3D-Druck: Das ABC für den Druckerkauf
Spätestens als Tchibo in den Verkauf von 3D-Druckern einstieg, war klar: Das Thema wird wichtig bleiben – und die Nische verlassen. Zwar ist die erste Euphorie abgeflaut, aber es werden weiter ständig neue Geräte von neuen Herstellern der Öffentlichkeit vorgestellt und existierende Geräte weiterentwickelt. Eine Geräteübersicht zum Jahresende könnte deshalb nur eine Momentaufnahme sein. Was sich mit dem ständig wachsenden Angebot jedoch nicht verändert, sind die Probleme für Kaufinteressenten. Sie müssen in eine neue Welt von Begriffen und technischen Eigenschaften einsteigen. Wir helfen, diese zu verstehen, so dass jeder den richtigen FDM-Drucker(öffnet im neuen Fenster) für sich auswählen kann.
Wir konzentrieren uns auf Drucker, die sich vor allem an Privatanwender richten. Die Begriffe Einsteigerklasse (bis zirka 750 Euro), Mittelklasse (bis zirka 1.300 Euro) und Oberklasse (ab zirka 2.000 Euro) verwenden wir in diesem Kontext. Uns ist bewusst, dass diese aus Sicht industrieller 3D-Drucklösungen alle noch in die Einsteigerrubrik fallen.
Die wichtigsten Kennzahlen
Was bei einem Prozessor die Anzahl der Kerne, die Taktgeschwindigkeit und der Stromverbrauch sind und bei einem Kühlschrank das Fassungsvermögen, der Stromverbrauch und die Anzahl der Sterne beim Frostfach, das sind bei einem 3D-FDM-Drucker der Druckraum, die minimale Schichthöhe, die Positionierungsgenauigkeit und die maximale Druckgeschwindigkeit.
Der Druckraum
Der Druckraum gibt an, wie groß ein Objekt maximal sein darf, damit es gedruckt werden kann. Die Angabe erfolgt dabei üblicherweise nach dem X-Y-Z-System: Wenn der Betrachter vor der Front des Druckers steht, ist die X-Achse die Breite, die Y-Achse die Tiefe des Raumes und die Z-Achse ist dessen Höhe. Eine Ausnahme gibt es bei Druckern nach dem Delta-Prinzip. Dort wird der Druckraum mit Hilfe eines Durchmessers und der Höhe beschrieben, doch dazu später mehr.
Aktuelle Drucker haben einen Druckraum von mindestens 10 x 10 x 10 cm, kleiner geht es nur noch im Eigenbau. Bei etwa 25 x 25 x 25 cm liegt die Obergrenze für Drucker, die für Privatpersonen noch erschwinglich sind.
Die minimale Schichthöhe
Die Schichthöhe ist so etwas wie der Heilige Gral der 3D-FDM-Drucker. Je kleiner dieser Wert ist, desto besser. Beim FDM-Druck wird geschmolzenes Plastik übereinander geschichtet. Je dünner diese Schichten sind, desto besser können kleinste Details im Objekt herausgearbeitet und Objektmaße eingehalten werden. Außerdem sind dann die Schichten weniger sichtbar – und das Objekt wirkt hochwertiger.
Die Schichthöhe ist nicht allein von der Fähigkeit und Qualität der Mechanik abhängig, welche die Höhe des Druckbetts beim Druck reguliert. Vielmehr spiegelt dieser Wert wider, wie zuverlässig die Maschine den Materialfluss des geschmolzenen Plastiks kontrollieren und steuern kann, was eine recht komplexe Angelegenheit ist.
Mindeststandard und bei preiswerten Geräten üblich ist eine minimale Schichthöhe von 0,2 mm, Geräte ab 800 Euro sollten schon bei 0,1 mm liegen. Für eine Schichthöhe unter 0,1 mm muss der Käufer mindestens 1.200 Euro zahlen.
Positionierungsgenauigkeit
Der Begriff Positionierungsgenauigkeit drückt aus, wie genau der Druckkopf auf der XY-Ebene einen vorgegebenen Punkt wiederholt ansteuern kann. Je kleiner dieser Wert ist, desto qualitativ besser sind die Mechanik und Steuerungselektronik des Druckers, und desto besser können kleine Details beim Objekt gedruckt und auch hier Objektmaße eingehalten werden. Der Wert sollte deutlich kleiner als die Schichthöhe sein.
Im Einsteigerbereich liegt die Genauigkeit schon mal bei geringen 0,1 mm, hochwertige Geräte liegen bei 0,0125 mm.
Maximale Druckgeschwindigkeit
Die maximale Druckgeschwindigkeit gibt an, wie schnell der Druckkopf von einer Position auf eine andere Position fahren kann, ohne dabei an Positionierungsgenauigkeit zu verlieren. Prinzipiell gilt: Je höher die maximale Druckgeschwindigkeit, desto schneller kann gedruckt werden.
Dabei ist die Geschwindigkeit nicht nur davon abhängig, wie schnell der Druckkopf bewegt werden kann, sondern auch davon, ob die Maschine in der Lage ist, schnell genug die notwendige Menge geschmolzenen Plastiks aufzutragen. Häufige, schnelle Beschleunigungs- und Abbremsvorgänge führen außerdem zu starken Vibrationen, welche die Druckerkonstruktion abfangen muss.
Topmodelle für zu Hause schaffen zwar Geschwindigkeiten über 150 mm/s, in der Praxis sind aber auch sie beim Druck deutlich langsamer, wenn qualitativ sehr gute Ausdrucke erzielt werden sollen – oder die Objektgeometrie die notwendige Beschleunigung gar nicht erst erlaubt. Die maximale Geschwindigkeit preiswerter Modelle von 50 bis 60 mm/s ist vor allem dann ein Hindernis, wenn eher schnelles Prototyping von einfacheren Objekten im Vordergrund steht, wie bei Gehäusen.
Andere Werte und Konstruktionsformen
In den technischen Angaben zu einem 3D-Drucker tauchen auch noch andere Werte auf. Häufig genannt wird der Durchmesser der Düsenöffnung (Nozzle) des Druckkopfes. Die Werte schwanken zwischen 0,3 und 0,5 mm. Kleine Durchmesser ermöglichen eine genauere Dosierung des geschmolzenen Plastiks, größere Durchmesser eine größere Durchflussmenge, was höhere Druckgeschwindigkeiten zulässt. Ein weiterer Wert ist der Filament-Durchmesser, auch dazu später mehr.
Gewicht und Gesamtabmaße erklären sich wohl von selbst – und sind für die Druckqualität wenig von Bedeutung. Bei den Gesamtabmaßen gilt es zu beachten, dass manchmal die Aufbewahrungsbox beziehungsweise -konstruktion für das Filament mit eingerechnet wird, manchmal nicht.
Konstruktionsformen
Obwohl es mittlerweile mehr als 100 verschiedene kommerziell erhältliche Drucker und Bausätze wie auch -anleitungen gibt, basieren doch alle aktuellen Konstruktionen mehr oder weniger auf einer von drei Grundformen.
Typisch für Einsteigerdrucker ist das Mendel-Konstruktionsprinzip(öffnet im neuen Fenster) : Markant ist die sich in der Höhe bewegende Querstrebe, an der sich der Druckkopf in der X-Ebene bewegen kann. Das Druckbett bewegt sich in der Y-Richtung. Teilweise wird das Konzept auch modifiziert, und der Druckkopf bewegt sich nur in der X-Ebene, das Druckbett wird in der Y-Ebene wie auch in der Höhe bewegt.
Drucker nach dem Mendel-Prinzip gelten als wenig genau, da beim Druck das gesamte Druckbett inklusive Druckobjekt ständig bewegt werden muss. In Form des Prusa-i3-Designs(öffnet im neuen Fenster) bietet es allerdings den Vorteil einer platz- und materialsparenden Bauweise. Wenn überhaupt ein Gehäuse um den Drucker verbaut wird, dient es selten als echtes tragendes Element für die gesamte Konstruktion.
Bei allen Mittel- und Oberklasse-Druckern hingegen bewegt sich der Druckkopf in einer XY-Ebene im oberen Teil des Druckers, das Druckbett ist lediglich in der Höhe beweglich und verändert seine Position nur während eines Schichtwechsels. Das bedingt einen höheren konstruktiven Aufwand, da das ganze Gehäuse beziehungsweise ein quaderförmiger Rahmen als stabiles, tragendes Chassis für die gesamte Mechanik dient. Die Gesamtabmaße des Druckers sind zumeist deutlich größer als der Druckraum.
Bei Druckern nach dem Delta-Prinzip(öffnet im neuen Fenster) hängt der Druckkopf an vertikalen Führungsstäben. Durch Höhenvariationen an den Führungen kann der Druckkopf in einer Kreisform frei bewegt werden, ähnlich wie ein Pendel. Deshalb wird der Druckraum bei diesen Druckern auch als Durchmesser angegeben. In der Theorie soll dieses Design saubere und schnellere kreisförmige wie auch lineare Druckbewegungen ermöglichen, insbesondere unabhängig davon, in welchem Winkel Linien im klassischen X-Y-Koordinatensystem stehen. Dieses Konstruktionsdesign ist noch recht neu und kommerziell auch noch nicht relevant.
Steuerung und Software
Für den Betrieb eines 3D-Druckers sind zwei Programme notwendig: ein Slicer und ein Host-Programm. Der Slicer ist dafür zuständig, ein 3D-Objekt in Schichten zu schneiden und daraus die erforderlichen Befehle für die Maschinensteuerung zu generieren. Über das Host-Programm wird der Drucker selbst gesteuert – anhand der vom Slicer generierten Steuerungsbefehle. Die strikte Trennung zwischen Slicer und Hostprogramm löst sich mittlerweile auf, Cura, Netfabb und Simplify3D sind Beispiele für All-in-One-Programme.
Während es sich lohnt, sich bei Slicer-Programmen ein wenig umzuschauen, spielen Host-Programme nur in Ausnahmefällen noch eine große Rolle: Die meisten Drucker kommen inzwischen mit einem vollwertigen Controller, der die Host-Funktion übernimmt und die durch den Slicer erzeugten Druckdaten von einer SD-Karte liest. Nur wer seinen Drucker trotzdem über USB mit einem Computer steuern will, muss sich mit Host-Programmen auseinandersetzen.
Interessanterweise ist ein Großteil der verfügbaren Slicer- und Host-Programme Open Source und kostenlos erhältlich. Kommerzielle Slicer-Programme bilden die Minderheit, haben aber zum Teil auch ihre Stärken, die den Preis wert sind. Ob sich die Kosten lohnen, wird eher bei fortgeschrittener Anwendung deutlich. Bei einigen, vor allem höherpreisigen Druckern gibt es diese kommerziellen Anwendungen beim Kauf dazu, teilweise in Spezialversionen – wie angeführt sollten diese Beigaben aber nicht unbedingt kaufentscheidend sein.
Komplett ignoriert werden können beim Kauf etwaige Kompatibilitätsangaben zu Betriebssystemen und Programmen. Kein Hersteller traute sich bislang, proprietäre Schnittstellen einzusetzen oder eigenmächtig den Befehlssatz zur Maschinensteuerung in großem Umfang neu- oder umzudefinieren. Wenn überhaupt, bedeuten Angaben zu bestimmten Programmen meist, dass für diese vorgefertigte Profile oder getestete Einstellungen existieren, mit denen Slicer-Programme die korrekten Berechnungen für diesen Drucker durchführen können. Im Zweifel können diese Werte aber auch anhand der technischen Daten des Druckers von Hand eingestellt werden.
Bausatz vs. Fertigdrucker
In der Anfangszeit des privaten 3D-Drucks gab es keine Wahlmöglichkeit: Wenn überhaupt etwas verkauft wurde, dann Bausätze oder Bausatzteile. Mittlerweile hat sich der Markt vollständig gedreht, Bausätze sind die Ausnahme geworden.
Mit einem Bausatz lässt sich durchaus Geld sparen, außerdem kann das erworbene Detailwissen um die gesamte Konstruktion bei späteren Problemen hilfreich sein. Die Bauzeit sollte aber nicht unterschätzt werden. Ein Wochenende sollte minimal für den Zusammenbau und die notwendige Einrichtung eingeplant werden. Der Schwierigkeitsgrad des Zusammenbaus variiert je nach Drucker, handwerkliches Geschick und vernünftiges Werkzeug sind auf jeden Fall notwendig. Die Zeiten, in denen Spezialwerkzeuge und Lötkolben nötig waren, sind allerdings vorbei.
Ist die Entscheidung für einen Bausatz gefallen, sollte vor der Wahl ein wenig Internetrecherche stehen. Für viele Bausätze sind die Anleitungen im Netz verfügbar, Videoanleitungen können ebenfalls hilfreich sein. Damit kann schon ein wenig in Gedanken der Bau nachvollzogen werden. Lassen sich solche Informationen nicht oder nur spärlich finden oder gibt es Verständnisprobleme, sollte ein anderer Drucker in Betracht gezogen werden.
Womit gedruckt wird
Während die Weiterentwicklung von FDM-Druckern derzeit eher langsam vorangeht, gab es 2014 geradezu eine Explosion neuer Filament-Sorten. Filament ist die Bezeichnung für das Druckmaterial für FDM-3D-Drucker. Neben den reinen Sorten PLA und ABS in den verschiedensten Farben gibt es mittlerweile eine große Anzahl an Mischsorten, zum Beispiel mit Holz- oder Metallzusätzen, aber auch ganz andere Materialien für flexible, biegsame Druckobjekte und Nylon für Objekte mit hohen Anforderungen an die Festigkeit.
Traditionell ist das Druckmaterial in Fadenform auf einfachen Rollen aufgewickelt. Obwohl es naheliegt, wird die Menge pro Rolle nicht in Metern oder einem anderen Längenmaß angegeben, sondern das Gewicht des Materials wird genannt. Übliche Rollengrößen sind 750 g und 500 g.
Die Rollengrößen sind für den Kauf aber nicht relevant – der Filament-Durchmesser dagegen sehr wohl. Hier gibt es zwei Standards: 1,75 mm und 3 mm. Welcher Durchmesser besser ist, ist wie schon beim Nozzle-Durchmesser fast eine Glaubensfrage – keine Preisfrage. Kleine Drucker erfordern praktisch immer einen 1,75-mm-Durchmesser, denn der dünnere Plastikfaden ist weniger steif und ermöglicht deshalb stärker gebogene und damit kürzere Zuführungen. Schnelle Drucker hingegen arbeiten mit dem größeren Durchmesser, denn dabei lässt sich mehr Material in kürzerer Zeit dem Druckkopf zuführen.
Über den Durchmesser entscheidet sich auch die Qualität eines Filaments, die Preisunterschiede bei einem sortenreinen Allerweltsmaterial wie PLA müssen schließlich einen Grund haben. Die Fäden werden per Extrudierung produziert, dabei wird das Rohmaterial durch ein Lochgitter zu endlos langen Fäden gepresst, genauso wie bei einer Spaghettipresse. Bei hochwertigen Filamenten schwankt der vorgegebene Durchmesser maximal um 0,05 mm, bei mittelmäßigen bis schlechtem Filament können es schon mal 0,1 mm und mehr sein. Das führt zu einem unregelmäßigen Materialfluss beim Druck und zu sichtbar schlechten Druckergebnissen bis hin zum Ruin des Drucks.
Wer glaubt, bei einem Drucker für 3-mm-Filament auch 1,75-mm-Filament nutzen zu können, der irrt leider – auch wenn dem Versuch nichts im Wege steht. Häufig hat das 1,75-mm-Filament dann zu viel Spiel in der Zuführung, die kontrollierte, gleichmäßige Materialzuführung wird somit zum Glückspiel und damit auch die Druckqualität.
Anders als im Markt für 2D-Drucker spielen die 3D-Druckerhersteller keine Rolle bei der Produktion und dem Verkauf des Filaments. Es gab und gibt immer wieder Versuche von Herstellern, die einfachen Rollen in spezielle Container zu packen oder gar ganz vom Rollensystem wegzukommen und so auch über den Filament-Verkauf zu verdienen. Doch solche proprietären Ansätze konnten sich am Markt bislang nicht durchsetzen. Zum einen waren solche Drucker bislang nicht deutlich billiger als ihre Konkurrenz, zum anderen können diese Hersteller mit der Innovationskraft der spezialisierten Filament-Hersteller nicht konkurrieren. Deshalb Hände weg von allen Druckern, die nur herstellereigene "Druckerpatronen" unterstützen.
Dein Drucker kann mehr drucken
Für Einsteiger etwas verwirrend ist die Angabe, welche Filament-Sorte ein Drucker verarbeiten kann. Leider verwenden viele Hersteller einfach die Bezeichnungen PLA oder PLA und ABS . Diese Unterscheidung beruht auf den unterschiedlichen technischen Anforderungen der Materialien beim Druck. PLA wird bei einer Schmelztemperatur zwischen 180 und 210 Grad Celsius verarbeitet, ABS hingegen bei 230 bis 250 Grad Celsius. Außerdem erfordert ABS aufgrund seiner Eigenschaften meist ein beheizbares Druckbett, damit sich das Druckobjekt beim Druck nicht verzieht. Allerdings gelingt Druckprofis durchaus auch der ABS-Druck ohne ein beheizbares Druckbett, so einfach ist die Angelegenheit also nicht.
Wird nur PLA als unterstütztes Material angegeben, kann das also bedeuten, dass der Druckkopf entweder die erforderlichen Temperaturen für ABS nicht erreicht oder dass die hohe Hitze nicht gut genug abgeführt werden kann und das Risiko besteht, den Drucker zu schädigen – oder dass der Drucker einfach nur kein beheizbares Druckbett hat. Hier hilft ebenfalls meist nur eine Recherche in Anwenderforen weiter. Dort finden sich häufig nicht nur die Informationen, welche Filamentarten funktionieren, sondern auch welche Druckereinstellungen oder gar Modifikationen notwendig sind.
Wie die Preise sich entwickeln
Um es vorwegzunehmen: Ja, es ist möglich, privat einen 3D-FDM-Drucker für unter 200 Euro zu bauen. Dazu gehören aber Erfahrung und Wissen, ein gut gefülltes Lager an ausrangierter Technik und ein wenig Glück auf Ebay oder Aliexpress.
Wie bereits angesprochen, basieren alle 3D-Drucker auf nur wenigen Basisentwürfen, die wenig Variation bei der Anzahl an Bauteilen zulassen. Preisunterschiede ergeben sich daher aus der Qualität der Bauteile, der Größe und einer ganzen Reihe von weichen Faktoren wie dem Herstellersupport und der Produktionseffizienz.
Ausgelotet wurde die Preisgrenze nach unten durch die Vielzahl an Kickstarter-Kampagnen 2013, nicht wenige davon explizit mit dem Ziel, den preiswertesten Drucker für den Hausgebrauch anzubieten. Um viele dieser Projekte ist es inzwischen recht still geworden. Wurde es um Projekte laut, dann deshalb, weil die Lieferungen ausblieben wie im Fall von Makible(öffnet im neuen Fenster) .
Ein Preis von 350 Euro für einen einfachen Bausatz beziehungsweise 500 Euro für einen fertigen Drucker hat sich mittlerweile als untere Grenze etabliert. Liegt der Preis darunter, besteht Grund zum Misstrauen, wenn es sich nicht explizit um ein Auslaufmodell oder ein Sonderangebot handelt.
Preisdruck nur bei teuren Druckern
Sinkende Preise sind eher noch in der aktuellen Mittel- und Oberklasse zu erwarten. Mit grundlegenden technischen Umwälzungen ist derzeit nicht zu rechnen. Zum einen blockieren Patente die Weiterentwicklung, zum anderen fehlt es den vielen kleinen Firmen im Markt schlicht an Geld und Mitarbeitern, um zielgerichtet neue revolutionäre Features oder Konstruktionsdesigns zu entwickeln. Fortschritte beim FDM-Druck sind derzeit eher evolutionär und detailbezogen. Das bedeutet andererseits, dass sich diese Firmen eher auf die Produktionsoptimierung konzentrieren können beziehungsweise müssen, statt sich durch immer neue Features gegenüber der Konkurrenz abzuheben.
Echte, seriöse Preissenkungen wird es erst geben, wenn größere Firmen in den Markt einsteigen oder es den kleinen Firmen gelingt, deutlich höhere Stückzahlen abzusetzen. Dann sind eine stärkere vertikale Integration(öffnet im neuen Fenster) bei der Lieferkette und die Automatisierung der Produktion denkbar.
Die Alternative namens Stereolithografie
Während sich der Markt für heimische FDM-Drucker eher in der Phase der Konsolidierung befindet, dringt eine andere Technik in bezahlbare Regionen vor: die Stereolithografie (STL). Als Ausgangsmaterial dient dabei flüssiges, lichtempfindliches Harz. Mit Hilfe einer Beleuchtungseinrichtung werden gezielt Stellen im Harz schichtweise bestrahlt, die dadurch aushärten. Das Druckobjekt entsteht so Schicht für Schicht in einem Harzbecken.
Dass diese Technik die Phantasien von 3D-Druckenthusiasten beflügelt, kommt nicht von ungefähr. Die Druckgenauigkeit hängt im Wesentlichen von der Fokussierungsgenauigkeit der Lichtquelle ab. Mit Lasern sind selbst feinste Strukturen möglich. Die Steuerung des Lichtstrahls durch Umlenkspiegel erfordert nur sehr kleine und damit preiswerte Motoren. Fortschritte in der Druckqualität wie auch beim Preis ergeben sich durch die derzeit sehr dynamische Weiterentwicklung bei optoelektronischen Bauelementen. Wie dieser Fortschritt aussehen kann, zeigt sich beim vor kurzem erfolgreich auf Kickstarter finanzierten Lumipocket(öffnet im neuen Fenster) .
Außerdem fehlen den STL-Druckern die prinzipbedingten Nachteile von FDM-Druckern, wie die häufige Notwendigkeit von Stützstrukturen bei Überhängen und ruinierter Drucke wegen Fehlern bei der Materialzuführung.
STL-Drucker haben allerdings auch ihre Nachteile: Noch kosten bereits verfügbare Geräte mindestens 3.000 Euro. Günstigere Modelle sind zwar angekündigt, findige Bastler experimentieren sogar mit noch preiswerteren Eigenbauten, doch bis diese den Markt unter Druck setzen, wird es noch dauern. Zudem sind die Harze für STL-Drucker noch weit von der Materialvielfalt der FDM-Drucker entfernt.
Fazit
Auch wenn dieser Artikel sehr lang war, so viele Faktoren sind im Kern gar nicht kaufentscheidend. Die relevanten technischen Faktoren sind im Abschnitt Die wichtigsten Kennzahlen genannt. Wer dann noch auf die Offenheit des Druckers und eine lebendige Community unter den Druckerbesitzern achtet, kann eigentlich nicht viel falsch machen.