, die sich leicht entfernen lassen. Andere neigen dazu, unregelmäßige Oberflächen zu produzieren, unschöne Nähte oder sehr dünne Deckflächen. Individuelle Profile haben einen noch größeren Einfluss auf das Ergebnis, weil sie inhärente Probleme noch verstärken.

Viele solcher Abweichungen sind darauf zurückzuführen, dass es keinen Konstruktionsstandard gibt. Designer entwerfen individuelle PIP-Designs, die mit ihrem jeweiligen Drucker funktionieren. Durch Ausprobieren finden sie die richtigen Toleranzen für das eigene bevorzugte Druckermodell heraus. Jemand, der seinen Entwurf für einen MakerBot Replicator mit MakerWare optimiert, wird andere Richtlinien entwickeln als einer mit einem Ultimaker und der Slicing-Software Cura oder als ein anderer, der mit Slic3r und einem LulzBot arbeitet.

Wichtig ist das Design

Samuel N. Berniers Knickarmroboter (den wir in unserem Test verwendet haben) ist ein intelligentes, aber zugleich extremes Beispiel eines Print-in-Place-Designs. Die Einzelteile, aus denen die Gliedmaßen bestehen, haben einen Abstand von etwas mehr als 0,3 mm. Wenn ein Drucker diesen Abstand nicht genau drucken kann, werden die Verbindungen zusammenschmelzen. Die Arme haben einen Überhang von 65 Grad. Obwohl dieser durchaus im Bereich des Möglichen liegt, stellt er für viele Maschinen jedoch eine Herausforderung dar. Auch die sich um ein Scharnier drehenden Gliedmaßen sind schwierig. Diese werden mit kurzen Brücken hergestellt. Es ist kein Zufall, dass wir gerade solche Fähigkeiten und Eigenschaften in speziellen Testverfahren auf die Probe gestellt haben. Wenn ein Drucker nicht so konfiguriert ist, dass er makellose Brücken, glatte Überhänge, oder Teile in genau der richtigen Größe erstellen kann, hat er – wenn es um das Drucken eines PIP-Designs wie beim Roboter von LeFabShop geht – keine Chance. Bei unseren Tests gab es nur wenige Drucker, die diesen Entwurf mit den Standardeinstellungen des Herstellers fehlerfrei produzierten.

Wenn wir eine Zukunft wollen, in der unsere Wohnungen voll sind von Produkten aus dem 3D-Drucker, brauchen wir richtig gute Designs. Und dann geht es nicht nur um Ersatzteile, sondern um Produkte, in denen genau so viel Entwicklung steckt wie in denen, die im Laden im Regal stehen. Die besten und einzigartigsten dieser Designs werden komplexe Strukturen wie Überhänge und Brücken nutzen und so unsere Drucker bis an ihre Grenzen bringen. Darüber hinaus werden Verbraucher haargenaue Druckergebnisse per Knopfdruck erwarten. Die Bastelkultur und das ständige Finetuning der heutigen 3D-Szene wird die breite Masse nicht erreichen.

Die wachsende Vielfalt, sowohl im Bereich der Hardware als auch bei der Slicing-Software, steht im Widerspruch zum großen Ziel, bei (nahezu) alles aus dem 3D-Drucker kommt. Den Schlüssel zur Lösung bildet wahrscheinlich die Design-Software. Mit Programmen wie OpenSCAD, Autodesk Inventor und SolidWorks lassen sich parametrische Designs – also solche, die angepasst werden können – erstellen. Durch das Ändern der Werte für Elemente wie Spalttoleranz können Designer Varianten erstellen, die für verschiedene Drucker geeignet sind. Mittels Weboberflächen wie dem Thingiverse Customizer können Anwender bestimmte Designs zudem einfach selbst anpassen. Leider bieten nicht alle Programme und Workflows parametrische Modellierungsfunktionen.

Print-in-Place-Designs wie der Roboter von LeFabShop stellen unsere Annahmen auf die Probe. Für unser Testteam warfen die Ergebnisse des Print-in-Place-Tests mehr Fragen auf als sie beantworten konnten. Was genau erwarten wir von einem 3D-Drucker? Wird es eine Zeit geben, in der alle 3D-Drucker auf dem gleichen (hohen) Druckniveau funktionieren?

Klappt der Print-in-Place-Druck nicht wie gewünscht?

Hier folgen einige Tipps:

• Passe den z-Offset an. Wenn die Düse bei der ersten Schicht zu nah an der Plattform ist, werden die Verbindungen zusammenschmelzen.
• Passe den Durchmesser des Plastikdrahts (Filament) an. Wenn dein Filament dicker als der Standard ist, kann es sein, dass die Düse zu viel Plastik extrudiert. Miss dein Filament an verschiedenen Stellen mit einer Schieblehre und gib den Durchschnittswert in die Slicing-Software ein. Du kannst den Wert auch einfach um einige Zehntelmillimeter hochsetzen.
• Mache Testdrucke und führe eine Feinabstimmung eines Profils durch. Erstelle Testdrucke, mit denen du die problematischen Brücken oder Lochtoleranzen in den Griff bekommst und passe dein Profil an, bevor du dich an einen zeitaufwändigen Druck machst.
• Passe die Extrusionsbreite an. Wenn das Design mit einer bestimmten Wanddicke erstellt wurde, kannst du versuchen, die Extrusionsbreite entsprechend einzustellen. Die meisten Drucker haben eine Düsengröße zwischen 0,35 mm und 0,5 mm und die Standard-Extrusionsbreite ist unterschiedlich. Bei dünnwandigen Druckobjekten kann das durchaus Einfluss haben.
• Ist das Modell parametrisch? Wenn der Designer in seinem Objekt eine anpassbare Spalttoleranz vorgesehen hat, kann man damit experimentieren, bis man das gewünschte Ergebnis erreicht.

Mehr Infos

Dieser Artikel stammt aus Nummer 42 der US-Ausgabe der Make.

Übersetzung: Alexandra Kleijn

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