Oder: wie man eine Idee ruckzuck in einen Prototyp verwandeln kann
Ich weiß nicht, wie es Ihnen geht, aber ich habe immer mal wieder Ideen zu nützlichen Gadgets, die mir meinen Alltag erleichtern können. Vor Kurzem war dies der Fall, als ich mein Badezimmer ein wenig aufgeräumt habe: dabei ist mir aufgefallen, dass es vor dem Waschbecken keinen wirklich geeigneten Platz für meine elektrische Zahnbürste gibt, der sich in der Nähe der Steckdose befindet.
Die Lösung hierfür liegt erst einmal auf der Hand, dachte ich. Ein neues Regal muss her. Jeder, der in einer Mietswohnung lebt, weiß aber, dass das Bohren in einer mit Fliesen ausgekleideten Wand immer ein wenig für hohen Blutdruck sorgt. Also dachte ich ein wenig weiter und kam auf folgende Idee: wie wäre es denn mit einem Mini-Regal, das mithilfe eines SchuKo-Steckers über die Steckdose an der Wand befestigt werden kann?
Nachdem ich mich ein wenig ausgetauscht hatte und durch die positive Resonanz meiner Freundin und meines Freundeskreises irgendwann auch selbst sehr überzeugt von meiner eigenen Idee war, stellte sich mir die Frage: wie kann man so etwas schnell und günstig umsetzen? Vor dem Hintergrund, dass ich bereits länger mal vorhatte, etwas mit 3D-Druck auszuprobieren, war mir das Mittel der Wahl schnell klar.
Entscheidung für ein Fertigungsverfahren
Jeder, der ein wenig zu 3D-Druck im Netz recherchiert, findet schnell heraus, dass es verschiedene Verfahren beim 3D-Druck gibt. Für eine Übersicht zu den verschiedenen Verfahren empfehle ich den Artikel zum Thema Additive Manufacturing von MEDtechler Lars: Additive Fertigung – Lars Gerboth.
Für welches Verfahren man sich entscheidet, hängt in erster Linie von dem Material ab, aus dem der Druck entstehen soll. In meinem Fall war mir klar, dass ich für meinen Anwendungsfall einen Kunststoff benötige, welcher auch gegen die elektrische Spannung der Steckdose isolieren kann. Außerdem sollte es nicht teuer sein.
Aufgrund dieser Rahmenbedingungen entschied ich mich für das einfachste Verfahren, genannt FDM (Fused Deposition Modelling), bei dem durch eine Düse aufgeschmolzener Kunststoff in einer Filamentstruktur übereinandergelegt wird. Ein großer Nachteil des Verfahrens ist, dass besonders kleine Strukturen nicht so hochauflösend gedruckt werden können wie bei anderen Verfahren. Das störte mich bei meinem Use Case aber nicht großartig, Strukturen bis 0,2 mm sind trotzdem gut abbildbar.
Entscheidung für ein CAD-Tool zur Konstruktion des Bauteils
Für mich war das eine der interessantesten Fragen bei dem ganzen Unterfangen. Ich besitze leider nur sehr, sehr wenig Erfahrung bei der Konstruktion von Bauteilen, und diese begrenzt sich nur auf 2D-Zeichnungen. Was ich aber besitze, ist viel Erfahrung in der Entwicklung von Code. Und genau dieser Umstand hat mich auf das Tool OpenSCAD gebracht, bei dem man mithilfe einer simplen Syntax 3D-Zeichnungen „programmieren“ kann.
Ich kann das also jedem empfehlen, der aus der Programmier-Welt kommt und ein paar Experimente mit 3D-Modellen machen möchte. Übrigens: OpenSCAD ist eine Freeware unter der GNU General Public License und damit kostenlos für jedermann. Ein weiteres Gimmick ist, dass sich der Code mit Git verwalten und versionieren lässt. Ein Cheat-Sheet mit den wichtigsten Befehlen für OpenSCAD findet man online.
Auf der linken Seite sieht man den Code-Editor, rechts das Preview Fenster
Auf der linken Seite sieht man den Code-Editor, rechts das Preview-Fenster.
Darüber hinaus existieren selbstverständlich zahlreiche weitere Tools, die zur Erstellung von 3D-Modellen verwendet werden können. Viele davon sind kostenpflichtig, einige wiederum nicht. Um in das Thema tiefer einsteigen zu können, empfiehlt sich ein Überblick über verschiedene CAD-Programme.
Strukturiertes Vorgehen bei der Umsetzung eines Designs
Ein gutes Design fällt leider nicht vom Himmel. Grundsätzlich gilt bei jeder technischen Anwendung, sich vorab Gedanken über die Anforderungen an das Produkt zu machen. Für die funktionalen Anforderungen eines CAD-Designs kann dafür in wenig komplexen Fällen beispielsweise auf eine kleine, handgemalte Skizze zurückgegriffen werden, die man mit Bemaßungen versehen kann. Nützlich wird dies spätestens, um später noch vor dem Drucken eine kleine Vorab-Validierung am Rechner vornehmen zu können.
In meinem Fall habe ich mir die Maßbilder für den Type-F Schuko-Stecker aus dem Web heruntergeladen und zusätzlich ein paar kleine 2D-Skizzen in Visio erstellt, sodass ich am Ende etwa zwei DIN-A4-Seiten an Skizzen zur Verfügung hatte, die mir als „Kurz-Spezifikation“ für meinen Stecker dienen konnten. Nun wurde es Zeit, endlich mit der Konstruktion in OpenSCAD loszulegen.
Ein paar Tipps zum Design for Additive Manufacturing
Der wichtigste Tipp zur Optimierung des Designs für additive Fertigung resultiert aus dem Fakt, dass man nicht „in der Luft“ drucken kann. Für alle Flächen eines Bauteils, die in irgendeiner Form nicht nach unten hin abgestützt werden können, werden sogenannte Stützstrukturen benötigt, die abgesehen von der Ermöglichung des Drucks aber keine Funktion besitzen. Dadurch erhöhen sich Materialverbrauch und Druckzeit.
Das treibt die Kosten des Drucks nach oben. Nach dem Druck kann man diese Strukturen meistens leicht herausbrechen oder herauslösen. Für mein erstes Design habe ich das nicht beachtet, was darin resultierte, dass 30 % des beim Druck verbrauchten Materials aus Stützstruktur bestand.
Wie identifiziert man also Stellen, die Stützstrukturen benötigen? Grundsätzlich muss man sich dafür vorstellen, wie der Drucker das Modell erstellt: Material wird von unten nach oben aufgetragen.
Gibt es also Flächen, die beispielsweise seitlich vom Rest des Bauteils abstehen oder einen Hohlraum überspannen, sind für deren Druck Stützstrukturen notwendig. In einigen Fällen lassen sich Stützstrukturen nicht vermeiden. In anderen Fällen kann man das Design zum Beispiel durch spitze Winkel anpassen. Eine Faustregel besagt, dass sich Flächen mit einer Schräglage von etwa 45° über dem Druckerboden gut ohne Stützstrukturen drucken lassen.
Ein weiterer, eher allgemeiner Tipp ist, dass man sein Design möglichst nicht überdimensioniert. Materialmenge und Druckzeit sind die größten Kostentreiber. Deshalb sollte man überlegen, welche Geometrien sich eignen, um Material einzusparen.
Vom Design zum Druck
Wenn man nun zu einem anständigen Design gekommen ist, möchte man dieses natürlich drucken. Aber nicht zu voreilig: Ein Druck kostet sowohl Zeit als auch Geld. Vor dem Drucken empfiehlt es sich, eine kurze Vorab-Validierung des Designs am Rechner vorzunehmen.
OpenSCAD besitzt leider kein eingebautes Mess-Tool. Deshalb habe ich mir das kostenlose Microsoft-Tool „3D Builder“ aus dem Microsoft Store heruntergeladen: Link zum Tool.
Mit 3D Builder kann man das Modell vermessen, da ein solches Tool leider in OpenSCAD nicht existiert.
Mit dem 3D Builder lassen sich Mesh-Dateien im STL-Format importieren, verändern und vermessen.
Zum Vorgehen: Das Design in OpenSCAD rendern und im STL-Format exportieren. Danach kann man die Datei über die Import-Funktion im 3D Builder öffnen. Wichtig ist dabei, die korrekte Längeneinheit auszuwählen. Diese muss mit der Einheit aus dem Konstruktionstool übereinstimmen, bei OpenSCAD standardmäßig Millimeter.
Nun kann man unter „Objekt“ die Messfunktion anwählen und damit die eigene Kurz-Spezifikation überprüfen. Wenn man sich vergewissert hat, dass das Design den Anforderungen entspricht, kann es zum Drucken gehen.
Der Druck
Wer glaubt, dass man für den 3D-Druck einen eigenen Drucker benötigt, liegt falsch. Insgesamt gibt es mehrere Möglichkeiten, einen Druck zu erstellen, ohne selbst einen Drucker zu besitzen:
- Druck in einem Online-Druckhaus
- Druck in einem Maker-Space oder FabLab
- Druck bei einer befreundeten Person, die einen 3D-Drucker besitzt
Ich empfehle dringend, den ersten Prototypen nicht in einem Online-Druckhaus zu drucken, sondern sich selbst vor den Drucker zu stellen. Das hat mehrere Gründe.
Zum einen kann der Druck in einem Online-Druckhaus teuer sein, und gerade beim ersten Design kann vieles schiefgehen. Zum anderen lernt man das Verfahren besser kennen, wenn man den Prozess selbst durchläuft. Außerdem kommt man oft schneller zum Druck. Und nicht zuletzt macht es einfach Spaß.
Für größere Stückzahlen kann ein Online-Anbieter später durchaus sinnvoll sein, insbesondere wenn bereits ein validiertes Modell existiert.
Ich persönlich habe meinen ersten Druck im FAU FabLab der Universität Erlangen erstellt. Besonders gut gefallen hat mir, dass dort immer jemand vor Ort ist, der eine Einweisung geben kann und beim Druck unterstützt. Außerdem ist der Preis relativ günstig: Für einen nicht-kommerziellen Druck zahlt man dort etwa 18 Cent pro Gramm Material (Unkostenpreis, Stand April 2024).
Zum Prozess: Die STL-Datei allein reicht für den Drucker noch nicht aus. Das Modell muss zunächst mit einem sogenannten „Slicer“-Tool vorbereitet werden. Dabei wird das Modell in einem virtuellen Raum im Drucker positioniert, sodass der Drucker weiß, in welcher Orientierung es gedruckt werden soll.
Anschließend kann eine Feinparametrierung vorgenommen werden, beispielsweise:
- Filamentdicke
- Wandstärke
- Infill (Fülldichte des Materials im Inneren)
Beim Slicen erhält man meist eine Schätzung darüber, wie lange der Druck dauert und wie viel Material benötigt wird.
Slicer: mit dem Slicer Tool wird das Modell "in die Sprache des Druckers übersetzt". Hier ein Preview des Drucks in Schnittansicht, wo auch das "Infill" der Wände deutlich zu sehen ist.
Mit dem Slicer-Tool wird das Modell „in die Sprache des Druckers übersetzt“. In der Schnittansicht lässt sich auch das Infill der Wände erkennen.
Mit dem gesliceten Modell ist man schließlich startbereit. Häufig wird die Datei über einen USB-Stick auf den Drucker übertragen. Wichtig ist, vorher zu prüfen, ob genügend Filamentmaterial vorhanden ist.
Außerdem empfiehlt es sich, die ersten Minuten des Drucks zu beobachten, um sicherzustellen, dass alles korrekt läuft. Falls nicht, kann man den Druck rechtzeitig abbrechen.
Schlussworte zum 3D-Druck Guide
Einen eigenen Prototyp zu drucken ist einfacher, als man zunächst glaubt. Wichtig ist es, ein paar grundlegende Tipps beim Design zu beachten und sich beim ersten Druck Unterstützung zu holen.
Für den ersten Prototyp bietet sich ein Makerspace oder FabLab besonders an, da dies relativ günstig ist und meist kompetente Unterstützung vorhanden ist.
Wer das Drucken ausprobieren möchte, ohne selbst ein Design zu erstellen, findet auf Plattformen wie Thingiverse zahlreiche Vorlagen.
Kontaktieren Sie uns gerne, wenn Sie einen Prototypen für Ihr nächstes medizintechnisches Gerät benötigen. MEDtech Ingenieur unterstützt Unternehmen von der ersten Idee bis zur Serienproduktion.