c't 3003: Warum man einen 3D-Drucker zuhause haben sollte (und warum nicht)

3D-Drucker gelten nach wie vor als Exoten-Werkzeug. Sind die Geräte inzwischen alltagstauglichkeit?

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Transkript des Videos:

In diesem Video klären wir die Frage, ob 3D-Drucker inzwischen wirklich alltagstauglich sind. Und was die inzwischen so können. Und wie teuer die sind. Und wir haben uns nicht einfach irgendwelche Anwendungsbeispiele zurechtgelegt, sondern es handelt sich wirklich um eine wirklich echte Anfrage aus dem echten Leben: Mein alter Schulfreund Tim hat ein Problem. Deshalb hat er mich angesprochen; und ich bin hingefahren,

[Tim schildert auf seiner Terrasse sein Knopfproblem. Seiner Bassverstärker-Antiquität fehlt ein Drehknopf und er hat schon überall vergeblich nach dem Ersatzteil gesucht. Keno verspricht, das Problem per 3D-Drucker zu lösen.]

Ja, aber wie funktioniert das mit dem 3D-Scan- und Druck jetzt genau? Ich habe also Johannes einen der noch vorhandenen heilen Bassverstärker-Knöpfe gegeben und ihn gebeten, mir ein paar Fragen zu beantworten.

Was ich gerne als allererstes wissen würde: Wie in aller Welt kriegt man aus einem physischen Objekt – also in unserem Fall diesen Bassverstärker-Knopf – ein ausdruckbares 3D-Modell? Leg ich das auf den Tisch und mach aus jeder Richtung ein Foto und fertig? Gibt es sowas wie 3D-Scanner, wo ich das Teil drauflege und auf den "Scan-Knopf" drücke? Ha, ja, das wäre schön! Also, 3D Scanner gibt es natürlich, das ist auch nichts Neues mehr. Diese Kopie von mir haben wir vor 8 Jahren mal mit einer Kinect gescannt und dann gedruckt.

Heute gibts natürlich auch Handy-Apps, die das können, hier habe ich zum Beispiel mal den Pinguin aus dem uplink-Studio gescannt. Der sieht auf den ersten Blick auch ganz okay aus, das Loch im Kopf würde man auch wegkriegen. Aber man sieht auch, dass zum Beispiel das Fell gar nicht flauschig ist und das Modell insgesamt doch eher grob ist, um die Augen herum zum Beispiel. Bei so kleinen Sachen wie dem Knopf, der ja nur knapp über einen Zentimeter im Durchmesser ist – und wirklich exakt passen muss, kommt man mit solchen Heim-3D-Scannern aber nicht weiter, dafür sind die viel zu unpräzise. Da hilft nur der klassische Messschieber und ein 3D Zeichenprogramm.

So habe ich das auch gemacht. Alles sauber ausgemessen und am Rechner nachgezeichnet. Das hat ungefähr eine halbe Stunde gedauert und im Grunde kann man das mit so ziemlich jedem 3D Zeichenprogramm machen. Ich nehme am liebsten Sketchup, Blender oder Fusion 360 würden aber zum Beispiel auch gehen.

Es gibt ja mehrere Arten von 3D-Druckern, welche mit diesen heißgemachten Plastikwürsten und welche mit Harz, das hart wird – welche sind denn besser für Alltagsanwendungen geeignet?

Am üblichsten sind FDM-Drucker. FDM steht für Fused Deposition Molding und man kann das am besten vielleicht mit Schmelzschichtverfahren übersetzen. Da wird halt Kunststoffdraht geschmolzen und durch eine kleine Düse gepresst, die dann Schicht für Schicht das Modell von unten nach oben aufbaut. Weil der Kunststoff heiß ist, kleben die einzelnen Schichten eben aneinander. Das kann man sich ein bisschen wie eine Heißklebepistole vorstellen, mit der man einfach Schicht für Schicht irgendeine Form zurechtkleistert. Diese Schichten sieht man auch im fertigen Druck und man kann die auch deutlich fühlen. FDM-Drucker sind so das, was man landläufig als 3D-Druck kennt und das eignet sich gut für Teile, bei denen diese Oberfläche nicht stört und die nicht zu filigran sind.

Die zweite Methode sind SLA-Drucker. SLA steht für Stereolithografie und dabei wird ein Kunstharz mit Licht ausgehärtet. Da muss man dann auch entsprechende Schutzkleidung tragen, weil diese Harze im flüssigen Zustand dann doch recht ungesund sind. Das Harz wird in so eine Wanne mit transparentem Boden gegossen und unter der Wanne ist ein Display. Auf diesem Display werden der Reihe nach die einzelnen Schichten des Modells für ein paar Sekunden angezeigt. Nach jeder Schicht wird das Modell ein winziges Stück angehoben, sodass wieder flüssiges Harz zwischen Display und Modell fließt und dann wird die nächste Schicht auf dem Display angezeigt und härtet aus, klebt an der Schicht darüber fest und so wird das Modell Stück für Stück über Kopf an der Druckplatte hängend aus dem Harz nach oben gezogen. Nach dem Druck muss man noch das überschüssige Harz, was am Modell ist, abwaschen, je nach Harz mit Wasser oder Isopropanol und weil das Modell nach dem Druck noch recht weich ist, entweder in die Sonne legen oder wie ich hier in so einen Kasten mit speziellen LEDs, da wird das Modell dann nochmal belichtet, bis das Harz ganz ausgehärtet ist.

Das ist alles deutlich aufwändiger als beim FDM-Druck, dafür gibts aber so gut wie keine mit bloßem Auge sichtbaren Schichten und man kann mit der SLA-Technik auch viel filigraner Drucken. Für den Knopf von Tim habe ich deswegen eben auch meinen SLA Drucker benutzt.

Kunststoffe sind ja sehr unterschiedlich. Woher weiß ich, welchen Kunststoff ich zum Ausdrucken nehmen muss, um zum Beispiel bei unserem Knopf einen möglichst ähnlichen Look and Feel hinzukriegen?

Es gibt natürlich Datenblätter, aus denen man zum Beispiel ablesen kann, ob ein Material eher zäh und brüchig oder etwas flexibler ist, ob es eine matte oder eher glänzende Oberfläche hat. Ansonsten ist das ein gutes Stück Erfahrung, 3D Druck ist oft auch einfach ausprobieren und häufig druckt man Teile auch mehrfach aus, weil der erste Druck dann doch nicht gepasst hat, man bei den Einstellungen nochmal optimieren möchte und so lernt man dann ein bisschen unfreiwillig die Materialien kennen.

Und wie ist das mit den Farben, kann ich mir die Farbe des Kunststoffs selbst zusammenmischen?

Also das Kunstharz für die SLA-Drucker gibts nur in recht wenigen Farbtönen, dafür kann man das aber zum Beispiel mit Tinte einfärben und teilweise auch mischen. Man kann aber natürlich immer nur mit einem Farbton drucken, weil es ja nur eine Wanne für das Harz gibt.

Bei FDM gibt es deutlich mehr Farben und Materialien, zum Beispiel auch mit Holz- oder Metallstaub mit drin. Und es gibt Drucker, die zwei unterschiedliche Farben mit zwei Düsen drucken können. Man kann aber einen Druck auch beispielsweise in der Mitte pausieren, das Material wechseln und die zweite Hälfte in einem anderen Farbton drucken. Natürlich kann man ausgedruckte Gegenstände auch lackieren, da eignet sich aber SLA wieder besser, einfach wegen der feineren Oberfläche. Wenn man FDM lackieren will und eine schöne Oberfläche bekommen möchte, muss man halt erstmal recht viel schleifen, um die Rillen vom Druck wegzubekommen.

Kann ich denn jede beliebige Form drucken? Oder gibts da Grenzen?

Im Prinzip kann man jede beliebige Form drucken, genau. Allerdings muss man bei manchen Formen mit sogenannter Stützstruktur arbeiten, damit die Teile druckbar sind, weil beide Druckverfahren ja eine Schicht nur dann sauber drucken können, wenn eine vorhergehende Schicht da ist, an der die neue Schicht halten kann. Das war auch bei dem kleinen Knopf für Tim so, die knipst man dann anschließend einfach ab und schleift sie eventuell auch noch nach.

Eine kleine Wissenschaft innerhalb der 3D Druck-Welt ist es, wie man ein Objekt im Drucker ausrichtet für den Druck, damit man möglichst wenig Stützstrukturen und eine möglichst schöne Oberfläche bekommt. Darum habe ich Tims Knopf auch schräg gedruckt. Da hat jeder irgendwann so seine eigenen Tricks und Kniffe und die Programme, mit denen man die Modelle für den Drucker konvertiert helfen einem da auch bei.

Wie stabil sind die 3D-Ausdrucke?

Das hängt natürlich von vielen Faktoren ab. Einmal natürlich vom Material. Es gibt flexible Kunststoffe, die sind fast wie Gummi und harte, spröde, die dann auch schneller brechen. Dann kommts natürlich auch auf die Wandstärke an, wie dicht man die Füllung macht, eine Kugel würde man zum Beispiel nicht massiv drucken, sondern mit so einer Art Wabenstruktur innen, die eben enger oder weiter sein kann. Und im Grunde ist die Festigkeit ähnlich, wie man das auch von anderen Gegenständen aus Kunststoff kennt.

Und ganz wichtig: Was kostet der Spaß? Was kostet so ein Drucker, was kostet das Material?

Bei den Druckern selber gehts mit brauchbaren Geräten so ab 250 Euro los, sowohl bei FDM als auch bei SLA. Vor allem FDM Drucker gibts auch schon für deutlich weniger, so ab 100 Euro, da muss man dann aber schon auch echt Lust auf den Drucker selber haben und bei manchen Geräten auch Spaß am Basteln, damit die gut und sicher funktionieren.

Beim Verbrauchsmaterial kostet ein Kilo FDM-Filament, so nennt man diesen Kunststoffdraht, pro Kilo circa 20 Euro. Das Harz für SLA Drucker kostet pro Kilo etwa 40 Euro, also das doppelte. Die Knöpfe für Tim wiegen pro Stück inklusive der Stützstruktur nur knapp 15 Gramm, kosten also etwa 50 Cent das Stück. Dazu kommt dann natürlich noch der Strom und bei SLA eben noch Wasser oder Isopropanol zum Auswaschen.

Ich finde die Möglichkeit, 3D-Objekte auszudrucken schon irgendwie faszinierend – aber irgendwie kann ich mir nicht vorstellen, dass man so einen Drucker regelmäßig verwendet. Also jetzt die Frage aller Fragen: Sind 3D-Drucker inzwischen alltagstauglich? Oder anders gefragt: Ist das was, was man im Haus haben sollte?

Hehe, tja, das ist eine gute Frage. Ich, aus meiner Sicht, würde sagen: Definitiv ja. Man kann damit Probleme lösen, für die man keine Lösungen kaufen kann und Teile drucken, die anders nur sehr schwer selber herzustellen wären. Aber man muss sich natürlich ein bisschen in die Materie einarbeiten. So einfach wie ein 2D-Ausdruck aus einer Textverarbeitung ist 3D-Druck nicht und wird es vermutlich auch nie werden.

Ich finde, man kann es ein bisschen mit einem Lötkolben vergleichen: Lötkolben sind ausgereift. Damit man mit einem Lötkolben aber auch wirklich was anfängt, braucht man ein bisschen Wissen zu Elektronik, sonst hilft ein Lötkolben auch nicht weiter.

Es gibt aber auch Dienstleister, denen kann man fertige 3D-Dateien schicken, dann sucht man sich ein Material aus, die drucken das und schicken einem das Teil zu. Dauert natürlich viel länger und kostet pro Ausdruck auch deutlich mehr, je nach Material. Und wenn man es nur ganz selten macht, ist es unterm Strich vielleicht sogar auch günstiger.

[Auf Tims Terrasse wird überprüft, ob der ausgedruckte Knopf in den Kitty-Hawk-Bassverstärker passt.]

Jetzt ganz ehrlich: Ich bin ziemlich beeindruckt, dass der Knopf wirklich auf Anhieb perfekt gepasst hat – und das, obwohl der nicht maschinell vermessen, sondern per Hand in 3D gezeichnet wurde. Für genau solche Fälle ist so ein 3D-Drucker wirklich megapraktisch. Aber ich muss zugeben: So häufig muss ich persönlich keine Ersatzteile drucken, weshalb ich mir so ein Ding auch erstmal nicht anschaffen werde. Aber ich freu mich, dass wir Tim eine Freude machen konnten -- und wenn ich nochmal was 3D-Drucken muss, frag ich einfach Johannes. Und vielleicht habt ihr ja auch einen Johannes im Freundeskreis; mir scheint es jedenfalls, als hätten Leute mit 3D-Druckern immer Spaß dran, zu zeigen, wie praktisch die Teile sind. Tschüss!

[Tim spielt Bass auf der Terrasse.]

Übrigens: Die 3D-Druckdatei des Knopfs haben wir online gestellt.

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(jkj)