• Der Cube, mit dem Modelle im Format bis zu 14 x 14 x 14 cm gedruckt werden können, wiegt nur vier Kilogramm.

    Der Cube, mit dem Modelle im Format bis zu 14 x 14 x 14 cm gedruckt werden können, wiegt nur vier Kilogramm.

  • 3D Systems bietet den 3D-Drucker Cube in unterschiedlichen Farben an. Das Gerät ist für den Einsatz im Privathaushalt konzipiert und kostet netto rund 1200 Euro.

    3D Systems bietet den 3D-Drucker Cube in unterschiedlichen Farben an. Das Gerät ist für den Einsatz im Privathaushalt konzipiert und kostet netto rund 1200 Euro.

  • Dual-Extruder ermöglichen einen zweifarbigen Druck oder den Druck mit Stützmaterial.

    Dual-Extruder ermöglichen einen zweifarbigen Druck oder den Druck mit Stützmaterial.

  • Erste Prototypen lassen sich einfach mit dem RepRap-3D-Drucker drucken.

    Erste Prototypen lassen sich einfach mit dem RepRap-3D-Drucker drucken.

  • Der Druckbereich des 3D-Druckers PRotos ist auf  eine Fläche von 220 x 220 x 130 Millimeter begrenzt.

    Der Druckbereich des 3D-Druckers PRotos ist auf eine Fläche von 220 x 220 x 130 Millimeter begrenzt.

  • Der Replicator 2 von MakerBot ist ein desktopfähiges Endgerät mit einem Startpreis von etwa 1650 Euro.

    Der Replicator 2 von MakerBot ist ein desktopfähiges Endgerät mit einem Startpreis von etwa 1650 Euro.

  • Mit dem PRotos X400 lassen sich Modelle auf einer Fläche von 400 x 400 x 350 Millimeter drucken. Mit 56 Liter Druckvolumen ist er der wohl größte 3D-Drucker auf Basis der RepRap-Technologie.

    Mit dem PRotos X400 lassen sich Modelle auf einer Fläche von 400 x 400 x 350 Millimeter drucken. Mit 56 Liter Druckvolumen ist er der wohl größte 3D-Drucker auf Basis der RepRap-Technologie.

Dank geringer Anschaffungskosten gerät der 3D-Druck ins Interesse der Öffentlich­keit. Die günstigen Ausgabegeräte können die teuren Drucker derzeit zwar nicht ersetzen, aber auch sie ermöglichen ein beschleunigtes Prototyping und eine frühe Marktreife. Grund genug, diesen Markt etwas genauer zu beleuchten.

Prototypen in der Elektronik, im Teile- oder Gerätebau kommen schon lange aus dem 3D-Drucker. Mit Open Source kam jetzt Bewegung in den Markt: 3D-Drucker sind heute so günstig, dass es sich lohnt, die eigene Entwicklungsabteilung damit auszustatten, um schneller und kostengünstiger als bisher erste Proto­typen zu erstellen.

Druckbares Holz

Ein neuer Werkstoff: Druckbares Holz. Bild: German RepRap

Viele Jahre schwamm es sich recht ruhig im Teich der additiven Fertigung, aus dem Blickwinkel eines Dienstleister betrachtet. Die Maschinen waren zu teuer und rentierten sich erst ab einer Frequenz, die wohl kaum eine Entwicklungs- und Konstruktionsabteilung erreichte. Folglich gab man die Produktion der Prototypen außer Haus. Daran hätte sich sicher nicht viel geändert, wäre da nicht plötzlich eine Bewegung namens RepRap entstanden. Die mischt den Markt nun kräftig auf und sorgt, wie der Hecht im Karpfenteich, für Unruhe. Verantwortlich dafür ist Adrian Bowyer, der am Lehrstuhl für Maschinenbau an der Universität von Bath lehrte, bevor er sich 2012 ganz dem RepRap-Projekt verschrieb. RepRap steht für Replicating Rapid Prototyper, also eine sich selbst replizierende Maschine. Diese RepRap-Drucker sind Open Source, das heißt, jeder darf die Technik lizenzfrei verwenden. Derartige Open-Source-Projekte haben schon in anderen Bereichen viel bewirkt, allen voran das Internet oder die Linux-Bewegung. Jetzt kommt der 3D-Druck. Zwar hat es bis zum ersten Projekt einige Jahre gedauert (den ersten RepRap-Drucker gab es bereits 2007), doch mittlerweile berichten Medien diversester Couleur über den neuen Trend, der Marktforschern und Trendanalysten zufolge vieles verändern wird.

 

Was bei den teuren Geräten außer Frage stand, nämlich sich selbst eins anzuschaffen, ist mit den kostengünstigen RepRap-Druckern realistisch geworden. Während sich für die Konsumenten völlig neue Perspek­tiven auftun, ist es für Konstruktionsabteilungen eine Möglichkeit, die Prototypenentwicklung effizienter zu gestalten. Statt tagelang auf die Lieferung des beim Dienstleister in Auftrag gegebenen Prototypen zu warten, um ihn dann doch wieder zu ändern und wieder einige Tage auf das 3D-Modell zu warten, wird ein Gehäuse- oder Bauteil-Entwurf schnell in der eigenen Abteilung ausgedruckt. Mit Preisen, die sich zwischen 300 und 3000 Euro bewegen, haben sich die Drucker schnell amortisiert. Doch man muss die Kirche im Dorf lassen: Die Drucker sind für viele Aufgaben geeignet, aber nicht für alle. Einschränkungen gibt es in der Genauigkeit, der Druckgeschwindigkeit und den zur Verfügung stehenden Materialien. Für erste Prototypen reichen diese Drucker jedoch häufig allemal.

Schicht für Schicht

3D-Großformatdrucker Objet1000

Der 3D-Großformatdrucker Objet1000 kann in einem Bauraum von 1000 x 800 x 500 Millimeter bis zu 14 verschiedene Materialeigenschaften pro Print verarbeiten. In der zweiten Jahreshälfte 2013 soll er für rund eine halbe Million Euro verfügbar sein.

Die Open-Source-Drucker, die aus der RepRap-Bewegung entstanden sind, nutzen das Schmelzschicht-Verfahren, auch Fused Filament Fabrication (FFF) oder Fused Deposition Modelling (FDM) genannt. Dabei werden thermoplastische Kunststoffdrähte in einen Extruder befördert, in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und kontrolliert herausgepresst. Schicht für Schicht baut der Drucker das 3D-Modell auf. Momentan sind es vor allem ABS- und PLA-Kunststoffe, die beim 3D-Druck verarbeitet werden. Geht es um feine Details, spricht viel für das auf Maisstärke basierende PLA mit einem Schmelzpunkt bei 180 bis 200 ° Celsius. Es hat allerdings den Nachteil, dass es spröder ist als ABS und leichter bricht. Kleinere Überhänge kann man auch ohne Stützmaterial drucken, jedoch für größere Überhänge braucht man ein Stützmaterial. PVA eignet sich als Stützmaterial, da es sich in Wasser inner­halb von ein paar Stunden auflöst. PLA kann auch als Stützmaterial verwendet werden, da es sich im Gegensatz zu ABS in Natronlauge auflöst.

ABS schmilzt erst bei etwa 260° Celsius. Es ist flexibler, benötigt allerdings auf jeden Fall eine beheizte Druckplatte, damit das Druckobjekt haften bleibt. Mittlerweile gibt es sogar Entwicklungen wie druck­bares Holz (Holz-Kunststoff-Kombination) und Polystyrol, das fast rußfrei verbrennt.

3D-Drucker

Hersteller im Überblick
Die folgende Liste in alphabetischer Reihenfolge hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit:

3D Systems www.3dsystems.com Aaroflex www.aaroflex.com
Bits from Bytes (3D Systems) www.bitsfrombytes.com dimension (Stratasys) www.stratasys.com
Eos www.eos.de ExOne www.exone.com
Fab Fabbster www.fabbster.de Fortus (Stratasys) www.stratasys.com
German RepRap www.germanreprap.com GLI Concept www.reprapsource.de
HP www.hp.de MakerBot www.makerbot.com
Mojo (Stratasys) www.mojo3dprinting.com Objet (Stratasys) www.objet.de
Optomec www.optomec.com RedEye (Stratasys) www.redeyeondemand.com
SLM Solutions www.slm-solutions.de Solido www.solido3d.com
Solidscape (Stratasys) www.solid-scape.com Stratasys www.stratasys.com
Ultimaking www.ultimaker.com uPrint (Stratasys) www.uprint3dprinting.com
voxeljet www.voxeljet.de Z Corporation (3D Systems) www.zcorp.de

Die Präzision von Druckteilen hängt von verschiedenen Faktoren ab. Dazu gehören der Düsendurchmesser sowie die maximale/minimale Schichtdicke und die Genauig­keit der verwendeten Spindeln. Trapezspindeln in der Z-Achse arbeiten beispielsweise genauer als metrische Gewindestangen. Die Regel sind 0,3 Millimeter oder 0,5 Millimeter Düsen, mit denen sich Schichtdicken von bis zu 0,1 Millimeter realisieren lassen.

Derzeit sind die günstigen 3D-Drucker primär als Bausätze erhältlich, die mehr oder weniger Arbeit erfordern, da teilweise die Platinen zu löten, Gewinde zu bearbeiten oder die Verbindungsteile zu drucken sind. Die Verbindungsteile sind meist im Sinne der RepRap-Definition selbst repliziert – ein Drucker wird also verwendet, um die Verbindungsteile eines anderen Druckers zu drucken.

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Man darf nicht vergessen, dass die Produktentwicklung community-getrieben erfolgt und der experimentelle Touch Bestandteil einer solchen Bewegung ist und so ein günstiges Produkt erst ermöglicht hat. Es ist eben keine abgeschlossene Entwicklungsabteilung, welche im stillen Kämmerchen an einem Produkt arbeitet, um es dann mit entsprechendem Margendruck auf den Markt zu bringen. Jeder kann seine Ideen in die RepRap-Community (www.reprap.org) mit einbringen, jeder kann seinen eigenen Drucker entwickeln und verkaufen. Das erst ermöglicht eine schnelle Weiterentwicklung, sorgt aber auch für ein fast verwirrendes Angebot.

Nimmt man allein die deutschen Hersteller, finden sich darunter German RepRap, Fabbster, iRapid und Reprapsource, die ihre eigenen Printer-Modelle anbieten. Dazu kommen Händler, welche Produkte aus dem europäischen Ausland oder den USA wie den Mendel Prusa, Ultimaker oder MakerBot verkaufen. Die meisten Drucker werden derzeit in den USA entwickelt. Eine ausführliche Übersicht über die derzeit am Markt verfügbaren OpenSource-Printer bietet das 3D-Portal 3ders.org.

ProJet 3500 HDMax Professional 3D Printer

Auf den 3D-Drucker ProJet 3500 HDMax von 3D Systems können Anwender auch über Smartphone und Tablet zugreifen.

Neben den experimentell anmutenden 3D-Druckern der ersten Generation kommen jetzt bereits weiterentwickelte Drucker auf den Markt, die oft schon über ein Gehäuse verfügen oder zusammengebaut erhältlich sind. Die Einstiegs-3D-Drucker werden auch oft als Hobby-Drucker bezeichnet, was die Zielgruppe klar impliziert: Privatanwender und Bastler. „Für Techniker und Ingenieure ist der Zusammenbau in der Regel ein Leichtes und auch ein Hobby-Drucker kann gute Dienste leisten, wenn es sich um kleine Teile handelt, die es auszudrucken gilt“, sagt Markus Axtner, Managing Director, Alphaform. Denn eine weitere Beschränkung ist der relativ kleine Druckraum.

Seit kurzem gibt es mit dem PRotos X400 den ersten professionellen 3D-Drucker auf OpenSource-Basis. Er druckt genauer, zuverlässiger und lässt mit seinem Druckraum von 400 x 400 x 350 Millimeter (56 Liter) größere Modelle als die üblichen RepRap-3D-Drucker zu. Neben einem stabilen Alu-Rahmen mit optionalem Gehäuse und Unterbau besteht er aus qualitativ hochwertigen Komponenten für einen genauen, und ausfallsicheren Druck. Dazu gehören zum Beispiel spielarme Antriebe, wie sie auch im Maschinenbau verwendet werden, Trapezspindeln in der Z-Achse oder gehärtete Wellen und die Möglichkeit, andere Werkzeuge wie Frässpindeln anzuschließen. Damit eignet sich der PRotos X400 beispielsweise für die Herstellung von Prototypen, von individuellen Objekten oder für die Kleinserien-Fertigung.

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Somit ist zu erwarten, dass die Open-Source-Drucker weiter in die Domäne der professionellen 3D-Printer vorstoßen. Die Modularität, die sich aus dem Bausatzkonzept ergibt, könnte hier ein Vorteil sein. Komponenten sind so einfach austauschbar, etwa der Extruder durch eine Frässpindel. Umkehrt bringen die etablierten der Branche günstigere, kleinere Modelle heraus. 3D-Systems beispielsweise erwarb mit BitsfromBytes deren RepRap-Printer RapMan und 3D-Touch und schickte zudem einen günstigen Drucker namens Cube ins Rennen.

In einer anderen (Preis-)Liga spielen Hersteller wie Eos und die fusionierten Stratasys/Objet. Die High-End-Drucker sind Branchenkennern zufolge derzeit keine Konkurrenz zu den RepRap-Druckern. Derartige Drucker stehen bei Dienstleistern wie etwa Alphaform, die hochwertige Design-Bauteile und Funktionsmodelle erstellt und dafür verschiedene Methoden nutzt. Statt im Schmelzschicht-Verfahren werden die Teile etwa in Stereolithografie, durch selektives Lasersintern oder im PolyJet-Verfahren produziert.

Buchtipp

3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt
Dreidimensionale Objekte entwerfen und diese schnell und preisgünstig in Kunststoff, Metall oder Keramik herzustellen – solche Möglichkeiten waren vor wenigen Jahren noch kaum vorstellbar. Inzwischen hat jeder, der in einem CAD-Programm ein Volumenmodell zeichnen kann, die Möglichkeit, Objekte zu einem vertretbaren Preis ausdrucken. Der 3D-Druck ist eine Zukunftstechnik, die immer mehr zur Verwirklichung von kreativen Ideen genutzt wird. Selbst die Maschinen für den 3D-Druck werden zusehends bürotauglicher und einfacher zu bedienen. Wer nicht gerade ein ganzes Fahrrad drucken möchte, kann inzwischen einen 3D-Drucker, der nicht viel mehr Platz einnimmt als ein gewöhnlicher Desktop-Printer, in seinem Büro betreiben. Die Grundidee dieses Buchs ist es, möglichst umfassend über diese spannende Technologie des 3D-Drucks/Rapid Prototyping zu informieren. Die Autorin Petra Fastermann möchte den Leser bei seinen eigenen Bestrebungen, für sich selbst das richtige CAD-Programm oder das geeignete Druckverfahren zu finden, mit Tipps und Hinweisen unterstützen.
3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt von Petra Fastermann, Springer-Verlag 2012, 179 Seiten, ISBN-10: 3642292240, ab 36 Euro.

Der Weg zum eigenen 3D-Prototypen ist einfach. Es lassen sich die Standard-CAD-Daten aus AutoCAD, SolidWorks, Catia, SketchUP oder anderen CAD-Programmen verwenden, die Daten im STL-Format abspeichern können. Diese Daten müssen anschließend von einer Slicer-Software in Schichten zerlegt und in einen G-Code umgewandelt werden. G-Code wird auch zur Programmierung von CNC-Maschinen benutzt. Er zerlegt das 3D-Modell in ein Bewegungsmuster und teilt dem Drucker nur mit, welche Punkte er in welcher Geschwindigkeit wie anfahren soll. Eine beliebte und empfehlenswerte Software für die RepRap-Drucker ist die kostenlos erhältliche slic3r (slic3r.org). Ist das Modell in G-Code konvertiert, kann der Druck starten.

Der Vorteil von 3D-Druckverfahren, etwa im Vergleich zum Spritzguss, ist, dass keine Formen benötigt werden und – mit Ausnahme von Stützmaterial – kein Materialüberschuss anfällt. Mit den RepRap-3D-Druckern hat die additive Fertigung eine günstige Einstiegslösung erhalten. Die Vorteile liegen auf der Hand: Erste Prototypen können in-house und damit kurzfristig erstellt werden und müssen nicht mehr an externe Dienstleister vergeben werden. Änderungen im Design lassen sich schnell umsetzen. Die Produktentwicklungszeit verkürzt sich – teilweise sogar erheblich. jv

Autor: Stefanie Schneider, freie Journalistin für German RepRap

ke NEXT hakt nach

Fünf Fragen an Florian Bautz, einer der beiden Geschäftsführer bei German RepRap

Florian Bautz

Florian Bautz, German RepRap - Bild: German RepRap

Herr Bautz, bitte beschreiben Sie kurz das Unternehmen German RepRap.  
German RepRap mit Sitz in Feldkirchen bei München wurde ursprünglich als German RepRap Foundation 2010 gegründet. Wir entwickeln und vertreiben Bausätze, Komponenten und Materialien für erschwingliche 3D-Drucksysteme sowie RepRap-Selbstbaudrucker und Produkte für professionelles Prototyping.

Ihr Portfolio umfasst zwei 3D-Drucker. Wer ist die Zielgruppe und sind weitere Modelle geplant?
Derzeit biten wir den PRotos und den PRotos X400 an. Ein drittes Modell ist in Planung. Der PRotos ist ein klassischer 3D-Drucker-Bausatz für Heim- und Hobby-Anwender, aber auch für kleine Prototypen. Der PRotos X400, der netto 1898 Euro kostet, richtet sich an den Gewerbebereich. Er arbeitet nach dem Schmelzschicht-Verfahren, auch Fused Deposition Modeling (FDM) genannt. Durch seine Größe und Bauqualität ist er für Prototypenentwicklung und Kleinserienfertigung geeignet, und das zu einem Preis, der weit unter dem der High-Class-Drucker liegt, die bislang in diesem Markt eingesetzt wurden. Es ist der größte uns bekannte Drucker zu diesem Preis-Leistungs-Verhältnis. Darauf sind wir natürlich stolz, aber auch auf den modularen Aufbau, der schnelle Werkzeugwechsel ermöglicht und durch seine Ausbaufähigkeit einen Investitionsschutz bietet. So kann der 3D-Drucker mit wenig Aufwand zu einer CNC-Fräse umfunktioniert werden.

Wie schaffen Sie es, sich am Markt – zwischen den zum Teil übermächtigen 3D-Drucker-Herstellern – durchzusetzen?
Den übermächtigen Herstellern, wie Sie sie nennen, steht die RepRap-Community mit mehreren tausend Mitgliedern gegenüber. Das darf man nicht unterschätzen. In der Informationstechnologie hat die Linux-Gemeinde mit ihren vielen Anhängern vorgemacht, was möglich ist. Das ist der Vorteil von Open Source – viele Menschen tragen zur Weiterentwicklung bei. Wir von German RepRap bauen Drucker, die sehr modular aufgebaut und damit zukunftssicher sind. Wird etwas Interessantes entwickelt, das unseren Kunden nutzt, können wir unsere Produkte leicht anpassen und nachrüsten. Wir arbeiten zudem eng mit unseren Kunden zusammen, schulen sie und bieten umfangreichen Support.

PRotos kann von allen 3D-Konstruktionsanwendungen angesteuert werden. Darüber hinaus lassen sich auch bereits fertige 3D-Modelle aus dem Netz ausgegeben. Welche Seiten empfehlen Sie?
Richtig, es lässt sich jede Software nutzen, die STL-Dateien exportieren kann. Fertige 3D-Modelle gibt es zum Beispiel bei www.thingiverse.com. Wer das erste Mal auf dieser Seite ist, wird überrascht sein, was alles gedruckt werden kann. Zudem stellen diverse Hersteller Daten zum Download bereit, beispielsweise Nokia (Anm. d. Red.: http://3druck.com/objects/nokia-stellt-teile-des-lumia-820-zum-download-bereit-458254/).

Wie schätzen Sie den Markt für 3D-Drucker ein und wo wird die Reise hingehen?
Ich gehe davon aus, dass in ein paar Jahren sehr viele Privathaushalte und Unternehmen einen 3D-Drucker nutzen werden. 3D-Druck wird eine ähnliche Entwicklung nehmen wie das Internet. Auch die großen Elektrogeschäfte werden neben den normalen Laser- oder Tintenstrahldruckern 3D-Drucker anbieten. In Zukunft werden Endanwender keine Ersatzteile mehr kaufen, sondern drucken die benötigten Teile einfach selbst aus und zahlen Lizenzgebühren für die verwendeten 3D-Modelle.

Das Interview führte Joachim Vogl, Redakteur