3D-Druck für alle E-Book

Florian Horsch

• Herausgeber: Hanser, Carl
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: makers DO IT
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 447

Veröffentlichungsjahr: 2014

Beschreibung

3D-Druck für alle//
- Für alle, die 3D-Druck im privaten oder kommerziellen Bereich einsetzen möchten (keine technischen Vorkenntnisse erforderlich)
- Der Do-it-yourself-Guide: Schritt für Schritt zum selbstgedruckten Produkt
- Alles Wissenswerte zu Hard-/Software, Dienstleistern, Shops & Events
- Mit über 10 Praxisübungen zur Fertigung von 3D-Selfies, Multicoptern, Ringen, Ersatzteilen u.v.m.
- Mit aktuellen Trends zu Mehrfarbdruck, Materialien und Veredelung
- Online: Alle Übungen aus dem Buch, zusätzliche Beispiele sowie aktuelle 3D-Druck-News & -Events

Selbstgefertigte Handyhüllen, 3D-Selfies oder ein Ersatzteil für das kaputt gegangene Haushaltsgerät – all das und noch viel mehr lässt sich heutzutage mit 3D-Druck realisieren.

Sie möchten selbst zum Maker werden? Dieses Buch zeigt Ihnen, wie’s geht. Kompakt, anschaulich und praxisnah begleitet es Sie bei Ihrem Einstieg in die Welt des 3D-Drucks. Sie erfahren, wie die Technologie funktioniert, welche Einsatzmöglichkeiten sie bietet, und welche Chancen sie für die Zukunft bereithält.

Über zehn Praxisübungen zeigen Ihnen, wie Sie vom Design zum fertigen Ausdruck gelangen, welches Equipment Sie dazu benötigen, und welches Druckverfahren das geeignetste für Ihr Projekt ist. Dabei wird die komplette Palette an Möglichkeiten aufgezeigt: Von der Verwendung fertiger Druckvorlagen über die Gestaltung eigener Modelle bis zum Scanning bestehender Designs ist alles mit dabei.

Egal, ob Sie sich für einen eigenen Drucker, einen Dienstleister oder ein FabLab entscheiden – Florian Horsch zeigt Ihnen, welche Tipps & Tricks es zu beachten gilt, um erfolgreich als Heimwerker 2.0 durchzustarten.

AUS DEM INHALT //
Wie funktioniert 3D-Druck? Welche Einsatzmöglichkeiten gibt es? // Rechtliche Aspekte des 3D-Drucks // Die besten Content-Plattformen, Customizer , Modellierungs- & Scanning-Lösungen // Die wichtigsten Druckverfahren im Überblick: FDM, SLS, 3DP, SLA & LOM // Ihr erster 3D-Drucker: Kauftipps, Einsatz, Materialien & Wartung // Druck-Dienstleister, FabLabs & Hackerspaces

Leseprobe

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Florian Horsch

3D-Druck für alle

Der Do-it-yourself-Guide

2., aktualisierte und erweiterte Auflage

Der Autor: Florian Horsch, Bayreuth

Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Weise aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht, auch nicht für die Verletzung von Patentrechten, die daraus resultieren können.

Ebenso wenig übernehmen Autor und Verlag die Gewähr dafür, dass die beschriebenen Verfahren usw. frei von Schutzrechten Dritter sind. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt also auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz- Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benützt werden dürften.

Bibliografische Information der deutschen Nationalbibliothek:

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet unter http://dnb.d-nb.de abrufbar.

Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt.

Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden.

© 2014 Carl Hanser Verlag München

Gesamtlektorat: Julia Stepp

Sprachlektorat: Kathrin Powik, Lassan

Herstellung: Andrea Reffke

Umschlagrealisation: Stephan Rönigk

Titelillustration: Luís Manuel Romão Favas, Caldas da Rainha, Portugal, http://luisfavas.com

Für Uwe Wagner & Enno Rey

Vorwort

Liebe Leserinnen, liebe Leser,

bevor ich selbst das Wort ergreife, möchte ich Ihnen jemanden vorstellen, der schon Jahrzehnte vor der aktuellen Begeisterungswelle für den 3D-Druck das große Potential dieser Technologie erkannt und mit seinem Unternehmen maßgeblich die bisherigen Entwicklungen geprägt hat.

Dr. Hans J. Langer, Gründer und CEO der EOS GmbH (Foto: © EOS GmbH)

Es ist mir eine große Freude und Ehre das Wort an Dr. Hans J. Langer, einen der Pioniere des 3D-Drucks, übergeben zu dürfen:

»Als Gründer und CEO der EOS GmbH heiße ich Sie als eines der deutschen Pionierunternehmen im Bereich des industriellen 3D-Drucks herzlich willkommen in dieser faszinierenden Welt. Wir beschäftigen uns seit mittlerweile 24 Jahren mit additiven Schichtbauverfahren, die die Grenzen konventioneller Fertigungsverfahren neu ausloten. Bei unseren Kunden entstehen aus Kunststoff- und Metallpulvern bereits heute Anwendungen für die Luft- und Raumfahrt, die Medizin, die Automobilindustrie, den Werkzeugbau oder den Lifestyle-Bereich, die konventionell nicht denk- und herstellbar wären. Solche hochwertigen Produktionstechnologien werden nun – in Form der 3D-Drucker für den Hausgebrauch – Stück für Stück auch für die breite Masse zugänglich gemacht. Das vorliegende Buch macht für Sie greif- und umsetzbar, wie Sie selber Dinge erdenken, designen, und herstellen können. Dabei bedienen Sie sich einer Technologie, die die Herangehensweise an Design und Produktion grundlegend verändert. Konstruktion und Design bestimmen die Fertigung, nicht umgekehrt. Die damit neu gewonnenen Freiheiten eröffnen nahezu unendliche Möglichkeiten, setzen gleichzeitig aber auch die Bereitschaft voraus, sich auf etwas ganz Neues einzulassen und es zu erlernen. Für uns ist es schön, zu beobachten, wie sich derzeit eine stetig wachsende 3D-Druck-Maker-Szene entwickelt! Werden wir jedoch deshalb alle zum Designer oder gar zum Selbstversorger? Druckt demnächst jeder von Ihnen seine eigenen Tassen, statt sie zu kaufen, oder stellt Luxusuhren in der heimischen Garage her? Wir denken nein. Aber über den einzelnen Hausgebrauch hinaus ermöglicht die Technologie auch die Entstehung von Mini-Fabriken – sogenannten Factories around the corner – in denen individualisierte Produkte am PC entworfen, Aufträge im Netz akquiriert, die georderten Waren schließlich in Garagen und Kellern gefertigt und dann versendet werden. Damit ermöglicht Innovation Entrepreneurship im Kleinen und neue Geschäftsmodelle. Ein neuer Unternehmergeist macht bisher Undenkbares denkbar, und der Einzelne kann mit greifbaren Dingen Geld verdienen. Wenn die Stückzahlen wachsen, und Sie doch nicht mehr daheim produzieren wollen, so können Sie die Daten des herzustellenden Teils an Fertigungszentren geben – und treffen dort nicht selten wieder auf industrielle 3D-Drucker aus dem Hause EOS.«

Dr. Hans J. Langer

Gründer und CEO, EOS GmbH, Technologie- und Marktführer im Bereich der additiven Fertigung auf Basis von Kunststoff- und Metallwerkstoffen (www.eos.info)

… wie Sie sehen, gibt es viele Seiten des 3D-Drucks zu entdecken und nicht jeder glaubt an die große Heimanwender-Revolution − eher an eine Revolution des Kleinunternehmertums, die findigen Bastlern und Start-ups Zugang zu ungeahnten Fertigungsmöglichkeiten eröffnet. Diese Einschätzung teile und lebe ich.

Ebenso glaube ich jedoch auch an die Revolution im heimischen Wohnzimmer, und werde mein Bestes tun, Ihnen das nötige Rüstzeug an die Hand zu geben, um selbst Teil dieser Bewegung zu werden. Ich glaube fest daran, dass in jedem ein Maker schlummert, der nur geweckt werden muss. Schon bald werden auch Sie Ihre Ideen auf dem eigenen 3D-Drucker verwirklichen können, und die kindliche Freude spüren, die einen beim ersten Druck überkommt. In Form der 3D-Druck-Dienstleister werden Sie aber auch von den Hochleistungsmaschinen Gebrauch machen, die Herr Dr. Langer und sein Team schon seit 1989 in Deutschland entwickeln und herstellen. In diesen Fabriken der Zukunft, aber auch in Ihren eigenen vier Wänden, wird ab heute Geschichte geschrieben. Ihre Ideen werden schon bald zum Leben erweckt!

Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen und Ausprobieren.

Ihr Florian Horsch

Einführung

3D-Druck für alle? Ja, Sie haben richtig gehört. Egal, welches Vorwissen Sie bereits mitbringen − dieses Buch wird Ihnen zeigen, wie Sie erfolgreich als Heimwerker 2.0 durchstarten. Es wird Ihnen ein zuverlässiger Reisebegleiter bei Ihrem Einstieg in die faszinierende Welt des 3D-Drucks sein.

Ich möchte Sie auf eine Reise der unbegrenzten Möglichkeiten mitnehmen. Es geht in das Land der dritten Dimension. Anfassen und selbst Ausprobieren ist ausdrücklich erwünscht! Dieses Buch wird Ihnen den roten Teppich zur Welt der selbsterschaffenen Objekte ausrollen. Viel Spaß und gute Reise!

Mit besten Grüßen aus der Wagnerstadt Bayreuth: Herzlich willkommen in der bunten Welt des 3D-Drucks! Was diese Figuren des Künstlers Ottmar Hörl mit 3D-Druck zu tun haben, erfahren Sie in Abschnitt 5.2 (Foto: © Simeon Johnke1).

Was erwartet Sie?

Wir beginnen unsere Reise mit einem kompakten Schnelleinstieg in den 3D-Druck. In Kapitel 1 erfahren Sie, wie die Technologie funktioniert, und was sich alles mit 3D-Druck realisieren lässt. In Kapitel 2 zeige ich Ihnen diverse Möglichkeiten auf, wie Sie an druckbare 3D-Modelle gelangen: Vom Download über die Gestaltung eigener 3D-Modelle bis zum 3D-Scanning ist alles mit dabei. In Kapitel 3 stelle ich Ihnen die unterschiedlichen Druckverfahren im Detail vor und verschaffe Ihnen einen Überblick über die möglichen Handlungsoptionen. Egal, ob Sie sich für einen eigenen Drucker, einen Dienstleister oder ein FabLab entscheiden – ich zeige Ihnen, was es dabei zu beachten gilt. In Kapitel 4 folgen umfangreiche Praxistipps zu den gängigsten 3D-Druckern. Zahlreiche Übungsbeispiele garantieren, dass Sie das Gelernte praktisch nachvollziehen können. Kapitel 5 besteht ausschließlich aus Übungen, in denen Sie zahlreiche Gelegenheiten bekommen werden, selbst aktiv zu werden.

Was packen Sie ein?

Neben Ihrer Begeisterungsfähigkeit und Kreativität sind folgende Werkzeuge auf unserer gemeinsamen Reise hilfreich:

■Stift und Papier für Notizen und offene Fragen■Computer (Mac, Windows oder Linux)■Internetzugang■Smartphone oder Tablet (Apple iOS oder Android-basierte Systeme)■Optional:■Maus mit Scrollrad■Digitalkamera■3D-Drucker■3D-Scanner

Bevor Sie nun in Panik ausbrechen und in den nächstbesten Elektronikfachmarkt rennen – warten Sie noch kurz, denn: »Sie sind ja nicht blöd.«

So wie dieses Buch Sie Schritt für Schritt an die Materie heranführen wird, können Sie sich schrittweise überlegen, welches Equipment für Sie sinnvoll ist und welches nicht. Mein Anliegen ist es, auch Leuten ohne 3D-Drucker Möglichkeiten aufzuzeigen, wie sie günstig an eigene Ausdrucke gelangen − zum Beispiel in sogenannten FabLabs, Hackerspaces oder auf Bestellung bei speziellen 3D-Druck-Dienstleistern.

Wo hole ich Sie ab?

Um jedem gerecht zu werden, setze ich keine besonderen Vorkenntnisse voraus. Wir fangen langsam an, steigern uns aber kontinuierlich und reißen gegen Ende auch einige experimentelle Themen an, sodass selbst fortgeschrittene 3D-Druck-Anwender noch neue Erkenntnisse aus diesem Buch ziehen können.

Reisehinweise

Bevor wir unsere Reise beginnen, erlauben Sie mir noch einige grundlegende Hinweise:

■Legen Sie alle noch vorhandenen Berührungsängste ab! Ich habe es in unzähligen Bastelstunden nicht geschafft, auch nur einen einzigen 3D-Drucker grundlegend zu zerstören. Haben Sie also keinen zu großen Respekt vor der Technik. Wenn dann doch mal was kaputt geht, sind Ersatzteile schnell gedruckt …■Es gilt auch einige sicherheitsrelevante Dinge zu beachten. Lesen Sie hierzu bitte aufmerksam die Infoboxen in den jeweiligen Kapiteln.■3D-Druck kann jeder! Einfacher Zugang zur Herstellung eigener Ideen ist eines der zentralen Versprechen des 3D-Drucks. Lassen Sie sich also nie etwas anderes erzählen. Mit genügend Geduld und Interesse wird jeder zum Ziel kommen.■Geht nicht, gibt’s nicht! Lassen Sie sich bitte nie, weder von Profis aus der Industrie oder dem handwerklich begabten Bekannten, sagen, was im 3D-Druck möglich oder unmöglich ist. The sky is the limit – und selbst dort wird 3D-Druck die Grenzen verschieben.

Die Flugzeuge der Zukunft werden laut einer Airbus-Zukunftsstudie stark von der 3D-Druck-Technik profitieren (Foto: © Airbus, Quelle:http://www.airbus.com/innovation/future-by-airbus/ [16MWUWN]).

■Sharing is caring! Wer Wissen teilt, kommt weiter. Die aktuell aufkommende Begeisterung für 3D-Druck wurde nicht von großen Unternehmen erzeugt.2 Sie wurde von leidenschaftlichen Bastlern, Programmierern und Kreativen in Form von etlichen 3D-Druck-Projekten gemeinschaftlich erschaffen. Seien Sie Teil dieser Communities, und teilen Sie Ihre Erkenntnisse! Im Gegenzug steht Ihnen ein nahezu unerschöpflicher Wissenspool zur Verfügung. Über das ganze Buch verteilt, und insbesondere in Kapitel 4, werden Sie dazu weitere Informationen finden.

Wegweiser

Infoboxen

Dies ist eine allgemeine Infobox, die weiterführende Informationen, zum Beispiel ein Experteninterview, enthält.

Diese Box erfordert Ihre volle Aufmerksamkeit. Sie enthält wichtige Hinweise und Warnungen.

Diese Box enthält nützliche Praxistipps.                                                                                                                                                                                                 

Diese Box enthält Übungen, in denen Sie sich selbst die Finger schmutzig machen können.

Schriftauszeichnung

■Fachbegriffe sind bei der ersten Nennung kursiv geschrieben, besondere Hinweise fett.■Anweisungen, die Sie auf der Tastatur eingeben oder klicken sollen, sind in Versalien dargestellt.■Die häufig eingesetzten Fußnoten enthalten Quellen, weiterführende Links und kurze Erläuterungen.3■Links sind kursiv dargestellt und im E-Book auch direkt anklickbar.

Kurzlinks und QR-Codes

■Kurzlinks: Hinter den Weblinks finden Sie in eckigen Klammern einen Code, der Sie ohne unnötig langes Abtippen zum gleichen Ziel führt. Geben Sie diesen Code einfach hinter dem Link bit.ly/ ein.Ein Beispiel:https://plus.google.com/116416453568555193309/ [GPlusFlo]Bei Eingabe von bit.ly/GPlusFlo gelangen Sie ganz unkompliziert auf mein Google+-Profil und sparen sich so einige Zeichen bei der Eingabe.■QR-Codes, die schwarz-weißen Codes, die Sie vielleicht aus der Werbung kennen, können mithilfe eines Smartphones und der passenden App abfotografiert werden und ersparen so das lästige Abtippen eines Links.

Videos im Internet

Wenn Sie auf einem Bild ein Abspielsymbol sehen, finden Sie in der Bildunterschrift den passenden Link, der Sie zum Video auf YouTube oder Vimeo führt.

Die Augment App – Ihr Buch in 3D!

Jetzt wird es richtig spannend: Mithilfe der kostenlosen Augment App können Sie alle Fotos und Bilder im Buch, die in der unteren linken oder rechten Ecke das rote Augment-Symbol enthalten, auch dreidimensional sehen.

Das Vorgehen ist sehr einfach:

1. Installieren Sie sich die Augment App auf Ihrem Apple iOS oder Android-basierten Smartphone oder Tablet.

■Google Play für Android: http://bit.ly/augment-android■Apple App Store für iOS: http://bit.ly/augment-ios

2. Starten Sie die App, und nutzen Sie die Einführung, um sich mit den Funktionen vertraut zu machen.

3. Klicken Sie auf Best Of→Scan.

■Richten Sie Ihre Kamera auf eines der Bilder mit dem roten Augment-Symbol aus, z. B. auf einer der nächsten Seiten.■Ein 3D-Modell wird automatisch geladen und kann durch Drehung des Buchs von allen Seiten auf Ihrem Smartphone oder Tablet begutachten werden.■Das Foto an sich fungiert als sogenannter Tracker, Sie müssen es also innerhalb des Sichtfelds der Kamera behalten.

Et voilà! Das ist doch eine schöne Sache, die das Pariser Start-up da für uns programmiert hat, oder? So lassen sich 3D-Modelle interaktiv begutachten. Inwiefern wir diese Technik auch in der Druckvorbereitung nutzen können, erfahren Sie in einem Extrabeitrag auf der Webseite zum Buch.

Wenn Ihnen das alles zu schnell ging, gucken Sie sich unter http://bit.ly/augment-help einfach mein Demo-Video an.

Kleiner Tipp: Auch das Buchcover birgt ein Geheimnis. Die Augment App wird Ihnen die Lösung präsentieren …

Webseite zum Buch

Auf der Webseite zum Buch finden Sie viele weiterführende Informationen:

http://3dprintingbook.de

Dazu zählen unter anderem:

■Aktuelle Neuigkeiten aus dem Bereich 3D-Druck■Anmeldung zum Newsletter: http://news.3dprintingbook.de■Downloadmaterial zu den Übungen aus dem Buch (Beispieldateien, Druckeinstellungen etc.) und zusätzliche Praxisbeispiele■Linksammlungen■YouTube-Playliste zum Buch, mit allen Videos, die im Buch empfohlen werden: http://bit.ly/youtube-clips■Thingiverse-Sammlung zum Buch, mit allen 3D-Modellen, die besprochen werden: http://bit.ly/thingiverse-list■Feedback & Errata: Hier haben Sie die Möglichkeit, Anregungen, Kritik und Lob loszuwerden. Außerdem können Fehler im Text oder unverständliche Passagen gemeldet werden. Diese werden dann online korrigiert und in der nächsten Auflage berücksichtigt. Alternativ können Sie mir auch jederzeit eine E-Mail an [email protected] schicken.

Neuigkeiten rund ums Buch finden Sie darüber hinaus auch auf Facebook (http://fb.3dprintingbook.de) und Google+ (http://plus.3dprintingbook.de).

Ihr Reiseleiter

Jetzt hätte ich fast vergessen, mich Ihnen vorzustellen! Holen wir das noch schnell in einem kleinen Steckbrief (siehe S. 7) nach.

Übrigens: Eine Bauanleitung zur batteriebetriebenen Rucksackversion meines Ultimakers, die Sie auf dem Bild auf S. 7 sehen, finden Sie unter https://www.youmagine.com/designs/mobile-ultimaker-rucksack [1golAGK].

Persönliche Danksagungen

Mein innigster Dank gilt meiner Familie, insbesondere meinen Eltern Juliane und Werner Horsch, die mich immer unterstützen und mir vieles in die Wiege gelegt haben. Ein großer Dank gebührt meiner Falken-WG (Aktive und Alumni), also Sonja Noll, Josepha Hilmer, Louisa Louis Kirsch und Vincent Budéus. Ebenso danken möchte ich dem unermüdlichen Dr. Stephan Weiß und meiner allerliebsten Phyllis Messalina Gilch für ihre große Hilfe in den letzten Monaten. Ihr habt mich alle am Leben gehalten.4

Zwei Menschen, die – vielleicht ohne es zu wissen – viel in meinem Leben beeinflusst haben, habe ich dieses Buch gewidmet. Ich danke Uwe Wagner, der mir im jüngsten Alter ein großartiger Lehrer an meinem ersten Computer und Lötkolben war und bis heute immer ein offenes Ohr für mich hat. Ich verbeuge mich vor Enno Rey, der mir in den letzten Jahren kein besserer Mentor hätte sein können. Ich danke euch beiden zutiefst.

An dieser Stelle will ich auch meiner Lektorin Julia Stepp zu diesem Werk gratulieren. Ich bewundere Ihre große Ausdauer und Geduld mit mir. Ich danke Frau Stepp und dem Carl Hanser Verlag für die Initiative und das mir entgegengebrachte Vertrauen.

Inhaltlich haben zu diesem Buch viele Menschen einen großen Teil beigetragen. Ich danke herzlichst Dr. Hans J. Langer für das Vorwort und meinen Interviewpartnern Dr. Adrian Bowyer, Joris Peels, Erik de Bruijn, Dr. Markus Bagh, Alexander Oster, Asher Nahmias und David Braam. Ein herzliches Dankeschön geht an Professor Hörl und seine Frau Cornelia Regner-Hörl für den freundlichen Kontakt bezüglich der Verwendung der Wagner-Skulptur. Außerdem bin ich sehr dankbar für die vielen Fotos, die mir zur Verfügung gestellt wurden. Unübertroffen bleibt der Einsatz von Dr. Stephan Weiß hinter seiner fleckigen Kamera, mit der alle Fotos ohne anderslautende Quellenennung gemacht wurden. Um grande abraço com muita gratidão vai para Portugal para o meu amigo Luís Favas5, für die schöne Titelillustration. Ich danke außerdem Kathrin Powik für die schnelle Korrektur meiner kommafreien Texte.

Da dieses Buch im Rahmen meiner Bachelorarbeit entstanden ist, geht ein großer Dank an den Lehrstuhl für Umweltgerechte Produktionstechnik unter der Leitung von Prof. Dr.-Ing. Rolf Steinhilper an der Universität Bayreuth und insbesondere an meinen hilfsbereiten Betreuer Alexander Nagel.

Ohne die stetigen Aufmunterungen, Ideen und Tipps meiner engsten Freunde hätte ich es wohl nicht durchgehalten! Ich danke euch für eure treue Freundschaft: Sebastian Walter Junior, Manuel Seifried, Malte Borchert, Marcel Mahler, Eva Gradl und Mariella Kraus. Ein besonderer Dank gebührt meinem Cousin und Bruder im Herzen Christian Heckmann.

Viel Unterstützung erhielt ich außerdem aus Erfurt von Happiness Officer Ulrike Hemmann und ihrer tanzenden Hälfte Diana Keucher, den Schweizer Mannhart-Brüdern, Ludger Herget, dem Gründerforum Bayreuth e. V. und Elias Soybaba. An dieser Stelle will ich auch meinem Berater Oswald Walter Senior für die lehr- und hilfreichen Treffen danken. Genauso will ich unserem »Man of Bayreuth« Christian Wedlich für seine unkonventionelle Hilfe in vielen buchfremden Bereichen danken, was mir in stressigen Phasen viel Zeit erspart hat.

Stets hilfsbereit standen mir meine Freunde aus der 3D-Druck-Community zur Seite, insbesondere mein »Onkel« Paul Candler, Ian Spring, Daniel Ljungstig und seine Swedish House Mafia mit Anders und Olle, Gregor Luetolf, das gesamte Ultimaker Team und viele mehr.

Ein großes Dankeschön geht an alle Leserinnen und Leser, die die erste Auflage so positiv wahrgenommen und rezensiert haben. Besonders ausführliche und wertvolle Verbesserungsvorschläge kamen von Bernadette Schweng und Mark Gobald.

Bei einem Projekt dieser Größe werde ich sicherlich jemanden vergessen haben, aber ihr könnt euch meiner ewigen Dankbarkeit sicher sein.

Es war hart, aber gut. Thank you for believing.

Danksagungen an die Community

»If I have seen further it is by standing on the shoulders of giants.« (Sir Isaac Newton)

»Zwerge auf den Schultern von Riesen«: Manuskript-Ausschnitt (ca. 1410) aus der Lessing J. Rosenwald Sammlung, Library of Congress (Quelle: http://archive.org/details/EncyclopedicManuscriptContainingAllegoricalAndMedicalDrawings [1ckNbIH])

Meine eigenen Verdienste in der 3D-Druck-Welt sind an einer Hand abzuzählen. In diesem Buch will ich aber nicht nur mein Wissen teilen, sondern auch Botschafter für die Verdienste anderer sein. Unzählige talentierte Menschen haben in der 3D-Druck-Community über die letzten Jahre Großartiges geleistet. Einige will ich namentlich hier erwähnen.

Hinweis: Diese Liste ist per Definition unvollständig. Sie spiegelt nur mein Sichtfeld in die Community wider. In der noch jungen 3D-Druck-Bewegung trägt jeder seinen Teil zum gemeinsamen Fortschritt bei, und täglich bringen sich neue Talente mit viel Engagement ein. Bitte schreiben Sie mir, wenn ich jemand wichtigen vergessen habe.

Name

Webseite

Anmerkung

Adrian Bowyer

http://adrianbowyer.net/

Initiator des RepRap-Projekts

David Braam

https://www.ultimaker.com/

Entwickler von Cura

Erik de Bruijn, Martijn Elserman & Siert Wijnia

https://www.ultimaker.com/

Erfinder des Ultimaker und Gründer von Ultimaker B.V.

Paul Candler

http://bit.ly/paulcandler

Entwickler der legendären Ultra Quality netfabb Engine-Profile

colorFabb Team

http://colorfabb.com/

Filament-Experten aus den Niederlanden

Jonathan Dummer

http://kisslicer.com/

Entwickler von KISSlicer

Dave Durant

http://davedurant.wordpress.com/

Community-Mitglied der ersten Stunde und Skeinforge-Guru

faberdashery Team

http://www.faberdashery.co.uk/

Filament-Experten aus England

Gina Häußge

http://octoprint.org/

Entwicklerin von OctoPrint

Dr.-Ing. Martin Henschke & Angelo Malaguarnera

http://www.dr-henschke.de/ bzw. http://www.max3dshop.de/

Köpfe hinter dem RADDS Board und vielen anderen Geniestreichen

Nils Hitze

http://www.3ddinge.de/

3D-Druck-Evangelist und Organisator der Make Munich

Gary Hodgson

http://garyhodgson.com/

RepRap-Enthusiast und Co-Autor des RepRap-Magazins

Richard „RichRap“ Horne

http://richrap.com/

Einer der experimentierfreudigsten RepRap-Community-Mitglieder

Kliment, caru & midopple

https://github.com/kliment/Sprinter

Entwickler der Sprinter-Firmware

Bernhard Kubicek

http://bernhardkubicek.soup.io/

Erfinder des UltiController und aktiver Entwickler einiger Firmware-Add-ons

Roland Littwin

http://www.repetier.com/

Repetier-Entwickler

Vik Oliver

http://diamondage.co.nz/

RepRap Core Team und Filament-Experte

Alexander Oster

http://www.netfabb.com/

Entwickler der netfabb-Software

Rachel Park

http://3dprintingindustry.com

Die bezaubernde Grande Dame der Branche und Chefredakteurin von 3D Printing Industry <3

Dipl.-Ing. Kai Parthy

http://cc-products.de

Erfinder und Filament-Zauberer

Enrique Perez

http://fabmetheus.blogspot.de/

Entwickler von Skeinforge

Josef Jo Průša

http://josefprusa.cz/

RepRap Core Developer

Alessandro Ranellucci & Team

http://slic3r.org

Entwickler von Slic3r

RepRap Community

http://reprap.org

Wichtigste Community im 3D-Druck-Bereich

Johann Rocholl

https://github.com/jcrocholl

Entwickler des Rostock-und Kossel-3D-Druckers

Joris van Tubergen

http://rooiejoris.nl

Künstler und Protospace-Labmanager

Ultimaker Community

http://umforum.ultimaker.com

Meine erste Liebe! Diese Community hat mich gefesselt.

Anja van West

http://www.3ders.org/

Gründerin und Chefredakteurin von 3ders.org

Whosawhatsis

http://whosawhatsis.com/

Maker und 3D-Druck-Enthusiast

Erik van Zalm

https://github.com/ErikZalm

Entwickler von Marlin

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Alle fleißigen Mitglieder der 3D-Druck-Bewegung

1 3D-Druck kompakt: Ein Schnelleinstieg in die Technologie

In diesem Kapitel starten wir unsere Reise in die faszinierende Welt des 3D-Drucks. Um Sie fit für Ihre Maker-Karriere zu machen, werde ich Sie zunächst einmal mit den Basics der 3D-Druck-Technologie vertraut machen. Sie werden erfahren, wie die Technologie funktioniert, welche Einsatzmöglichkeiten sie jetzt schon bietet, und welche Chancen sie für die Zukunft bereithält. Sie werden Ihr erstes eigenes 3D-Modell modellieren, ein solides Verständnis für den schichtweisen Aufbau im 3D-Druck entwickeln und einen kurzen Überblick darüber erhalten, welchen Entwicklungsweg die Technologie in den letzten 30 Jahren bereits genommen hat. Abgerundet wird das Kapitel mit einigen Anwendungsbeispielen, die Sie hoffentlich dazu animieren werden, selbst Teil der 3D-Druck-Community zu werden. Sind Sie bereit? Dann kann es ja losgehen …

■ 1.1 Was ist eigentlich 3D-Druck?

Die Assoziationen mit dem Begriff 3D-Druck sind vielzählig. Wenn man das Thema zur Sprache bringt, begegnen einem die interessantesten Vorstellungen, was solch ein 3D-Drucker ist und kann. Hier sind einige meiner persönlichen Favoriten:

■Ein Drucker, der »Wackelbilder« erstellt (Bild 1.1): Der korrekte Fachbegriff hierfür ist Lentikularbild bzw. -druck. Es handelt sich dabei um ein Bild, das mittels optischer Linsen oder Prismen einen dreidimensionalen Eindruck erzeugt. Die Technik wurde 1908 von Gabriel M. Lippmann ins Leben gerufen.1

Bild 1.1 Eines der beliebten »Wackelbilder« (Lentikularbilder): Welches Motiv sich hinter der hier gezeigten Karte verbirgt, erfahren Sie unter http://youtu.be/SdwHiSS0l_g [1huTuqS].

■Ein Drucker, der Texte erhaben drucken kann, zum Beispiel auf hochwertigen Werbebroschüren oder Visitenkarten (Bild 1.2): Auch hierbei handelt es sich nicht um einen 3D-Drucker, sondern um das Prägedruckverfahren, welches in der farblosen Variante, der sogenannten Blindprägung, bereits zwischen dem 1. und 4. Jahrhundert Anwendung fand.2

Bild 1.2 Der Prägedruck fand oft auf Grußkarten Anwendung. Heute sind die Prägungen auch auf Visitenkarten populär (Foto © Uwe Mahler, Privatsammlung).

■Ein Drucker, der dreidimensionale Objekte, wie zum Beispiel Tassen, mit Bildern bedrucken kann (Bild 1.3): Hier wäre der Begriff 3D-Druck an sich sehr passend, tatsächlich handelt es sich jedoch um das 1968 von Wilfried Philipp entwickelte Tampondruckverfahren, das großflächig zur Bedruckung gebogener Oberflächen eingesetzt wird.3

Bild 1.3 Eine bedruckte Tasse aus der NICHTLUSTIG-Kollektion4 (Tassendesign: © Joscha Sauer)

All diese Ideen sind logisch hergeleitet, doch um einen 3D-Drucker handelt es sich in keinem dieser Fälle. Wenn man nun mit ein wenig Epos in der Stimme darüber aufklärt, dass ein 3D-Drucker nicht etwa die Beschriftung einer Tasse, sondern die Tasse selbst druckt, blickt man in erstaunte und freudig begeisterte Gesichter.

Die häufigen Fehlinterpretationen zeigen, dass der Begriff 3D-Drucker alles andere als selbsterklärend zu sein scheint. Ein Begriff wie Objektersteller würde vermutlich leichter zu verstehen geben, um was es sich bei dieser Maschine handelt. Aber auch das würde der Verwunderung der Öffentlichkeit, dass es Maschinen gibt, mit denen man nahezu jeden Gegenstand auf Knopfdruck herstellen kann, keinen Abbruch tun. Außerdem suggeriert der Begriff Drucker genau die für den 3D-Druck relevanten Eigenschaften:

■Erzeugung oder Vervielfältigung von Druckgütern■Nutzung eines Verbrauchsmaterials■Digitale Vorlage der Druckdaten

Hier werden schon die ersten Überschneidungen deutlich. Auch die Erschwinglichkeit und der Automatisierungsgrad von 2D-Druckern lassen deutliche Parallelen zum wachsenden Heimanwendermarkt von 3D-Druckern erkennen.

Bild 1.4 Luther ganz aus dem Häuschen: Einer der größten Profiteure des Buchdrucks fragt sich, was er alles mit einem 3D-Drucker anfangen könnte. (Male Models: der Erfurter Stadtführer Matthias Gose und Christian Fothe, Messe Erfurt, Foto: © Baui)

Auf einer eher philosophisch angehauchten Ebene finde ich den Vergleich zwischen konventionellen 2D-Druckverfahren und den, im Vergleich noch jungen, 3D-Druckverfahren noch sehr viel spannender. Es drängt sich die Frage auf, ob 3D-Drucker unsere Zivilisation und ihre kulturelle Entwicklung so entscheidend prägen werden, wie es ab Mitte des 15. Jahrhunderts der Buchdruck getan hat. Konkreter gefragt: Was passiert, wenn jeder Mensch über Herstellungskapazitäten verfügt und nicht mehr von großen Konsumgüterherstellern abhängig ist? Die viel beschworene dritte industrielle Revolution lässt grüßen! Mehr dazu erfahren Sie in Abschnitt 1.4.

Eine Frage der Dimension

Wir bleiben erst einmal bei den Basics und stellen uns die simple Frage:

»Wie schreibt man einen Brief?«

Die Antwort lautet:

»Man nehme Stift und Papier, schreibe seinen Text und fertig ist der Brief.«

Oder etwas moderner:

»Man startet sein bevorzugtes Textbearbeitungsprogramm, tippt seinen Text ein, klickt aufden Druck-Button und fertig ist der Brief.«

So weit kennt das jeder noch. Nun bewegen wir uns in die dritte Dimension und fragen uns:

»Wie stellt man eine Tasse her?«

Eine klassische Antwort würde lauten:

»Man startet den Drehtisch, formt einen Klumpen Ton und brennt das Ergebnis im Ofen. Fertig ist die Tasse!«

Eine Antwort unter Einbeziehung der 3D-Druck-Technik könnte lauten:

»Man startet seine Konstruktionssoftware und erstellt eine Tasse anhand von Formeln, rotationssymmetrischen Linien, primitiven Grundformen, Freiformen oder einer Kombination all dieser Techniken. Danach wird das neu erstellte 3D-Modell im STL-Format exportiert und in die Slicing-Software geladen. Dort bestimmt man Schichtstärken, Drucktemperaturen und Geschwindigkeiten sowie eine Vielzahl weiterer Parameter. Das 3D-Modell wird in der Software in dünne, zweidimensionale Schichten zerlegt und in Form von Maschinen-Codes gespeichert. Der erzeugte Code wird nun an den 3D-Drucker übertragen. Dort wird Schicht für Schicht Material (abhängig von dem verwendeten Verfahren) aufeinander aufgetragen, bis die Form der Tasse vollendet ist.«

Für Neueinsteiger mag die letzte Antwort etwas verwirrend klingen.5 Fachbegriffe sind absichtlich noch nicht weiter erläutert. Nachdem Sie nun möglicherweise verwirrter als zu Beginn sind, fangen wir am besten noch mal von vorne an – und zwar mit einer ersten Übung, über die wir uns dem Thema 3D-Druck auf ganz praktische Weise nähern.

Keine Angst!

Lassen Sie sich jetzt bloß nicht von der vorangegangenen Kurzdefinition der 3D-Druck-Technik abschrecken. Ziel der Definition war es, die Komplexität des Prozesses anzudeuten. Wie so oft lässt sich auch der 3D-Druck in einfache Teilschritte zerlegen …

■ 1.2Vom 3D-Modell zum Schichtmodell

Bevor man überhaupt etwas drucken kann, braucht man zuallererst einmal ein digitales 3D-Modell. Der einfachste Weg ist es, vorgefertigte Daten zu verwenden, die Sie sich aus dem Internet herunterladen können. Doch dies läuft der Grundidee des 3D-Drucks, der völlig freien Umsetzung eigener Ideen, eigentlich zuwider. Viel schöner ist es, wenn man sich sein 3D-Modell selbst designen kann. Man sollte jedoch nicht verschweigen, dass einem das Bedienen von 3D-Software nicht unbedingt in den Schoß fällt. Allein zu diesem Thema wurden etliche Bücher verfasst, insofern dürfen Sie nicht erwarten, dass ich Ihnen im Rahmen dieses Buchs die ganze Welt der 3D-Modellierung bis hin zum letzten Mausklick erkläre. Stellen Sie sich also auf eine Vielzahl von ergänzenden Tutorials und Übungsstunden ein. Aber eines vorab: Jede Minute, die Sie in den Ausbau Ihrer 3D-Modellierungsfähigkeiten investieren, wird sich auszahlen!

Genug der Vorrede – fangen wir mit einer kurzen Übung an, um sicherzustellen, dass niemand über dem Buch einschläft.

1.2.1 Übung 1: Schnelleinstieg in die 3D-Modellierung

Übung 1: Unser erstes 3D-Modell

Zusammenfassung: Vom Kreis über den Zylinder zur Tasse

Ziel: Erste Schritte im 3D-Zeichenprogramm SketchUp Make wagen und eine einfache Tassenform erstellen

Verwendete Hardware: Computer

Verwendete Software: SketchUp Make

Hilfreiche Werkzeuge: Maus mit Scrollrad

Wichtige Links:

■http://sketchup.com■http://www.sketchup.com/learn [19Tb8nI]

Bild 1.5 So oder so ähnlich wird in wenigen Minuten Ihr erstes 3D-Modell aussehen.

Download und Installation der 3D-Software SketchUp Make

1. Laden Sie sich SketchUp Make unter http://sketchup.com herunter.

■Eine deutsche Version ist verfügbar. Wählen Sie hierzu Deutsch als Webseitensprache aus. Ich werde im Folgenden die englische Version verwenden (mehr dazu in der nächsten Infobox).■Wählen Sie beim Verwendungszweck PERSONAL PROJECTS aus, um die kostenlose SketchUp Make-Version herunterzuladen. Bei kommerzieller Verwendung empfiehlt sich der Kauf der SketchUp Pro-Version. Lassen Sie sich nicht verwirren: Beim Download der SketchUp Make-Version bekommen Sie für die ersten acht Stunden alle Funktionen der SketchUp Pro-Version zur Verfügung gestellt.■Ob Sie Ihre Daten und Interessen weitergeben wollen, überlasse ich selbstverständlich Ihnen. Die Eingabe von [email protected] oder die Auswahl von Other führt nach der Bestätigung der Lizenzvereinbarung auch zum Download.

2. Installieren und starten Sie die Software.

Praxistipp: Sollte Ihnen in der folgenden Anleitung etwas unklar sein, sehen Sie sich am besten die Einführungsvideos unter http://www.sketchup.com/learn an. Dort werden die Funktionen wesentlich ausführlicher erklärt. Mit ein wenig Experimentierfreude sollten Sie aber auch mit der hier geschilderten Vorgehensweise zum Ergebnis kommen.

Eine Tasse 3D-Latte, bitte! Die Erstellung Ihres ersten 3D-Modells

3. Wählen Sie unter Template die Vorlage Product Design & Woodworking – Millimeters aus. Diese eignet sich für unser Vorhaben am besten. Bestätigen Sie mit Start using SketchUp.

4. Drücken Sie C, um das Kreis-Werkzeug anzuwählen (Bild 1.6).

■Bewegen Sie den Mauszeiger in die Mitte des Achsenkreuzes und klicken Sie die linke Maustaste, sobald ein gelber Punkt (mit der Beschriftung Origin) erscheint.■Geben Sie 40mm ein, um einen Radius von 40 mm zu erzeugen. Sie müssen dafür nicht in das Radius-Feld klicken, sondern können einfach lostippen.■Bestätigen Sie den Vorgang mit der Enter-Taste. Sie haben nun einen Kreis mit 80 mm Durchmesser erzeugt. Bisher ganz einfach, oder? Wenn dennoch ein Problem auftrat, versuchen Sie es einfach noch mal. Sie können jederzeit einzelne Schritte durch die Tasten STRG + Z bei Windows bzw. cmd + Z bei Mac OS X rückgängig machen.■Hinweis: Fällt Ihnen auf, wie eckig unser Kreis ist? Sie können die Anzahl der Elemente verändern, aus denen ein Kreis in SketchUp berechnet wird. Für 100 Kreissegmente geben Sie z. B. direkt nach der Erstellung eines Kreises 100s ein und bestätigen dies mit der Enter-Taste.■Nun ist ein guter Zeitpunkt, um die Navigation im dreidimensionalen Raum zu üben. Mit den Orbit- (Taste O), Pan- (Taste H) und Zoom-Werkzeugen (Taste Z) gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, im Raum zu navigieren. Am besten probieren Sie es selbst aus. Sollten Sie den Überblick verlieren, können Sie über STRG + 7 bei Windows bzw. cmd + 7 bei Mac OS X in die Standardansicht zurückspringen. Übrigens: Das Zoomen lässt sich auch bequem mithilfe des Scrollrads an Ihrer Maus bewerkstelligen.

Bild 1.6 Das Erstellen eines Kreises

Do you speak English?

Ihnen wird aufgefallen sein, dass auf den Screenshots (oder sollte ich sagen: »Bildschirmfotos«?) die englische Version der verwendeten Software zu sehen ist. Das liegt zum einen daran, dass von neuen Programmen oft nur englische Versionen verfügbar sind. Zum anderen liegt es an meiner persönlichen Überzeugung, dass eine einheitliche Sprache die mehrheitlich internationale Diskussion mit anderen 3D-Druck-Fans enorm vereinfacht, und wir uns deshalb mit den jeweiligen Fachtermini vertraut machen sollten.

Ich werde jedoch immer darauf hinweisen, wenn deutsche Versionen verfügbar sind. Es sollte für Sie dann ein Leichtes sein, die Begriffe über die entsprechenden Symbole oder Funktionalitäten richtig zuzuordnen.

5. Im nächsten Schritt wollen wir nun aus dem zweidimensionalen Kreis einen dreidimensionalen Zylinder formen. Hierzu wählen Sie über die Taste P das Push/Pull-Werkzeug aus (Bild 1.7).

■Bewegen Sie das Werkzeug über die Kreisfläche, und klicken Sie diese mit der linken Maustaste einmal an.■Bewegen Sie nun den Mauszeiger nach oben. Sie sehen jetzt, wie der Zylinder aus der Fläche herausgezogen (= pull) wird.■Wie in Schritt 4 wollen wir den Vorgang jetzt noch bemaßen. Dafür geben Sie einfach 100 mm ein und bestätigen dies mit der Enter-Taste. Sie haben jetzt einen Zylinder mit 80 mm Durchmesser und einer Höhe von 100 mm vor sich stehen.

Bild 1.7 Aus dem Kreis wird mithilfe des Pull-Werkzeugs ein Zylinder.

6. Jetzt müssen wir den Zylinder nur noch aushöhlen. Hierzu nutzen wir eine Kombination aus zwei Werkzeugen. Wählen Sie über die Taste F das Offset-Werkzeug aus (Bild 1.8).

■Klicken Sie mit der linken Maustaste auf die Oberseite des Zylinders.■Bewegen Sie nun den Mauszeiger in Richtung des Kreismittelpunkts. Sie sehen einen Abdruck der Kreislinie – dies wird die Innenseite Ihrer Tasse.■Geben Sie 5mm ein. Anschließend bestätigen Sie mit der Enter-Taste.

Bild 1.8 Das Offset-Werkzeug orientiert sich an bereits vorhandener Geometrie.

Viele Wege führen nach Rom

Anstatt des Offset-Werkzeugs hätten Sie auch das Kreis-Werkzeug (Taste K) wählen und, nachdem Sie mit dem Select-Werkzeug (Leertaste) die Oberseite markiert haben, vom Oberflächenmittelpunkt aus einen Kreis mit dem Radius 35 mm zeichnen können. Wie so oft bei der 3D-Modellierung können die Werkzeuge beliebig kombiniert werden. Am Ende kommt man immer zum gleichen Ergebnis – teilweise aber mit unterschiedlichem Aufwand!

7. Wählen Sie nun wieder das Push/Pull-Werkzeug aus. Drücken Sie dazu einfach die Taste P (Bild 1.9).

■Mit einem Linksklick auf den kleinen Kreis und einer Mausbewegung nach unten höhlen Sie den Zylinder aus.■Durch die Eingabe von 95mm und eine Bestätigung mit der Enter-Taste haben Sie nun einen Becher mit einem 5 mm dicken Rand und Boden erzeugt.

Bild 1.9 Ihr erster eigener 3D-Becher ist fertig!

Röntgenblick gefällig?

Unter View→Face Style→X-Ray können Sie sich eine Extraportion Überblick in SketchUp verschaffen. Die Modelle werden in dieser Ansicht transparent dargestellt. So können wir zum Beispiel auch die Innenseite des Bechers betrachten.

8. Und damit sind wir fertig! Das war doch gar nicht so schwer, oder? Das fertige Modell finden Sie auch im Downloadbereich unter http://3dprintingbook.de. Falls Sie Ihre eigene Kreation für einen späteren 3D-Ausdruck speichern möchten, benötigen Sie das SketchUp STL-Plug-in6. Nach der Installation speichern Sie das Plug-in über File→Export STL.

Darf es etwas mehr sein? Feintuning des 3D-Modells

Der Becher könnte bei genauerem Hinsehen noch einen Henkel und die ein oder andere Verzierung vertragen. Daher ein paar Tipps für besonders ambitionierte Leser:

1. Aktivieren Sie die große Werkzeugpalette über View→Tools Palettes→Large Tool Set. So stehen Ihnen noch mehr Werkzeuge zur Verfügung.

2. Versuchen Sie mit dem Arc- (Taste A), dem Offset- (Taste F), dem Line- (Taste L) und dem mächtigen FollowMe-Werkzeug (Taste nicht belegt, suchen Sie einfach in der großen Werkzeugpalette) einen Henkel zu montieren:Hinweis: Achten Sie darauf, dass alle Flächen, die mit dem FollowMe-Werkzeug bearbeitet werden sollen, auch geschlossen sein müssen. Nutzen Sie das Line-Werkzeug, um eventuelle Lücken zu schließen. Falls Ihnen diese Tipps nicht genügen sollten, können Sie sich die Hilfevideos unter http://www.sketchup.com/learn ansehen.

3. Falls Sie eine Schrift aufbringen wollen, hilft Ihnen folgendes Tutorial von Joshua Castro weiter: http://www.youtube.com/watch?v=AK_aQYHZZ1U [1adseKS].

1.2.2 Übung 2: Das 3D-Druckverfahren – Schicht für Schicht zum Erfolg

Herzlichen Glückwunsch zu Ihrer ersten digitalen Tasse! Anstelle einer Tasse hätten Sie selbstverständlich auch jede andere beliebige Form modellieren können. Egal ob Ersatzteile einer kaputt gegangenen Maschine, ein Last-Minute-Geschenk für einen Freund oder Bauteile für das eigene Hobby – alles ist möglich. Nur unsere, vielleicht etwas eingerostete, Kreativität kann uns noch im Weg stehen.

Kaffee oder Tee kann man aus unserer digitalen Tasse im Moment jedoch noch nicht trinken, zumindest nicht ohne die Elektronik des eigenen Laptops zu gefährden. Um sie nutzen zu können, müssen wir sie erst noch ausdrucken. Wenn wir jetzt noch einmal den Vergleich zum 2D-Tintenstrahldrucker oder -Laserdrucker ziehen, scheint das weitere Vorgehen bis zum fertigen Endprodukt kinderleicht zu sein: Wir klicken einfach auf Drucken und schon halten wir die fertige Tasse in unseren Händen. Stopp! Ganz so schnell geht es leider nicht. Es gilt noch eine Vielzahl von Unklarheiten zu beseitigen. Dazu zählen folgende Fragen:

■In welchem Datei-Format muss das 3D-Modell vorliegen?■Muss das 3D-Modell noch weiter aufbereitet werden, bevor es druckbar ist?■Wo kann ich drucken? Benötige ich überhaupt einen eigenen 3D-Drucker?■Welches Material verwende ich zum Drucken?■Mit welchem 3D-Drucker bzw. Druckverfahren kann ich welches Material verarbeiten?■Welche Einstellungen gibt es, um die Qualität und die Eigenschaften des Drucks zu verändern?■Wie kann ich das Druckergebnis weiterverwenden oder nachbearbeiten?

Wir müssen uns also Schritt für Schritt, oder besser Schicht für Schicht, an die Antworten herantasten. Doch bevor wir uns um Details wie Dateiformate, notwendige Vorarbeiten, verfügbare Materialien und mögliche Nachbearbeitungen kümmern, will ich Ihnen erst einmal erklären, wie die 3D-Druck-Technologie funktioniert.

Das 3D-Druckverfahren an sich arbeitet nicht wirklich dreidimensional, sondern je Arbeitsschritt zweidimensional. Erst die Aneinanderreihung mehrerer dieser Schritte führt zu einem Aufbau in der dritten Dimension. Klingt kompliziert? Ist es eigentlich gar nicht, sofern man verstanden hat, dass im 3D-Druck alles aus Schichten besteht.

Um dieses Verständnis zu stärken, kommen wir nun zu unserer zweiten Übung.

3D-Druck − ein Schichtverfahren

Übung 2: Fruchtige Pause

Zusammenfassung: Die 3D-Druck-Welt besteht aus vielen Scheiben.

Verwendete Hardware: Obst oder Gemüse, z. B. eine Birne

Hilfreiche Werkzeuge: Ein scharfes Messer und ein Schneidebrett

Ziel: Auf spielerische Weise Verständnis für das 3D-Druckverfahren schaffen – und darüber hinaus: Stärkung des Lesers, sowohl körperlich wie auch geistig

Bild 1.10 Eine Birne hoch über Bayreuth: Was hat sie mit 3D-Druck zu tun?

1. Besorgen Sie sich ein Stück Obst oder Gemüse Ihrer Wahl. Aufgrund der interessanten Form habe ich mich für eine Birne entschieden.

2. Schneiden Sie die Birne von der Kelchöffnung bis zum Stiel in Scheiben (ca. 5 mm dick). Die einzelnen Scheiben sollen unsere Schichten im 3D-Druck repräsentieren.

Bild 1.11 Slicing done! Die Birne ist in ihre Schichten zerlegt.

Schichthöhe

Beim 3D-Druck werden die 3D-Modelle virtuell in Schichten zerlegt. Die Schichthöhe (= layer height), also die Höhe der einzelnen Schichten, hat hier gravierenden Einfluss auf die Qualität des Druckergebnisses. Mit dünneren Schichten erhalten Sie eine feinere Oberflächenqualität. Wie in unserer kleinen Birnen-Übung würde dadurch jedoch die benötigte Zeit zum Zerlegen (= slicing time), und noch wichtiger, die Zeit für den Zusammenbau − also die Druckzeit (= build time) − steigen.

3. Machen Sie das Schneidebrett leer. Das leere Brett fungiert nun als unser Druckbett (= print bed).

4. Jetzt bauen wir unsere Birne wieder auf – handgemachter 3D-Druck sozusagen! Hierzu legen Sie die unterste Schicht der Birne auf das Druckbett. Stapeln Sie die weiteren Scheiben der Reihe nach auf.

Schicht für Schicht entsteht so eine Birne – genial einfach, oder? Nun haben Sie hoffentlich ein grundlegendes Verständnis dafür entwickelt, wie der schichtweise Aufbau beim 3D-Drucken funktioniert. Was noch gesagt werden sollte: Mit Essen spielt man nicht, zumindest nicht, ohne es später genüsslich zu vernaschen. Guten Appetit!

Die erste Schicht

Wenn die Birne zu sehr wackelt und Sie Probleme haben, die Scheiben übereinander zu stapeln, nehmen Sie einfach die unterste Schicht aus dem Stapel, um eine stabilere Grundlage zu erhalten.

Interessanterweise ist die Haftung (= adhesion) und Stabilität der ersten Schicht auch beim 3D-Druck ungemein wichtig. In der Praxis steht hier eine Vielzahl nützlicher Hilfsmittel zur Verfügung.

Bild 1.12 Handgemachter 3D-Druck: Schicht für Schicht entsteht eine Birne.

1.2.3 Die Schicht – Ihr Freund und Feind

Fassen wir zusammen: Mit einem 3D-Drucker kann man beliebige Objekte herstellen. Eine digitale Vorlage muss in Form eines 3D-Modells erstellt werden und anschließend von einer speziellen Software (dem sogenannten Slicer) in dünne Schichten zerlegt werden. Diese Schichtdaten werden dann in einem 3D-Drucker interpretiert und der Reihe nach aus einem Material aufeinander aufgetragen, bis der Gegenstand fertiggestellt ist.

Vom Prinzip her ist das ganze erstaunlich einfach. Das große Potential, aber auch die vielen kleinen technischen Herausforderungen, stecken im Detail.

Die Schicht, Ihr Freund: Große Designfreiheit

Widmen wir uns zuerst den positiven Seiten. Durch den schichtweisen Aufbau genießen Sie im 3D-Druck eine enorme Freiheit beim Design Ihrer 3D-Modelle. Konventionelle Verfahren, wie das Fräsen und Drehen, arbeiten subtraktiv.7 Ausgangspunkt des Herstellungsprozesses ist hierbei ein Materialblock, der durch entsprechende Werkzeuge abgetragen wird − so lange bis der gewünschte Körper übrig bleibt. Neben den dabei anfallenden Spänen, die zwar als Abfall recycelt werden können, gibt es einen weiteren Nachteil. Dadurch, dass die Werkzeuge von außen an den Materialblock herangeführt werden und je nach Ausführung nur über einen begrenzten Bewegungsspielraum verfügen, können manche Geometrien in diesem Verfahren schlichtweg nicht hergestellt werden.

Beim sogenannten Spritzgießen8, dem gängigsten Verfahren, wenn es um die Herstellung von Kunststoffkomponenten in großen Stückzahlen geht, werden für einen effizienten Betrieb einige Einschränkungen in Kauf genommen. Da der Spritzguss auf hohlen Formen (im Fachjargon schlicht Werkzeuge genannt) basiert, muss immer darauf geachtet werden, dass man die Teile nach dem Einspritzen des Kunststoffs auch wieder auswerfen kann. Es müssen also auch hier Abstriche bei der Designfreiheit gemacht werden.

Um meine Botschaft deutlich zu machen und nicht unnötig tief in die Details konventioneller Verfahren9 einzusteigen, werde ich ein Beispiel heranziehen, dass ganz sicher nicht mit subtraktiven Verfahren oder typischen Spritzgussverfahren an einem Stück herstellbar ist: Das sagenumwobene Mystery-Modell.

Bild 1.13 Das Mystery-Modell

Das Mystery-Modell mutet von außen ein bisschen wie eine kleine Hütte oder ein Silo an. Die große Überraschung verbirgt sich im Inneren des zylindrischen Mittelteils. Der ist nämlich, wie man in der transparenten Drahtgitteransicht in Bild 1.13 oder per Augment App10 erkennen kann, hohl und beinhaltet eine Kugel.

Jedem dürfte einleuchten, dass man dieses 3D-Modell nicht in einem Stück durch eines der bereits erwähnten Verfahren herstellen kann. Hier kommt die sogenannte generative Fertigung (= Additive Manufacturing) ins Spiel. Also genau das, was ich auf den letzten Seiten etwas lapidar als 3D-Druck bezeichnet habe. Anstelle eines subtraktiven Vorgehens tritt das aufbauende Schichtverfahren in Kraft, welches ganz neue Möglichkeiten bezüglich der Designfreiheit und abbildbarer Geometrien mit sich bringt (Bild 1.14).

Bild 1.14 Die generative Fertigung nimmt dem Mystery-Modell seinen Zauber.

Komplexe, geometrische Figuren stellen kein Problem mehr dar. Die Kugel im Inneren des Mystery-Modells wird gleichzeitig mit der Außenhülle Schicht für Schicht hergestellt. Durch den schrittweisen Aufbau können geschlossene oder schwer zugängliche Innenräume beliebig ausgestaltet werden. Ganz schön cool, oder?

App-Empfehlung: 123D Make

Inhalt: Kurzvorstellung einer tollen Bastel-App mit 3D-Druck-Bezug

Verwendete Hardware: iPhone, iPad oder Computer

Verwendete App: Autodesk 123D Make

Hilfreiche Werkzeuge: Maus

Wichtige Links:http://www.123dapp.com/make

Bild 1.15 123D Make: Steckpuzzles selbst herstellen

Die Visualisierungen des Mystery-Modells in Bild 1.14 wurden mit 123D Make von Autodesk erstellt. Das Programm ist eigentlich nicht für die Verwendung im 3D-Druck gedacht, eignet sich aber hervorragend, um den schichtweisen Aufbau zu verdeutlichen. Darüber hinaus kann man mit der kostenlosen Software kinderleicht eigene Steckpuzzles und Faltmodelle aus 3D-Modellen erstellen.

Installieren Sie sich die Software einfach mal und spielen damit herum! Die Pläne können ausgedruckt und in Handarbeit oder per Lasercutter geschnitten werden. Selbst die Aufbauanleitung wird automatisch generiert.

Aber funktioniert 3D-Druck wirklich so einfach wie im Schichtmodell dargestellt? Aus welchem Material werden eigentlich die Schichten hergestellt, und wie werden sie technisch ausgebracht? Sie haben es geahnt − ganz so unkompliziert ist es auch wieder nicht!

3D-Drucker ist nicht gleich 3D-Drucker. Es gibt eine ganze Palette von Verfahren, die den Schichtaufbau technisch vollkommen unterschiedlich lösen. Die fünf wichtigsten werden Ihnen ausführlich in Kapitel 3 vorgestellt. Bis dahin soll uns vorerst der Hinweis genügen, dass man, je nach Verfahren, neben diversen Kunststoffen auch Metalle und sogar Keramik in ihnen verarbeiten kann. Alle Verfahren haben den schichtweisen Aufbau gemeinsam. Wir müssen uns daher auch mit der grundlegenden Problemstellung dieser Vorgehensweise auseinandersetzten.

Die Schicht, Ihr Feind: Überhänge und Oberflächenqualität

Bild 1.16 Die Überhangsproblematik: Wo soll sich der Schirm des Pilzes aufstützen?

Stellen Sie sich vor, dass wir einen Pilz ausdrucken möchten. Wir fangen unten am Stiel an und bauen Schicht für Schicht in Richtung Himmel auf. Auf halber Höhe kommt es dann auf einmal zum Problem. Die ersten Schichten des weit ausladenden Hutes haben keine unterliegenden Schichten, auf denen man sie ablegen könnte (Bild 1.16). Der Drucker müsste also in die Luft drucken. Es handelt sich hierbei um sogenannte Überhänge (= overhangs), die einem im 3D-Druck regelmäßig Kopfzerbrechen bereiten. Je nach Verfahren bereiten Sie nämlich kleinere oder gerne auch mal größere Unannehmlichkeiten. Aber keine Angst, jeder Überhang kann durch ein wenig Sachverstand und Übung zufriedenstellend bewältigt werden. Das verfahrensspezifische Fachwissen hierfür erhalten Sie in Kapitel 3, praktische Übungen folgen in Kapitel 4 und 5.

Bild 1.17 links: Pilz im Querschnitt, Mitte: Überhänge in Rot markiert, rechts: Supportstrukturen, die den Pilz stützen

An dieser Stelle soll es erst einmal nur um die Schärfung Ihrer Sinne gehen. Ab heute werden Sie mit anderen Augen durch die Welt gehen und jedes Objekt gedanklich auf 3D-Druckbarkeit überprüfen. Ihr Blick wird Gegenstände in Ihrer Umwelt zur besseren Übersicht im Profil zerschneiden, auf starke Überhänge hin untersuchen und nach Bedarf fiktive Stützstrukturen, den sogenannten Support, einziehen (siehe Bild 1.17). Sie werden spielerisch ein Gespür dafür entwickeln, wie man ein Druckobjekt intelligent im Druckraum ausrichtet, um Support zu sparen, oder wie man sogar ganz auf ihn verzichten kann. Diese Aufgabe nimmt Ihnen später nur in den wenigsten Fällen die Software ab.

Ein weiterer Nachteil des schichtweisen Aufbaus sind die Schichten selbst. Denn sie sind, je nachdem wie dick sie gedruckt wurden, mit dem bloßen Auge sichtbar. Je nach Verfahren und Leistungsfähigkeit des 3D-Druckers werden sie typischerweise zwischen 0,01 und 0,4 Millimeter dünn aufgetragen. Insbesondere bei Schrägen (vgl. Bild 1.18) wird bei Schichthöhen jenseits der 0,1-Millimeter-Schwelle ein Treppenstufeneffekt deutlich sichtbar. Einerseits machen sich sehr dünne Schichthöhen zwar durch bessere Oberflächenqualität positiv bemerkbar, sie vervielfachen aber auch die benötigte Druckzeit. Die Formel hierzu ist einleuchtend: Jede Schicht benötigt eine bestimmte Zeit. Wenn Sie ein 3D-Modell bei gleichbleibender Größe anstatt mit 0,2 mm dünnen Schichten auf einmal mit noch dünneren Schichten von 0,1 mm drucken möchten, verdoppelt sich die Anzahl der benötigten Schichten und somit auch die Druckzeit.

Bild 1.18 rechts: 0,05 mm Schichthöhe, links: Der Treppenstufeneffekt ist klar zu erkennen (0,35 mm Schichthöhe).

Das Kleine Einmaleins des 3D-Drucks ist hiermit beendet. Wenden wir uns nun der Entstehungsgeschichte der ersten 3D-Druckverfahren zu, die viel weiter zurückreicht als Sie vielleicht vermuten würden.

MATAERIAL – Ein wahrhaftiger 3D-Drucker

Ist Ihnen eigentlich aufgefallen, dass wir es durch den schichtweisen Aufbau gar nicht mit richtigen 3D-Druckern zu tun haben? Bei genauer Betrachtung werden ja ausschließlich zweidimensionale Schichten übereinander gelegt, bis sich etwas Dreidimensionales daraus ergibt. In der Fachliteratur ist daher auch manchmal von einem 2.5D-Verfahren die Rede.11

Mit dem MATAERIAL-Konzept12 hat ein Forscherteam des Institute for Advanced Architecture of Catalonia (IAAC) im Mai 2013 eindrucksvoll ein vollwertiges 3D-Druckverfahren vorgestellt (Bild 1.19). Ähnlich ausgerichtete Ansätze machen von Zeit zu Zeit die Runde im Internet.

Bild 1.19 Der Abschied vom 2D-Schichtmodell ist sehenswert: https://vimeo.com/55657102 [17dqDl6] (Foto: © MATAERIAL)

Das Freeform-3D-Projekt von Brian Harms und seinem Team ist zum Beispiel noch experimenteller und druckt mithilfe eines Roboterarms Harze in ein mit Haargel gefülltes Becken.13 Die ersten visuellen Eindrücke solcher Projekte lassen Vorfreude auf die Zukunft aufkommen. Eine Kommerzialisierung der neuen Ansätze steht noch aus.

Wie man auch mit einfachen Mitteln wirklich dreidimensional drucken kann, zeigt Joris van Tubergen mit seinen kreativen Software-Add-ons Wave und Skew: http://youtu.be/j40gCYFXdm8 [19u9KDC]

■ 1.3Wie alles begann − die Entstehungsgeschichte des 3D-Drucks

Durch die immer größer werdende mediale Aufmerksamkeit, die der 3D-Druck seit einigen Jahren weltweit erfährt, könnte man meinen, dass es sich um eine brandneue Technik handelt.14 Das stimmt aber gar nicht. Der erste 3D-Drucker wurde bereits 1983 von Charles W. Hull erfunden.15 Es handelte sich dabei um einen sogenannten Stereolithographie-Drucker, bei dem flüssige Photopolymere durch UV-Licht, Schicht für Schicht ausgehärtet werden. Charles »Chuck« Hull ist heute noch stellvertretender Vorstandsvorsitzender und CTO (Chief Technology Officer) der, von ihm im Jahre 1968 mitgegründeten, 3D Systems Corporation (DDD).

Neben der Stereolithographie existieren weitere Druckverfahren, die durch Branchengrößen wie Stratasys Ltd. (SSYS, gegründet 1989), EOS GmbH16 (gegründet 1989) und Objet Geometries Ltd. (gegründet 1999) entwickelt und vertrieben werden. Die Entstehungsgeschichte des, für industrielle Anwendungen sehr wichtigen, Selektiven Lasersinterverfahrens (SLS), bei dem ein Laser stellenweise Kunststoffpulver verfestigt, ist ausführlich auf der Webseite der University of Texas at Austin dokumentiert, wo die Pioniere dieses Verfahrens beheimatet sind.17 Nur zwei Jahre nach Fertigstellung der ersten kommerziell angebotenen SLS-Anlage, der sogenannten Sinterstation 2000, brachte 1994 auch die deutsche EOS GmbH mit der EOSINT P 350 eine eigene Anlage auf den Markt. Durch stetige Weiterentwicklungen war es mit einer Variante des Verfahrens, dem sogenannten Direkten Metall-Laser-Sinterns (DMLS), auch bald möglich, metallische Pulver zu verarbeiten.

Bild 1.20 FDM-Maschinen für die Industrie: Die aktuelle Produktpalette der Fortus-Serie mit einem maximalen Bauvolumen von 914 × 610 × 914 mm (Foto: © Stratasys)

Zur gleichen Zeit ging die amerikanische Stratasys Ltd. an die Börse und baute Schritt für Schritt ihre dominierende Stellung im Bereich Fused Deposition Modeling (FDM) aus. In dem in diesem Buch vorrangig behandelten Verfahren wird ein Kunststoffdraht aufgeschmolzen und durch eine heiße Düse in dünnen Bahnen nebeneinander ausgebracht. Das dazugehörige Patent US5121329, in dem das Verfahren 1989 beschrieben wurde, lief im Oktober 2009 aus und eröffnete so einen bis dahin nicht vorstellbare Vielfalt an neuen Akteuren in diesem Bereich.

1.3.1 Das RepRap-Projekt – die Wiege des heimischen 3D-Drucks

Aber woher kam das plötzliche Interesse einer aktiven Entwicklergemeinschaft für diese Technik? Einige Jahre, bevor das eben erwähnte wichtige Patent auslief, beschrieb Dr. Adrian Bowyer18, damals Dozent an der University of Bath, in seinem Aufsatz »Wealth without money«19 die Idee, eine Maschine zu bauen, die sich selbst vervielfältigen kann und so kostengünstige Herstellungskapazitäten für jeden zugänglich macht. Das klingt spannend, oder? Der Plan sah vor, bis auf wenige Standardkomponenten, wie Schrauben, Motoren und ein Netzteil, nur Teile zu verwenden, die von der Maschine auch selbst hergestellt werden können. So sollten möglichst geringe Eintrittsschwellen sichergestellt werden. Die Idee des RepRap (= replicating rapid prototyper) war geboren! Ganz entscheidend ist bis heute die unentgeltliche Weitergabe des gesammelten Wissens, insbesondere der Baupläne der Entwicklungen, im Rahmen sogenannter Open Source Hardware-Lizenzen20.

Bild 1.21 Dr. Adrian Bowyer (links) und Vik Olliver (rechts) präsentieren stolz den ersten erfolgreich druckenden Ableger des Ur-RepRap Darwin (Foto: © Adrian Bowyer).

Jeder kann in der offenen Gemeinschaft (= community), die sich maßgeblich im Internet organisiert, an der Weiterentwicklung teilhaben, Erkenntnisse teilen und anderen Mitgliedern dabei helfen, Teile für deren eigenen RepRap herzustellen. In diesem sehr flexiblen und evolutionären Entwicklungsprozess entstanden in kurzer Zeit immer neue Modelle, wie zum Beispiel der RepRap Mendel und der RepRap Huxley21. Einer der führenden Köpfe des Projekts, der Niederländer Erik de Bruijn, bescheinigte der RepRap-Community in seiner Master Thesis über Open Source-Entwicklung aus dem Jahr 2010 jährliche Wachstumsraten von über 600 %.22

Beflügelt durch das immer größer werdende Interesse an günstiger 3D-Druck-Technik und dem Auslaufen des als prohibitiv wahrgenommenen Grundlagenpatents, kam es Anfang 2009 zu der Gründung von MakerBot Industries − einem rasant wachsenden Unternehmen für kostengünstige 3D-Drucker, das Mitte 2013 für bis zu 604 Millionen US-Dollar von Stratasys Ltd. übernommen wurde.23 In nur knapp drei Jahren nach der Gründung wurden über 22 000 MakerBot-Drucker aus drei Generationen an Kunden in aller Welt ausgeliefert. Anfangs wurden noch Bausätze, im späteren Verlauf aber auch fertig aufgebaute 3D-Drucker, zu Preisen von unter 3000 Euro angeboten.

Bild 1.22 Die ursprünglichen MakerBot Gründer (von links nach rechts): Adam Mayer, Zach Smith und Bre Pettis mit ihren Cupcake 3D-Druckern (Foto: © MakerBot Industries)

2011 gründete ein weiterer einflussreicher RepRap-Mitstreiter Ultimaking Ltd. Erik de Bruijn und seinem Team gelang es mit ihrem 3D-Drucker Ultimaker