3D-Druck für Prototypen
Medium · 35 min · Diverse
Ziel & Lerninhalt
Verstehe FDM-3D-Druck tief genug, um erste eigene Halterungen und Gehäuse für ProtoPeaks-Projekte zu drucken.
- FDM-Druckprozess und wichtige Slicer-Parameter erklären.
- Designregeln für 3D-druckgerechte Teile anwenden.
- Toleranzen für Passungen korrekt einplanen.
Erklärung & Wissen
Basic
3D-Druck (FDM – Fused Deposition Modeling) schmilzt einen Kunststofffaden (Filament) und legt ihn Schicht für Schicht auf eine Plattform. Das Ergebnis nach Stunden: ein echtes Plastikteil nach deinem CAD-Entwurf. Für ProtoPeaks-Projekte ist 3D-Druck dann interessant, wenn Karton-Prototypen zu schwach oder zu ungenau werden: Servo-Halter, Zahnräder, Gelenke, Sensorgehäuse. Günstige FDM-Drucker kosten heute ab 150€. Alternativ: Viele Bibliotheken und FabLabs bieten kostenpflichtigen Zugang.
Medium
Wichtige Slicer-Parameter: (1) Schichthöhe: 0,2 mm Standard, 0,1 mm fein aber langsamer. (2) Infill: 15% für Prototypen, 50%+ für mechanisch belastete Teile. (3) Wandstärke: 2–3 Perimeter (Shells) für stabile Teile. (4) Drucktemperatur: PLA 200–220°C, PETG 230–250°C. (5) Stützstrukturen: Nötig für Überhänge > 45°. Design-Regel: Keine Überhänge > 45° wenn möglich (Teile so drehen dass Überhänge weg fallen). Löcher: 3D-Drucker druckt Löcher leicht kleiner – 3 mm Loch → 2,8 mm gedruckt. Korrekturfaktor: +0,2 mm auf Loch-Durchmesser.
Expert
Schichthaftung ist die größte Schwäche von FDM-Teilen: Festigkeit qür zur Druckrichtung (Z-Achse) ist 40–60% geringer als in X/Y-Richtung. Teile so druckorientierten, dass die Hauptlastrichtung in X/Y liegt. Materialwahl: PLA ist steif, bruchanfällig bei Schlag. PETG ist zäher, temperaturbeständiger. TPU ist flexibel (Gummiteile). ABS braucht Heizbett und schrumpft (Warping). Nachbearbeitung: Löcher mit Reibahle nachbearbeiten für Passungen. Gewinde: M3-Einpressmuttern (Heatset Inserts) einpressen → stärkere Verbindung als gedrucktes Gewinde.
Fun Fact
Charles Hull erfand FDM-3D-Druck (damals Stereolithographie) 1983, weil er frustriert war wie lange es dauerte, Prototypen-Teile beim Hersteller zu bestellen. Sein erstes gedrucktes Teil war ein kleiner Augenbecher. Heute werden täglich Millionen Teile weltweit gedruckt.
- Schichthaftung
- Wie gut aufeinanderliegende Schichten miteinander verschmolzen sind. Schlechte Haftung (Delamination) entsteht durch: zu niedrige Drucktemperatur, zu starke Kühlung, zu großer Schichtabstand. Symptom: Teil bricht entlang der Schichten. Test: Biege das Teil in Z-Richtung – bricht es mit wenig Kraft, ist die Schichthaftung schlecht.
- Infill
- Die innere Füllstruktur des Teils – bestimmt Festigkeit und Materialverbrauch. Muster: Gitternetz (Grid), Waben (Honeycomb), Gyroid (organisch). Gyroid hat isotrope Festigkeit (gleich stark in alle Richtungen) und gute Schichthaftung. 15% Infill: Prototypen, nicht tragende Teile. 30%: Standardmechanik. 60%+: Hochbelastete Teile. 100%: Nur selten nötig, Vollfüllung.
- Stützstruktur
- Temporäres Gerüst aus Kunststoff für Überhänge – wird nach dem Druck entfernt. Überhänge > 45° können nicht ohne Stütze gedruckt werden (Schwerkraft). Stützen werden nachher entfernt (oft unsauber). Design-Trick: Teile so aufteilen und drehen, dass Überhänge unter 45° bleiben. Oder: Teile halbieren und verkleben. Lösliche Stützmaterialien (PVA, HIPS) ermöglichen komplexe Geometrien ohne Stützentfernung.
- Slicer
- Software, die das 3D-Modell in druckbare Schichten zerlegt und G-Code erzeugt. Populäre Slicer: PrusaSlicer (Open Source), Bambu Studio, Cura. G-Code ist Maschinensprache für den Drucker: Koordinaten, Temperaturen, Geschwindigkeiten. Slicer-Vorschau zeigt die tatsächlichen Druckpfade – immer vor dem Druck prüfen ob Stützen und Infill sinnvoll sind.
Übung: Servo-Halter aus der Thingiverse-Bibliothek drucken
Lade einen fertigen SG90-Servo-Halter herunter, slice ihn und drucke ihn – oder analysiere das Druckergebnis eines fertigen Teils.
- Zugang zu einem 3D-Drucker (FabLab, Bibliothek, Schule)
- PLA-Filament (meist vorhanden)
Modell finden
Öffne Thingiverse.com oder Printables.com. Suche 'SG90 servo bracket'. Lade eine STL-Datei herunter, die zu deinem Projekt passt.
Check: STL-Datei eines SG90-Servo-Halters ist heruntergeladen.
Tipp: Thingiverse.com: Suche 'SG90 mount'. Wähle eines mit vielen Downloads (bewährt).
Im Slicer öffnen
Installiere PrusaSlicer (prusa3d.com/prusaslicer). Öffne die STL-Datei. Stelle sicher, dass das Modell flach auf der Druckplatte liegt (keine Überhänge falls möglich).
Check: Modell ist im Slicer auf der Druckplatte, korrekt ausgerichtet.
Tipp: PrusaSlicer und Cura sind kostenlos. Autorotate-Funktion dreht das Modell oft optimal.
Slicing-Parameter setzen
Setze: Schichthöhe 0,2 mm. Infill 30% (Waben). Wandstärke: 2 Perimeter. Stützen: Nur wenn nötig (zeigt Slicer-Vorschau). Klicke 'Slice Now' und prüfe die Vorschau.
Check: Schichthöhe 0,2 mm, Infill 30%, 2 Perimeter eingestellt.
Tipp: PrusaSlicer hat Voreinstellungen pro Drucker – für Anfänger verwenden, nur Infill anpassen.
Druckzeit und Material schätzen
Lies aus dem Slicer ab: Geschätzte Druckzeit und Filamentverbrauch in Gramm. Ein kleiner Servo-Halter dauert typisch 30–60 Minuten und braucht 3–8g PLA.
Check: Du weißt, wie lange der Druck dauert und wie viel Filament er braucht.
Tipp: Slicer zeigt diese Information automatisch nach dem Slicen.
Druckergebnis analysieren
Nach dem Druck (oder an einem fertigen Teil): Betrachte das Teil genau. Erkennst du die Schichten (0,2 mm Linien)? Das Infill-Muster innen? Stellen wo Stützen entfernt wurden? Prüfe ob Löcher passen (M3-Schraube durchführen).
Check: Du erkennst Schichten, Infill-Muster, Perimeter und eventuelle Stützen.
Tipp: Mit Lupe oder guter Beleuchtung die Schichtstruktur und Qualität beurteilen.
Kein Elektronik-Versuchsaufbau.
- Löcher zu eng für Schrauben. — FDM-Drucker druckt Löcher 0,1–0,3 mm kleiner. Reibahle verwenden oder Loch im CAD auf +0,3 mm vergrößern und neu drucken.
- Teil löst sich von der Druckplatte während des Drucks. — Druckplatten-Haftung zu niedrig. Druckbett-Temperatur erhöhen (PLA: 60°C Bett). Klebestift oder Haarspray auf Druckplatte. Brim (extra Randlinie) im Slicer aktivieren.
Kurzzusammenfassung
FDM-3D-Druck: Schicht für Schicht aus Kunststoff. Wichtigste Parameter: Schichthöhe, Infill, Temperatur, Stützen. Design-Regel: Überhänge < 45°, +0,2 mm Toleranz für Passungen. Schichthaftung ist die schwächste Achse – Last in X/Y-Richtung legen.