3D-Drucker: Vorlagen erstellen und bearbeiten mit CAD-Software

Bevor man dreidimensionale Objekte ausdrucken kann, muss man diese zunächst am Rechner modellieren – oder sich an existierenden 3D-Drucker-Vorlagen bedienen, die man gegebenenfalls den eigenen Vorstellungen anpasst. Beides gelingt mit einem CAD-Programm, also einer Software für das rechnergestützte Entwerfen (computer aided design).

CAD-Software für den 3D-Druck

Eigentlich ist CAD-Software oft sehr komplex und für Anfänger schwer zu durchdringen. Es gibt aber Ausnahmen: Das CAD-Werkzeug Fusion 360* etwa bietet einen sehr hohen Funktionsumfang hinter einer zugänglichen Oberfläche – und ist in der Basisversion* kostenlos. Im Folgenden zeigen wir deshalb am Beispiel von Fusion:

• Wie man mit CAD-Software 3D-Druck-Vorlagen erstellt und bearbeitet
• Wo man fertige Vorlagen für den 3D-Drucker herunterladen kann
• Wie aus dem 3D-Modell im Rechner ein gedrucktes 3D-Objekt zum Anfassen wird

Damit es möglichst anschaulich bleibt, wählen wir für das erste Projekt zwei einfache, weithin bekannte Körper aus: einen Spielwürfel sowie einen dazu passenden Würfelbecher. Wir konstruieren beide Objekte selbst, exportieren diese aus der CAD-Software und bereiten sie anschließend für den 3D-Druck vor. Alle nötigen Schritte erklären wir in einer bebilderten Anleitung sowie im Video. Abschließend erläutern wir auch, wo man fertige Vorlagen für den 3D-Drucker aus dem Internet herunterladen kann und was beim Bearbeiten dieser STL-Dateien zu beachten ist.

3D-Druck-Vorlagen erstellen mit Fusion 360

In diesem Tutorial modellieren wir einen Spielwürfel sowie einen dazu passenden Würfelbecher für den 3D-Druck. Beide stehen exemplarisch für einen eckigen und einen runden Körper sowie die jeweiligen Unterschiede in der Modellierung. Wir nutzen dazu grundlegende Funktionen von Fusion 360, sodass die Anleitung auch für Anfänger verständlich bleibt.

Vorbereitung: Installation & erster Start von Fusion 360

Um Fusion herunterzuladen, ist zunächst eine kostenlose Registrierung bei Autodesk nötig. Nach Download und Start des Installationsprogramms fragt Fusion nach einem Autodesk-Account, den man sich als neuer Nutzer erst noch erstellen muss – die Registrierung für den Download hat kein Benutzerkonto angelegt.

Beim ersten Programmstart startet ein Einrichtungsassistent, der darum bittet, ein neues Team anzulegen. Wir wählen einen beliebigen Namen für das Team aus und legen fest, dass andere Nutzer nur bei Einladung der Gruppe beitreten können.

Fusion 360 öffnet nach dem Start standardmäßig eine neue, leere Konstruktion. Die speichern wir zunächst ab, etwa mit dem Disketten-Symbol oben links in der Werkzeugleiste. Sobald das Dokument einmal gespeichert wurde, sichert Fusion 360 den Konstruktionsfortschritt immer wieder selbstständig in der Cloud. Sollte die Software crashen, der Computer abstürzen oder der Kaffee auf der Tastatur landen, geht damit nicht die ganze Arbeit verloren.

Für die weitere Orientierung im Programm ist es hilfreich, die wichtigsten Bedienelemente zu kennen:

• Sichtsteuerung: Die Ansicht drehen wir per Drag-and-Drop auf dem quaderförmigen Koordinaten-Kompass oben rechts. Alternativ bewegen wir die Maus bei gedrückter Tastenkombination Shift + mittlere Maustaste. Zum Zoomen nutzen wir das Mausrad. Die mittlere Maustaste ohne Shift verschiebt die Ansicht.
  
• Werkzeuge: Alle Werkzeuge zum Erstellen und Verändern von Körpern und Formen befinden sich in der Werkzeugleiste am oberen Rand der Arbeitsfläche. Sie lassen sich alternativ mit Hotkeys auf der Tastatur auswählen. Mit Druck auf die Escape-Taste wählt man das gerade benutzte Werkzeug wieder ab.
  
• Browser: Der Browser links dient der Schnellauswahl von Körpern, Skizzen, Achsen, Standard-Kamerasichten und Konstruktionsparametern.
  
• Inspektor-Fenster: Der Inspektor ist standardmäßig ausgeblendet. Wählt man ein Objekt oder Werkzeug aus, wird er am rechten Bildrand sichtbar – und zeigt passende Einstellmöglichkeiten und Eigenschaften des Objekts respektive des Werkzeugs an.

Mit diesen Grundkenntnissen im Gepäck konstruieren wir nun unseren ersten Körper: einen Spielwürfel.

Anleitung: Spielwürfel für den 3D-Druck mit Fusion modellieren

Wir modellieren einen sechsseitigen Würfel in drei Schritten:

1. Wir konstruieren mithilfe einer einfachen Skizze eine quadratische Grundfläche.
2. Wir verlängern die Fläche in die dritte Dimension und erhalten so einen würfelförmigen Körper.
   
3. Wir modifizieren die Kanten und Ecken des Würfels, damit er besser rollt.
   
4. Optional, für Fortgeschrittene: Wir prägen die Augen auf die Flächen. Anfänger können diesen Schritt überspringen und die Augen nach dem 3D-Druck einfach aufmalen.
   

Schritt 1: Zweidimensionale Skizze erstellen

Um in Fusion 360 einen Körper zu erstellen, gibt es mehrere Möglichkeiten. Die einfachste besteht darin, eine zweidimensionale Skizze zu erstellen, die wir anschließend in die dritte Dimension verlängern („extrudieren“). Um eine solche Skizze anzulegen, wählen wir in der Werkzeugleiste im Tab „Erstellen“ das Werkzeug „Skizze“ aus:

Zunächst müssen wir festlegen, auf welche der drei existierenden Ebenen wir die Skizze auftragen. Wir wählen die X-Y-Ebene (den "Boden") aus, indem wir mit der Maus in der 3D-Ansicht darauf klicken oder links im Browser unter "Ursprung" den Punkt "XY" selektieren:

Nun legen wir ein Rechteck mit den Maßen 19 × 19 mm an. Um das Rechteck zu erstellen, drücken wir die Taste „R“ auf der Tastatur und klicken in den Ursprung des Koordinatensystems, um dort die erste Ecke des Rechtecks zu platzieren. Mit der Maus bewegen wir die zweite Ecke des Rechtecks, die wir nun mit einem weiteren Mausklick platzieren könnten, um das Rechteck finalisieren – das wäre aber nicht sehr präzise. Stattdessen geben wir per Tastatur die Zahl "19" ein. Dies bemaßt die erste Kante des Rechtecks mit 19 mm. Mit einem Druck auf die Tabulator-Taste springen wir zur Bemaßung der zweiten Kante und geben auch hier "19" ein. Wenn wir nun mit Return bestätigen, erhalten wir einen quadratischen Grundriss in den gewünschten Abmessungen:

Wir verlassen das Skizzen-Werkzeug, indem wir unsere Skizze per Klick auf „Skizze fertigstellen“ im Inspektor-Fenster rechts bestätigen. Um wieder in die 3D-Ansicht zu wechseln, klicken wir im Browser auf "Benannte Ansichten" und dann auf "Startseite" – das setzt die Kamera auf die Standardperspektive zurück.

Schritt 2: Von der Skizze zum Körper

Im nächsten Schritt erweitern wir unsere Skizze in die dritte Dimension. Dazu nutzen wir im Reiter „Erstellen“ das Werkzeug „Extrusion“, das alternativ über die Taste „E“ erreichbar ist. Sollte unsere Skizze nach Aktivierung des Werkzeugs nicht automatisch ausgewählt sein, klicken wir sie an, sodass diese blau markiert ist. Nun können wir die Fläche entlang der z-Achse verlängern, indem wir das über der Skizze erschienene Pfeilsymbol mit gedrückter Maustaste nach oben ziehen. Alternativ geben wir die gewünschte Höhe wieder über die Nummerntasten ein und bestätigen mit Return. Wir stellen sicher, dass die neue Kante ebenfalls eine Länge von 19 mm aufweist – und freuen uns über unseren ersten selbst erstellten Körper, einen simplen Würfel:

Schritt 3: Ecken und Kanten bearbeiten

Damit sich der Würfel besser rollen lässt, wollen wir noch alle Ecken abrunden. Dazu wählen wir den Würfel in seiner Gesamtheit aus, indem wir mit gedrückter Maustaste einen Rahmen aufziehen, der den kompletten Würfel umspannt. Dann öffnen wir mit der Taste „F“ (oder über den Reiter "Ändern“ -> „Abrunden“) das Kontextmenü zum Abrunden. Hier geben wir einen Radius von 2 mm ein, bestätigen aber noch nicht mit Return! Dies würde nämlich das Inspektorfenster rechts schließen, wo wir unter „Ecktyp“ zunächst noch die Option „Versatz“ auswählen. Ein Klick auf "OK" bestätigt die Eingaben – und schon haben wir einen gut rollenden Würfel:

Der Würfel ließe sich mit kleinen Bohrungen für die Augen weiter verfeinern, allerdings lassen sich die Augen nach dem 3D-Druck auch schlicht aufmalen. Wer sich für die Variante mit den Bohrungen interessiert, findet dazu eine anschauliche Anleitung in unserem Video. Im Text widmen wir uns nun direkt dem zweiten Objekt, einem passenden Würfelbecher!

Anleitung: Würfelbecher mit Fusion 360 erstellen

Passend zum Spielwürfel modellieren wir nun zusätzlich einen Würfelbecher. Das Vorgehen unterscheidet sich in einigen Punkten:

1. Wir konstruieren eine Skizze aus dem Querschnitt des Bechers.
   
2. Wir rotieren die Skizze um eine Drehachse und erhalten so einen runden Drehkörper.
   
3. Wir runden die Ecken des Würfelbechers ab.
   

Schritt 1: Querschnitt des Bechers als Skizze zeichnen

Wie bereits beim Würfel fangen wir auch hier mit einer Skizze an. Wir wählen das Skizzen-Werkzeug aus und selektieren diesmal die YZ-Fläche. Bevor wir die Fläche skizzieren, aus der wir unseren Körper erstellen, legen wir mit dem Linien-Werkzeug zunächst zwei Hilfslinien an:

• Die erste Linie ziehen wir vom Ursprung senkrecht nach oben, als Länge geben wir 90 mm an. Diese Linie nutzen wir später als Drehachse, um die herum wir unsere Skizze rotieren werden.
• Ebenfalls aus dem Ursprung ziehen wir eine Linie von 35 mm Länge waagerecht nach rechts. Diese Linie dient uns später als Abstandhalter.
• Um die Linien als Hilfslinien zu deklarieren, markieren wir sie – zum Beispiel, indem wir mit der Maus einen Rahmen darum ziehen. Dann drücken wir die Taste "X". Die Linien sind nun gestrichelt statt solide, was uns zeigt, dass sie als Hilfslinien behandelt und somit nicht Teil des Körpers werden.
  

Am oberen Ende der senkrechten Hilfslinie ziehen wir jetzt eine Linie von 29 mm waagerecht nach rechts. Aus dieser Linie erzeugen wir später den Boden unseres Würfelbechers. Mit dem weiterhin ausgewählten Linien-Werkzeug verbinden wir den rechten Endpunkt der oberen Linie mit dem rechten Endpunkt der unteren, waagerechten Hilfslinie. Aus dieser neuen Linie erzeugen wir die Seitenwand des Würfelbechers.

Als Nächstes erzeugen wir aus den beiden Linien eine geschlossene Fläche. Dazu klicken wir in der Werkzeugleiste unter „Ändern“ auf die Funktion "Versatz". Nun wählen wir die beiden Volllinien aus und
erstellen einen Versatz von 1 mm – das entspricht der späteren Wandstärke unseres Bechers. Um die Fläche zu schließen, verbinden wir die nebeneinander liegenden Endpunkte des neue geschaffenen Linienpaares mit je einer neuen Linie. Unsere Skizze sollte dann wie folgt aussehen:

Schritt 2: Drehkörper aus der Skizze erstellen

Mit nur wenigen Klicks können wir aus der Skizze einen Rundkörper erstellen. Dazu verlassen wir die Skizze mit Klick auf "Fertigstellen" und wählen in der Werkzeugleiste unter "Erstellen" die Funktion „Drehen“ aus. Wir markieren unsere Zeichnung und klicken dann unsere Drehachse an – schon
erstellt sich ein runder Körper mit den passenden Maßen. So einfach kann es manchmal sein!

Warum keine Extrusion wie beim Würfel? Ein Würfelbecher ist aus geometrischer Sicht ein runder Körper mit einem gleichmäßigen Schnitt. Statt einen zweidimensionalen Grundriss zu erstellen, den man – wie beim quaderförmigen Würfel – per Extrusion in die dritte Dimension verlängert, erstellen wir für den Würfelbecher eine zweidimensionale Skizze aus dem Querschnitt des Objekts. Diese Skizze rotieren wir dann vollständig um eine Hilfsachse. Das Ergebnis ist ein dreidimensionaler, runder Körper mit einförmigem Schnitt.

Schritt 3: Abrunden

Für eine bessere Ästhetik runden möchten wir die innere Kante mit einem Radius von 10mm ab. Dazu drücken wir die Taste „F“ auf der Tastatur und wählen dann mit der Maus die gewünschte Kante aus. Dasselbe wiederholen wir noch für die Außenkante. Der Körper sollte jetzt so aussehen:

Damit haben wir auch den Würfelbecher fertiggestellt! Diesen Körper können wir nun aus Fusion 360 exportieren und für den 3D-Druck vorbereiten. Wie das funktioniert, erklärt der nächste Abschnitt.

3D-Vorlage für den 3D-Drucker vorbereiten

Um ein Modell für den 3D-Druck vorzubereiten, müssen wir die Konstruktion in ein passendes Dateiformat exportieren. Am meisten verbreitet ist hier das STL-Format, das die Körper mithilfe vieler, kleiner Dreiecke beschreibt. Das Ergebnis ist eine geringe Dateigröße, was eine schnelle Verarbeitung der Daten durch andere Programme ermöglicht. In den letzten Jahren kam zusätzlich das Dateiformat 3MF auf, welches mehr Informationen bei gleicher Dateigröße speichert – jedoch noch nicht so verbreitet ist wie das STL-Fomat, auf das wir uns hier konzentrieren.

Schritt 1: Export der Vorlage in das STL-Format

Für den Export unseres Körpers ins STL-Format wählen wir links im Objekt-Browser den Punkt „Körper“ und wählen unseren Würfel („Körper1“) per Rechtsklick aus. Im folgenden Kontextmenü wählen wir „Als Netz speichern“ aus. Wir vergewissern uns, dass als Format „STL (binär)“ ausgewählt ist und bestätigen den Dialog mit „O. K.“. Jetzt liegt die STL-Datei im ausgewählten Speicherort.

Schritt 2: Import der Vorlage in einen Slicer

Die STL-Datei lesen wir als Nächstes in einen sogenannten Slicer ein – das ist eine Software, die unser Modell in die Maschinensprache G-Code übersetzt. Dieser G-Code enthält alle Anweisungen, die ein 3D-Drucker benötigt, um unsere Vorlage auszudrucken.

In diesem Beispiel nutzen wir zum Slicen das kostenlose Programm „Cura“. Um unseren Vorlage
in den Slicer zu importieren, ziehen wir die STL-Datei einfach per Drag-And-Drop in das Programmfenster.

Abhängig vom verwendeten Druckmaterial müssen wir nun noch einige Einstellungen vornehmen. In diesem Tutorial passen wir die Parameter für den Werkstoff PLA an: Das Polymer ist recht formstabil, lässt sich bereits bei niedriger Hitze formen, ist biologisch verträglich und recycelbar. Dadurch ist das Material insbesondere im Hobbydruck sehr beliebt. Wichtig sind dabei folgende Parameter:

1. Printing Temperature: 215° Celsius
2. Build Plate Temperature: 60° Celsius
3. Layer Height: 0.16 mm (je nach Qualitätswunsch)
4. Initial Layer Line Width: sollte für bessere Haftung am Druckbett auf 110% stehen
   
5. Build Plate Temperature Initial Layer: 70° Celsius

Klicken wir dann unten rechts auf den Button „Slice“, können wir den G-Code auf einen externen Speicher schreiben.

Steckt man diesen in den 3D-Drucker ein, kann der Druck losgehen!

3D-Drucker-Vorlagen herunterladen

Die 3D-Druck-Community wächst von Jahr zu Jahr. Neben Foren, Websites und Social-Media-Gruppen sind auch große Downloadportale für fertige 3D-Druck-Modelle entstanden. Wer lieber bestehende Vorlagen nutzen und verfeinern möchte, statt Objekte von Grund auf selbst zu bauen, wird unter anderem auf folgenden Seiten fündig:

• Thingiverse bietet alle Modelle zum kostenlosen Download an
• GrabCad verfügt über eine sehr große Bibliothek an technischen Teilen
• Cults bietet hochqualitative 3D-Druck-Vorlagen, die dafür meist kostenpflichtig sind
• In der Autodesk Community* lassen sich Vorlagen anderer Nutzer herunterladen. Trainings und Möglichkeit zum Austausch gibt es dort auch. Voraussetzung ist allerdings ein Fusion-Abo.
  

3D-Druck: Vorlagen mit CAD-Software bearbeiten

Wie bereits erwähnt werden Vorlagen für den 3D-Drucker am häufigsten im STL-Format ausgetauscht, also in einer netzförmigen Repräsentation des Modells. Für die Bearbeitung von STL-Dateien verfügt Fusion 360 über ein eigenes Menü. Schauen wir anhand eines Beispiels, wie man damit arbeitet! Oder konkret: Wie man das fertige Modell eines Hundes um eine Grundplatte erweitert.

Vorbereitung: Download der Vorlage

Als Ausgangsmodell für unsere Bearbeitung wählen wir einen Hund in angesagter Low-Poly-Optik aus, den wir von Thingiverse herunterladen.

Schritt 1: STL-Datei in Fusion 360 importieren

In Fusion 360 wählen wir den Tab „Netz“ aus, der in der folgenden Abbildung markiert ist:

Hier nutzen wir die erste Funktion „Netz einfügen“ und wählen unsere heruntergeladene Vorlage aus. Nach einem Klick auf "OK" ist das Netz nun auf unserer Arbeitsfläche geöffnet – wir können es nun bearbeiten!

Schritt 2: Grundplatte erstellen

Um unsere Figur um eine eigene Standplatte zu erweitern, wechseln wir in den Konstruktionsbereich und wählen das Skizzen-Werkzeug aus. Als nächstes selektieren wir die XY-Ebene, auf der wir den Grundriss für die Platte zeichnen. Ich habe mich für eine Knochen-Form entschieden, der Kreativität sind hier aber keine Grenzen gesetzt. Mit den inzwischen bekannten Werkzeugen wie dem Linien-Tool zeichnen wir unsere Grundform, bis wir zufrieden sind. Wir stellen sicher, dass unsere Form hellblau ausgefüllt ist und somit eine geschlossene Fläche bildet, bevor wir das Skizzenwerkzeug verlassen. Abschließend extrudieren wir die Form um 2 mm nach oben.

Schritt 3: Körper kombinieren

Wenn wir im Browser den Punkt "Körper" ausklappen, dann sehen wir zwei verschiedene Körper – und, was noch interessanter ist, zwei unterschiedliche Arten von Körpern:

Damit wir beide Körper kombinieren können, müssen sie jedoch vom selben Typ sein. Also wechseln wir wieder in das Menü „Netz“ und wählen dort „Erstellen“, dann „Tessellieren“. Diese Funktion wenden wir auf unsere Grundplatte an. Dadurch sind nun beide Körper, der Hund und die Grundplatte, vom selben Typ. Ein Blick in den Browser bestätigt dies. Jetzt wählen wir im Menü „Ändern“ den Punkt „Kombinieren“, markieren beide Formen und verbinden sie miteinander.

Damit haben wir unsere erste STL-Datei erfolgreich bearbeitet!

Um die neue Vorlage auszudrucken, klicken wir den Körper im Browser mit der rechten Maustaste an und selektieren „Als Netz speichern“. So speichern wir die kombinierten Körper als neue STL-Datei ab, die wir dann wie oben beschrieben in den Slicer laden und ausdrucken können!

Fazit: 3D-Druck ist für jedermann

Es ist heute so einfach wie noch nie, eigene Ideen für Figuren, Modelle und andere Gegenstände in die Realität umzusetzen. Frei verfügbare Software wie Fusion 360* und Cura beschert auch Anfängern schnelle Erfolgserlebnisse, der Druck selbst ist dank immer erschwinglicherer 3D-Drucker ebenfalls kein Hindernis mehr. Und wer nicht gerne selbst modelliert oder lieber die Künste anderer bewundert, kann sich an einer Vielzahl von existierenden Vorlagen für 3D-Drucker bedienen. Dazu gibt es im Netz eine lebendige Online-Community – hilfreiche Foren genauso wie Facebook-Gruppen oder YouTube-Tutorials, die Einsteigern weitere Hilfestellungen zum 3D-Druck geben.

💡 Über den Autor
	Lars Thimsen beschäftigt sich seit 2014 mit den Themen Konstruktion und 3D-Druck. Als Mistermestro veröffentlicht er auf YouTube Anleitungen und Tutorials, die den Umgang mit Fusion 360 erklären und Praxiswissen rund um den 3D-Druck vermitteln.

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Redaktion & Aktualisierung: heise Download-Team

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