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3D Drucker für Zuhause: Die Vision ist Wirklichkeit

Noch vor wenigen Jahren waren 3D Drucker höchstens in der industriellen Produktion bekannt. Heute ist die Vision, diese revolutionäre Technik auch Zuhause nutzen zu können, längst Wirklichkeit. Ein eigener 3D Drucker als Hobby-Gerät für Bastler und Tekkies ist erschwinglich geworden, Bausätze und eine große Auswahl an Zubehör bieten viel Flexibilität. Ob Modelle, kleine Kunstwerke, Schmuck, Ersatzteile oder Zubehör wie Handy-Hüllen oder Stiftebecher – alles ist denkbar.

 

 

3D Drucker für Zuhause

3D Drucker waren nicht nur für Unternehmen ein Meilenstein. Die schnelle Herstellung von Prototypen oder Ersatzteilen sind nur zwei Beispiele, die bestimmte Prozesse in Unternehmen maßgeblich beschleunigen können. Aber auch im privaten Gebrauch sind die Drucker ein nützliches Werkzeug. So können Sie sich beispielsweise Ihren persönlichen Schmuck drucken, Tassen designen oder Ersatzteile und individualisierte Stücke für Ihre Modelleisenbahn erstellen. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie 3D Druck und die gängigsten Drucktechniken funktionieren. Zudem geben wir Ihnen Tipps für Anwendungsbereiche und für den Einsatz Ihres 3D Druckers.

Wie funktioniert der 3D Druck?

Mit einem 3D Drucker werden in Schichtbauweise verschiedene, auch selbst entworfene, dreidimensionale Objekte hergestellt. Das Objekt, welches gedruckt werden soll, muss digital als dreidimensionales Modell vorliegen. Dafür können bestehende 3D Modelle aus dem Internet heruntergeladen oder selbst in einem geeigneten Programm entworfen werden. Wie kommt man jetzt von der Datei im 3D Format zum gedruckten Modell? Damit aus der entstandenen Datei im 3D Drucker ein Modell entsteht, beinhalten alle Geräte eine entsprechende Software. Diese berechnet die nötigen Werkzeugbahnen und Befehle für den Drucker.

Gedruckt wird mit einer Düse, welche in alle Richtungen fahren kann, also seitwärts, vor- und rückwärts sowie auf- und abwärts. Aus der Düse kommt das dickflüssige Druckmaterial (Filament) als dünner Faden heraus. Die Düse bewegt sich in den vorberechneten Bahnen über das Druckbett. Dabei wird der Faden in mehreren Schichten übereinander aufgetragen. Das 3D Objekt wächst also von unten Schicht für Schicht in die Höhe, wobei sich das aufgetragene Material schnell wieder erhärtet. Der Fachbegriff „additive Fertigung“ bezeichnet genau dieses Arbeiten in Schichten: Eine Schicht nach der anderen wird „addiert“, bis das Druckobjekt fertig ist. Durch dieses Fertigungsverfahren kommen auch die Rillen an 3D Modellen zustande. 3D Druckobjekte sind nicht, wie viele denken, vollständig mit Filament gefüllt. Im inneren der Teile wird eine Gitterstruktur genutzt. So wird Material gespart und das Objekt ist trotzdem stabil.

Es gibt verschiedene Druckmaterialien. Die Gemeinsamkeit ist, dass die Materialien durch Erhitzung weich und formbar werden. Das Druckmaterial kommt auf einer Rolle aufgewickelt, welche am Drucker befestigt wird. Dieses wird auch als Filament bezeichnet. Eines der häufigsten Druckmaterialien ist thermoplastischer Kunststoff. Hier gibt es die zwei Stoffe PLA und ABS.

Druckmaterial – das ist der Unterschied zwischen PLA und ABS

Zu guter Letzt sollten Sie beim Druckerkauf darauf achten, mit welchem Grundstoff der 3D Drucker arbeitet. Filament ist dabei die allgemeine Bezeichnung für das Druckmaterial im 3D Druck. Im Prinzip gibt es hier die Auswahl zwischen PLA und ABS. Die Abkürzung PLA steht für Polyactide. PLA besteht aus biologisch abbaubarem Naturkunststoff. Für PLA muss die Druckplatte nicht vorgeheizt werden, die Düsentemperatur darf nicht höher als 210°C liegen. Der Nachteil dieses Materials ist, dass es sich bei Temperaturen ab 60 Grad Celsius verformt. Willst du z.B. Kaffeetassen drucken und auch verwenden, wird das zum Problem.

Eine zweite Auswahlmöglichkeit ist ABS. Hinter dieser Abkürzung verbirgt sich die Bezeichnung Acrylnitril-Butadien-Styrol. Hergestellt wir dieses Filament aus Erdöl. ABS hat höhere Anforderungen an den 3D Drucker als PLA. Zum Beispiel muss die Druckplatte vorgewärmt werden und die Druckgeschwindigkeit relativ hoch sein. Die Düsentemperatur muss mehr als 210°C betragen. Ein Drucker, der ABS drucken kann, hat im Normalfall auch mit PLA keine Schwierigkeiten. Umgekehrt gilt das nicht.

 

3D Druck: Die 4 wichtigsten Begriffe

Inzwischen gibt es auch für Einsteiger preisgünstige Modelle, die einfach zu bedienen sind. Die Einsteigerklasse im 3D Druck bewegt sich im Preisrahmen bis ca. 750 Euro. Doch welches Modell ist das Richtige? Beim Kauf eines 3D Druckers sollte nicht (nur) der Preis entscheidend sein, sondern vor allem die Qualität des Druckers. Dies sind die wichtigsten Leistungs- und Vergleichsdaten von 3D Druckern:

  • Druckraum: Fangen wir mit dem einfachsten Fachbegriff an. Der Druckraum gibt schlicht und einfach die maximale Größe des Druckobjekts an. Die genaue Angabe des Druckraums erfolgt mittels der Achsen X (Breite), Y (Tiefe) und Z (Höhe). Standard-Drucker im Einsteigersegment haben einen Druckraum zwischen 10 und 25 Kubikzentimetern. Was Sie benötigen, hängt ganz davon ab, wie groß oder klein Ihre Druckobjekte werden sollen. Für Muttern oder kleine Modellbauteile reichen 10 Kubikzentimeter aus. Für Tassen, Halterungen oder Vasen brauchen Sie 20 bis 25 Kubikzentimeter.
  • Positioniergenauigkeit: Damit wird ausgedrückt, wie exakt die Steuerung des Druckers einen bestimmten Punkt auf der XYZ-Achse ansteuern kann. Je genauer, desto detailgetreuer und feiner wird das Druckergebnis. Einige Einsteigerdrucker schaffen hier nur bescheidene 0,1 mm. Auf dieses wichtige Kriterium sollten Sie also besonders achten.
  • Maximale Druckgeschwindigkeit: Die maximale Geschwindigkeit, mit der sich die Düse bewegt und das Filament fördern kann. Davon hängt ab, wie lange Sie auf Ihr Druckobjekt warten müssen. Einsteigermodelle sind hier noch etwas langsam mit Werten um die 60 mm/s. Diesen Maximalwert erreichen die Drucker allerdings nur auf längeren Fahrstrecken. Meist ist der Drucker wesentlich langsamer unterwegs, gerade beim Drucken von komplexen Objekten.
  • Minimale Schichthöhe: Dies ist neben der Positioniergenauigkeit der wichtigste Wert für die Druckqualität. Und hier gilt: Je geringer der Wert, desto besser ist der 3D Drucker. Denn je dünner die Filamentschicht ist, umso detailgetreuer wird das Objekt und umso weniger sind die Rillen zwischen den Schichten zu bemerken. Eine geringere Schichthöhe führt damit auch zu einer glatteren Oberfläche. Im Einsteigerbereich ist eine minimale Schichthöhe von 0,2 mm gängig, für etwas mehr Geld bekommen Sie 0,1 mm.

Anwendungsbereiche - 3D-Druck für alle

3D-Druck ermöglicht es verschiedensten Anwendern, einzigartige Modelle per Mausklick herzustellen. Entdecken auch Sie die Möglichkeiten der 3D-Drucktechnik!

Anwendungsbeispiele
  • Rapid Prototyping
  • Kleinserienfertigung
  • Individuelle Einzelstückfertigung
  • Musterfertigung
Modellbau/-bahn
  • Fertigung von An- & Umbauteilen
  • Individualisierung von Standardkomponenten
  • Herstellung von Ersatzteilen
  • Fertigung maßstabsgetreuer Miniaturen
Handwerk
  • Kostengünstiger Einstieg in CNC-Verfahren
  • Individuelle Einzelstückfertigung
  • Maßstabsgetreue Modelle
Bildung
  • Erlernen von 3D-Konstruktionen: Ergebnis kann sofort als Objekt ausgegeben werden
  • Verbesserung des räumlichen Denkens durch Anschauungsobjekte
  • Verknüpfung von Theorie & Praxis: Konstruieren und Modellieren --> Produzieren --> Nutzen
Kunst und Design
  • Fertigung Maßstabsgetreuer Modelle und Skulpturen
  • Schmuckdesign, insbesondere Prototypen und Designmuster
Architektur
  • Kostengünstige und schnelle Herstellung von Entwürfen für Kunden und Wettbewerbe
  • Umsetzung von Grundrissen als Miniaturmodell

FDM-Drucker sind erschwinglich und bieten Raum für Kreativität

Eines haben alle 3D Drucker gemein: Sie sind computergesteuerte Maschinen, die dreidimensionale Objekte schichtweise aufbauen. Dabei ermöglicht das CNC-Verfahren (Computerized Numerical Control) das weitgehend automatische Drucken. Unterschieden werden 3D Drucker anhand ihres technischen Aufbaus und somit der Werkstoffe, aus denen sie das Objekt aufbauen.

FDM – Fused Deposition Modeling

 

Fused Deposition Modeling ist die verbreitetste Technik unter 3D Druckern für den Privatgebrauch. Als Werkstoff kommt meist in dünnen Fäden auf eine Spirale gewickelter Kunststoff zum Einsatz, auch Filamente genannt. Im Extruder wird der Kunststoff geschmolzen und durch die Druckdüsen auf das Druckbett aufgebracht. Der Druckkopf bewegt sich ausschließlich auf der vertikalen Ebene und baut das Objekt von unten nach oben schichtweise auf. FDM-Drucker können einen oder zwei Extruder besitzen, so dass zwei verschiedene Farben oder Härtegrade gleichzeitig verwendet werden können.

Vorteile: FDM-Drucker sind weit verbreitet und dadurch erschwinglicher als andere Bauarten. Dementsprechend ist die Auswahl an Ersatzteilen und Zubehör groß. Die Kunststoff-Filamente bieten einen weiten Gestaltungsfreiraum und sind vergleichsweise günstig.


Wie funktioniert ein 3D-Drucker mit FDM-Technologie?

3D Drucker dieses beliebten Typs bestehen aus drei Achsen – jeweils eine für Höhe, Breite und Tiefe. Der Druckkopf mit einem oder mehreren Extrudern bewegt sich ausschließlich auf der vertikalen Achse. Gesteuert wird er durch ein Steuerungselement, das die Signale vom verwendeten Computer weitergibt. Im Extruder befindet sich eine Heizspirale, die das zugeführte Filament – meist Kunststoff-Fäden – schmilzt. Durch den Druckkopf wird der flüssige Kunststoff ausgegeben und schichtweise auf das bewegliche Druckbett aufgebracht, wo er aushärtet.

Je nach Bauweise kann als Filament auch Metall, Kunstharz, PLA, ABS oder Keramik verwendet werden – es wird entweder geschmolzen, gehärtet oder verklebt. Die gleichzeitige Verwendung mehrerer verschiedener Werkstoffe wird derzeit noch erprobt.

Übrigens: Als einer der ersten serienmäßigen Hersteller von 3D Druckern in Deutschland hat Conrad mit seiner Marke renkforce eine Reihe hochmoderner FDM-Geräte auf den Markt gebracht, die mit ihrem Preis-Leistungs-Verhältnis, vergleichsweise günstigem Zubehör und einfacher Bedienbarkeit überzeugen.

Stereolithografie

Bei der Stereolithografie wird flüssiges Kunstharz als Werkstoff verwendet. 3D Drucker, die diese Technik nutzen, härten durch UV-Laserstrahlen schichtweise bestimmte Bereiche innerhalb eines Behälters mit flüssigem Kunstharz. Ist eine Schicht entsprechend der Modellvorgaben ausgehärtet, senkt sich das Druckbett ab und die nächste Schicht wird gehärtet. Das fertige Objekt muss anschließend unter UV-Licht vollständig aushärten. Da diese Technik aufwendiger und technisch anspruchsvoller ist, ist sie im Hobby-Bereich wenig verbreitet.

Vorteile: Stereolithografie verwendet Kunstharz – für bestimmte Zwecke wie die Nachbildung von Objekten eignet sich dieses Material besser als einfacher Kunststoff.

Darüber hinaus finden weitere Techniken Anwendung, darunter das selektive Laserschmelzen und Elektronenstrahlschmelzen, welche beide mit Metallen als Werkstoff arbeiten, das selektive Lasersintern, bei dem Kunststoff, Keramik und Metalle verwendet werden können, das Digital Light Processing für flüssiges Kunstharz und das Polyjet Modeling für Kunststoff und Kunstharz. Durch die komplexeren technischen Anforderungen sind diese Varianten von 3D Druckern jedoch eher in der Industrie und im Handwerk zu finden.

 

Zubehör für 3D Druck: 3D Scan und CAD-Software

Jeder 3D Drucker arbeitet computergesteuert, benötigt also numerische Informationen in Form eines virtuellen Modells zu den Objekten, die gedruckt werden sollen. Dieses Modell kann auf zwei Wegen erstellt werden: durch 3D Scan oder die Neumodellage mit Hilfe von CAD-Software.
 

3D Scanner ermöglichen ein Abbild der Realität

Erste Shops bieten es bereits an: das „Foto 3.0“. Sie stellen sich vor einen 3D Scanner, dieser erzeugt ein Computermodell von Ihnen – detailreich bis hin zum Faltenwurf des Shirts – und ein 3D Drucker druckt es in annähernd beliebigem Maßstab aus. Ein Mini-Ich für die Vitrine. Für Privatanwender sind 3D Scanner in kleinem Format interessant, doch ergeben sich auch hiermit vielfältige Möglichkeiten: Die fehlende Schraube, der Griff für den Schrank, der Zahnputzbecher und vieles mehr kann exakt kopiert und einfach ausgedruckt werden. Benötigt wird neben der Hardware nur eine leistungsstarke Scan-Software, die in der Regel mitgeliefert wird.

 

Computermodelle für den 3D Druck mit CAD-Software

Dreidimensionale Objekte können auch ohne ein reales Vorbild erstellt werden. CAD-Software (Computer-Aided Design) ermöglicht die  Erstellung jedes denkbaren Modells.  Voraussetzung hierfür ist eine gute Kenntnis der Software – und die nötige Kreativität. Einsteiger-Software für Computermodelle liefert Hilfestellungen, um sich dem Thema in der Praxis zu nähern.

Step 1: Nutzen Sie drei Wege für Ihre Modellierung
Step 2: Vorlage anpassen, bearbeiten und optimieren

Ersatzteile und Nachrüstungen für 3D Drucker

Für die meisten 3D Drucker und fast jeden FDM-Drucker ist Zubehör erhältlich, das schier unbegrenzte Möglichkeiten zur individuellen Anpassung bietet. Von Bausätzen für 3D Drucker zum selbst Montieren über das Nachrüsten von Extrudern bis hin zu cloudfähigen, externen Steuerelementen und Fräs- oder Gravur-Aufsätzen sind der technischen Kreativität so gut wie keine Grenzen gesetzt. Ist ein Umbau einmal weniger erfolgreich, sind Ersatzteile verfügbar, die insbesondere bei FDM-Druckern vergleichsweise günstig nachgekauft werden können.

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