Warum dauert ein 3D Druck so lange?

[saberlod]

Da ja der 3D Druck immer beliebter zu werden scheint und auch immer mehr hier in der Community sich einen ihr eigen nennen, kam letztens eine sehr interessante Frage auf.

Warum dauert der 3D Druck nur so lange?

Grundsätzlich ist es natürlich immer relativ, wie lange solch ein Druck dauert, da er von vielen Faktoren abhängig ist. Dazu zählen unter anderem:
- die Größe des Druckes
- das eingesetzte Druckmaterial
- das verwendete Füllmuster
- die verwendete Fülldichte
- die Stärke der Boden und Deckschichten
- Die Stärke der Seitenwände
- die geforderte Qualität des Drucks
- der verwendete Slicer
- Lagerung des Filamentes
- die Größe der Düse mit der das Filament extrudiert wird
- die Schmelztemperatur des Filamentes
- Temperatur des Druckbettes
- wie schnell der Extruder das Filament in die Düse transportieren kann
- wie schnell das so genannte Hotend den Kunststoff schmelzen kann

In den Anfängen des 3D Drucks galten noch Geschwindigkeiten von 100mm/sek. als große Herausforderung. Heute kann diese Geschwindigkeit von den meisten Druckern überschritten werden. Dennoch sind hier Grenzen gesetzt. Kürzlich wurde ein Drucker vorgestellt, der das Filament im FFF Verfahren (Fused Filament Fabrication) mit über 1000mm/Sek. auftragen kann. Dies stellt schon einen Quantensprung in Sachen 3D Druck dar, jedoch für den Hobbyisten sicherlich momentan noch nicht zu bezahlen. Die Schwierigkeiten bei solchen Geschwindigkeiten ergeben sich wiederum dadurch, dass das geschmolzenen aufgetragene Filament noch nicht verfestigt ist bis die zweite Lage aufgetragen wird, somit ergibt sich hier wiederum ein Kühlungsproblem des Druckteiles welches sich wiederum negativ auf das Hotend, den Teil des Druckers welcher das Filament verflüssigt, überträgt. Des weiteren muss das Filament mittels hohem Druck durch das Hotend gepresst werden um möglichst schnell sehr viel Filament bereitstellen zu können. Aber nun zurück zum Hobby, wo diese Geschwindigkeiten noch keinen Einzug erhalten.

Beim FFF Verfahren wird geschmolzener Kunststoff (Das Filament) auf das Bett des Druckers Schicht für Schicht aufgetragen. Klar ist, das für den 3D Druck ein druckfähiges 3D-Modell vorhanden sein muss. Auch dies ist ein Zeitfresser, wenn man hier alles selber zeichnen möchte. Somit muss im Fall, wenn man Modele selber erstellen will, das entsprechende Zeichenprogramm erlernt werden. Es gibt hierbei unzählige CAD Programme, welche sich für den 3D Druck eignen. Von kostenlos bis wahnsinnig teuer. Wir als Hobbyisten greifen da natürlich sehr gerne auf die Kostenlose Programme zu, dazu zählen vor allem folgende. Die Angaben beziehen sich nur auf den 3D Druck.

SketchUp:
Dieses Programm ist sicherlich bei vielen Bekannt und kann als Anfänger sehr gut und schnell erlernt werden. Es bietet gewisse Vorteile:
- Schnell und leicht zu erlernendes 3D Zeichenprogramm.
- Es gibt viele Tutorials auf YouTube welche den Einstieg enorm erleichtern.
- Einfache Modelle sind schnell erstellt
- Es gibt sehr viele Addons die installiert werden können, welche beim Zeichnen zusätzlich unterstützen.
- Die Modelle können frei im Raum dargestellt werden. Es müssen keine Ursprünge erstellt werden.
Aber es hat auch Nachteile zu verzeichen:
- Vektorbasiertes Zeichenprogramm, welches keine echten Volumenkörper erstellt.
- Es muss darauf geachtet werden, dass ALLE Flächen als Außenfläche dargestellt werden.
- Es dürfen sich im inneren des Models keinerlei Linien oder Flächen befinden.
- Komplizierte Modele sind mit SketchUp sehr schwer oder überhaupt nicht machbar.
- Gewinde können mit SketchUp nicht modelliert werden, es kann nur annähernd erstellt werden.

FreeCAD:
Dieses CAD Programm ist ein parametrisches CAD Programm mit dem man ganz einfach über die Historie die Parameter seiner Modelle modifizieren kann. Es ist für fortgeschrittene Benutzer geeignet. Bedarf auch einer größeren Einarbeitungszeit als Sketchup. Die Modele müssen hierbei alle in ihrer Größe und Platzierung im Raum parametrisiert werden.
Die Vorteile sind hier:
- Viele Tutorials auf Youtube
- es gibt eigentlich keinerlei Modelle, welche damit nicht erstellt werden können.
- Die erstellten Modelle sind allesamt Volumenkörper.
- Durch die parametrisierten Modelle sind nachträgliche Anpassungen einfach.
Nachteile:
- lange Einarbeitungszeit.
- Gewinde modellieren sehr schwierig.

Fusion360:
Für mich persönlich der Favorit. Da Fusion jedoch die kleine Schwester von Inventor ist, wird hier des Öfteren über eine Profianwendung gesprochen. Die Modelle werden hier ebenfalls parametrisiert und sind fest im Raum verankert.
Die Vorteile sind hier ebenfalls:
- Viele Tutorials auf Youtube
- es gibt eigentlich keinerlei Modelle, welche damit nicht erstellt werden können.
- Die erstellten Modelle sind allesamt Volumenkörper.
- Durch die parametrisierten Modelle sind nachträgliche Anpassungen einfach.
- Gewinde können einfach und vollständig modelliert werden.
- Schnittstelle mit eigenem Slicer für den 3D Druck.
Nachteile gibt es natürlich auch hier:
- lange Einarbeitungszeit
- Cloud basierende Software, die erstellten Modelle werden alle Online verwaltet. Können aber auch auf dem eigenen PC gespeichert werden.

Das so gezeichnete Model wird anschließend in eine STL Datei umgewandelt (Dies ist zumindest das gängigste Format für die meisten Slicer Programme. Es wird aber meistens auch ein OBJ, AMF oder XML Format unterstützt) und anschließend mittels eines speziellen Programms, dem sogenannten Slicer in eine Vielzahl von Schichten zerlegt (slicen). Die gängigsten Slicer sind hier unter anderem:

Simplify 3D, dieses Programm ist aktuell sicherlich eines der Leistungsstärksten Slicerprogramme auf dem Markt, leider ist es nicht Kostenlos. Gerade für Stützstrukturen lässt dieses Programm keine Wünsche offen und ist hier bei kompliziertem Druck am besten geeignet. Es erfordert jedoch schon einiges an Wissen, wenn man seinen Drucker damit ausreizen möchte.

Cura ist wohl das gängigste Slicerprogramm und absolut kostenlos, es steht mittlerweile in vielen verschiedenen Version zur Verfügung, jedoch ist genau hier der Hund begraben, da man nach einem Update auf die evtl. neueste Version auf einmal Probleme beim Druck erhält. Trotz des einfachen Aufbaus können auch hier sehr viele Einstellungen vorgenommen werden. Man tut gut daran die evtl. vom Druckerhersteller bereitgestellte Einstellungsdatei mit Cura zu verbinden um es hier für den Start leichter zu haben.

Slic3r ist ebenfalls weit verbreitet und zielte bisher hauptsächlich auf die Nutzer von Prusa Druckern ab. Es ist ebenfalls Kostenlos. Mittlerweile wird es ständig erweitert und immer besser. Für mich persönlich aktuell der am meisten genutzte Slicer.

Für das Slicen von Modellen benötigt man anfangs noch kein allzu großes Wissen, da diese Programme das Slicen selber erledigen. Aber wie überall gibt es auch hier eine Vielzahl von Einstellungen, welche man beeinflussen kann und die dann auch wiederum für den Erfolg oder Misserfolg des Drucks verantwortlich sein können. Gerade beim Slicen entsteht der entscheidende Punkt, mit welcher Dauer man es beim anschließenden Druck zu tun bekommt.
Hier lassen sich alle Faktoren verändern oder beeinflussen.
Im Normalfall hat ein Standarddrucker eine 0,4mm Druckdüse und hiermit sind Layerschichten (Schichtdicke) von 0,05 – 0,2mm möglich.
Hier mal ein Beispiel:
Die Layerhöhe wurde auf 0,2mm eingestellt. Für das Testobjekt wird eine Druckzeit von einer Stunde durch den Slicer erzeugt. Ändert man nun diese Einstellung von 0,2mm Layerhöhe auf 0,1mm verdoppelt sich die Druckzeit, da der Drucker doppelt so viele Schichten drucken muss. Geht man hier noch einen Schritt weiter und stellt eine Layerhöhe von 0,05mm ein wird aus dem anfangs einstündigen druck ein Druck mit vier Stunden.
Hier entscheidet der Anwender, reicht mir ein gedrucktes Objekt an dem die einzelnen Schichten noch deutlich zu sehen sind, dann wähle ich 0,2mm Layerhöhe, benötige ich qualitativ etwas Genaueres, gehe ich auf 0,15mm oder gar 0,1mm Layerhöhe. Möchte ich ein überdurchschnittliches Finish wähle ich 0,07mm oder 0,05mm Layerhöhe, hier sind die einzelnen Schichten schon wirklich sehr fein und auf den ersten Blick nicht mehr erkennbar. Aber natürlich mit dem Nachteil der langen Wartezeit.
Das Ganze kann dann noch auf die Spitze getrieben werden, wenn man eine andere Druckdüse verwendet mit einem 0,25mm Loch, da wird aus dem anfänglichen Druck mit der 0,4mm Düse von einer Stunde sofort ein Druck mit vier Stunden. In der feinsten Auflösung liegen wir dann schon bei 16 Stunden.

Das Infill, sprich die Füllung des Models ist ebenfalls ein großer Zeitfresser. In den Meisten Fällen werden die Modelle nicht komplett aus einem Guss gedruckt, sondern mit einer Art Wabenmuster gefüllt, dies bietet zwei Vorteile. Ersten wird weniger Filament benötigt und zweitens natürlich der Druck beschleunigt. In den meisten Fällen ist ein vollflächiges Infill nicht notwendig. Somit lassen sich mit dem Slicer Infills von 0 – 100% realisieren. Meistens werden Infills mit 15 – 25% realisiert. Dies ist für die meisten gedruckten Modelle bei weitem ausreichend. Nur im Falle, dass der Druck für spätere zwecke hoher Beanspruchung unterliegt wird das Infill entsprechend bis zu 100% erhöht.
Hierzu ebenfalls ein Beispiel:
Wird das Model mit 0% Infill gedruckt und man nähme an, dass es eine Stunde für den Druck benötigt, würde die Zeit bei 10% Infill um ca. 10 Minuten steigen. Nimmt man 50% Infill erhöht sich die Zeit schon um eine halbe Stunde. Wird es mit 100% Infill gedruckt, haben wir eine gesamte Druckzeit von knapp zwei Stunden. Also verdoppelt das 100%ige Infill die Druckzeit, des zu druckenden Modells.
Auch das Muster des Infills hat Auswirkungen auf die Druckzeit. Aktuell sind 13 Muster gängig. Wobei hier stellenweise signifikante Unterschiede bestehen und man das Infillmuster nach den Anforderungen des zu druckenden Models auswählen sollte. Eine genauere Erklärung hierzu würde aber den Rahmen sprengen und ich werde dazu einen separaten Wissensartikel schreiben. Welcher dann hier verlinkt wird.

Auch Einstellungen an der Boden- und Deckschicht können vorgenommen werden. Hier wird bei den Slicern Standardmäßig bei Boden und Decke zwischen 4 und 7 Schichten gedruckt. Dieser Wert kann entsprechend erhöht oder reduziert werden. Was sich dann wiederum auf die Stabilität des Modells auswirkt. Natürlich würde sich ein erhöhen der Schichten auch negativ auf die Druckzeit auswirken.
Auch die Wandstärke wird standardmäßig durch den Slicer mit 2 Linien vorgegeben. Dies bedeutet bei einer verwendeten 0,4mm Düse ist die Seitenwand dann ca. 0,87mm Breit. Bei Erhöhung des Wertes auf 4 Linien wäre dann die Wandstärke bei ca. 1,7mm. Je nach Erhöhung des Wertes wird natürlich auch die Druckzeit wiederum negativ beeinflusst.
Die Linienstärke ist immer etwas breiter als der Düsendurchmesser, dies liegt daran, dass das Filament auf die Fläche etwas aufgedrückt wird und sich dadurch zur Seite auswölbt. Somit sind mit einer 0,4mm Düse minimale Wandstärken von ca. 0,45mm möglich.

Des weiteren werden evtl. Stützstrukturen für kompliziertere Modelle benötigt. Stützstrukturen werden dazu verwendet temporär Halt an Stellen zu geben, wo sonst das Modell im freien Raum gedruckt werden müsste. Verwendet wird hierzu in den meisten Fällen derselbe Kunststoff, welcher auch beim Druck des Modells Anwendung findet. Bei Druckern mit Multimaterial (Mehrfarbdrucker) wird hier häufig auch PVA als Stützmaterial eingesetzt. Nachdem der Druck erfolgt ist, müssen alle Stützstrukturen manuell, zum Beispiel mit einer Zange oder Seidenschneider, entfernt werden. Dabei können leider Reste am Modell zurückbleiben, die oft nur schwer zu entfernen sind. Durch den Einsatz von PVA als Stützmaterial hat man den Vorteil, dass sich dieses mittels warmen Wassers ablösen lässt und der Druck somit komplett sauber ist.
Daher ist es wichtig beim 3D Druck die richtige Orientierung des Modells zu finden. Zum einen soll die beste Qualität erreicht werden, aber zugleich gilt es, so wenig Stützstruktur wie möglich zu verwenden bzw. diese komplett zu vermeiden. Daher ist hier auch etwas Erfahrung notwendig.
Druckt man z.B. einen Menschen mit seitlich ausgestreckten Armen würden sich die Arme und Hände dabei im freien Raum befinden. Der Drucker kann aber kein Flüssiges Filament in die Luft drucken, daher benötigt er eine Art Stütze als Hilfestellung um die ausgestreckten Arme drucken zu können.
Ab einem Überhang, also einer Stelle im Modell, die weniger als einen Winkel von 45 Grad von der horizontalen Achse hat, muss in den meisten Fällen gestützt werden. Dies versucht man durch eine andere Orientierung des Modells auf dem Druckbett zu vermeiden oder zumindest auf minimal einzuschränken.
Werden dennoch Stützstrukturen benötigt, ist dies ebenfalls ein Faktor welcher den Druck in der Zeitleiste nach oben schraubt.

Nachdem dann das zu Druckende Modell geslict wurde kann der sogenannte GCode generiert werden. Dies erledigt der Slicer auf Knopfdruck selbstständig. Der GCode ist die Maschinensprache welche mit dem Drucker kommuniziert. Der Slicer übersetzt alle eingestellten Anforderungen welche wir vorgenommen haben (Druckqualität, verwendetes Filament, Höhe des Infills, evtl. Stützstruckturen usw.), die Geometrie des Modells und die verfahr Wege welche der Druckkopf beim Drucken des Modells vornehmen muss in den GCode. Dieser wird dann in den meisten Fällen auf eine SD Karte oder einen USB Stick übertragen und in den Drucker gesteckt. Der Drucker arbeitet komplett autark zum PC. Dies ist auch meine Empfehlung!
Der GCode kann aber auch direkt vom PC an den Drucker gesendet werden und auch der Druck kann über den PC gestartet werden. Jedoch wird dabei der Datenaustausch permanent über die Dauer des Drucks vom PC zum Drucker übertragen. Bei einem evtl. Absturz des PC’s ist auch der Druck fehlgeschlagen.
Übergibt man den GCode per SD/USB direkt an den Drucker ist kein PC für den Druck mehr notwendig und der Drucker zieht sich die Daten direkt selbst von der SD/USB Speicherkarte.

Jetzt kann der Druckvorgang gestartet werden. Die meisten Drucker zeigen im Display den aktuellen Fortschritt des Drucks sowie die noch zu erwartende Restzeit an.

Die einzelnen Schichten werden nun vom Extruder auf das Druckbett aufgetragen. Der Extruder bzw. das Hotend ist die beheizbare Düse, welche Kunststofffäden aus dem Filament erzeugt. Diese werden durch den Extruder erhitzt, bis sie sich verflüssigen. Dieses flüssige Filament wird durch den Extruder entsprechend der Schichten des 3D-Modells auf das Druckbett aufgetragen.
Beginnend mit der ersten Bodenlage.

Sobald das Material abkühlt, härtet es schnell aus. Dies wird bei den meisten Drucken zusätzlich mittels Kühler Luft beschleunigt, welche über Ventilatoren direkt an der Druckdüse das geschmolzene Filament erkalten lassen. Auf eine ausgehärtete Schicht wird die nächste Schicht des flüssigen Kunststoffs aufgetragen. So entsteht dann Schicht für Schicht, das reale Abbild des 3D-Modells. Hier liegt der größte Zeitfaktor für den 3D Druck, je nach Leistungsfähigkeit des Hotends sind für uns Hobbyisten Geschwindigkeiten von bis zu 200mm/Sek. möglich. Alles darüber wird wiederum aktuell sehr teuer. Natürlich hängt die Druckgeschwindigkeit auch von der verwendeten Art des Filaments ab. Hier gibt es Filament welche sich schneller schmelzen lassen und somit auch für höhere Geschwindigkeiten geeignet sind und welche die sehr hohe Schmelztemperaturen haben, was sich wiederum auf die applizier Geschwindigkeit negativ auswirkt.
Wenn euch etwas auffällt, was ich evtl. falsch wiedergegeben habe oder ihr andere Erfahrungen gemacht habt, dann lasst es mich bitte wissen, damit ich den Artikel ändern kann.

Vielen Dank.
Euer saberlod

[saberlod]

Grundsätzlich ist es so. Die beiden anfälligsten Filamentarten gegen Luftfeuchtigkeit sind ganz vorne an PVA und Nylon. Gerade Bei PVA kann es schon bei ein bis zwei Tage an der Luft vorbei mit dem Druckergebnis sein. Es zieht regelrecht das Wasser aus der Luft heraus. PVA ist generell ein wunderbares Supportmaterial, da es sich mit warmen Wasser auflösen lässt. Bediengt jedoch einen Drucker der mehrere Filamente gleichzeitig verarbeiten kann (Multi Material).
Bei Nylon Filament verhält es sich ähnlich, jedoch nicht ganz so schnell wie bei PVA!
Beide Filamente müssen sofort nach Gebrauch in einen Vakuumbeutel inkl. Silicagel verpackt werden.
Auch PLA und ABS sind anfällig auf Luftfeuchtigkeit. Diese reagieren nicht so schnell damit, jedoch sollten diese ebenfalls nach Gebrauch in einen Vakuumbeutel verpackt werden. Es reicht nicht diese Filamente nur in eine Plastiktüte zu verpacken, die Luft muss abgesaugt werden.
PETG ist hierbei eines der Filamente welches kaum Wasser aus der Luft zieht, jedoch sollte auch dieses verpackt werden, den Staub auf den Filamenten ist der zweite Feind der Druckdüse!

[kaosqlco]

Von PVA habe ich noch nie gehört, von Nylon wenig. Was es alles gibt!

Wenn ich Eure Ausführungen lese, muß ich feststellen, dass ich noch echte Defizite bei der Aufbewahrung meines PLA habe (anderes Filament nutze ich noch nicht).
Ich habe die angefangenen Rollen zumindest in einem Schubkasten im Schrank gelagert incl. ein par Silikat-Tütchen. Luftdicht ist das aber nicht. - Jetzt sind die Rollen incl. Silikat in große Zip-Tüten umgezogen.

[saberlod]

@kaosqlco, und du solltest den Staubsauger an deine Zipbeutel ansetzen um dort die gesamte Luft abzusaugen.

[kaosqlco]

saberlod:
@kaosqlco, und du solltest den Staubsauger an deine Zipbeutel ansetzen um dort die gesamte Luft abzusaugen.

Mach ich gleich morgen.

[saberlod]

@MelanieO, Hallo Melanie, ich dachte immer ich kann beliebig meine Texte bearbeiten, jedoch kann ich den ersten Text nur noch zitieren, ist das normal? Wollte nämlich eben den Text etwas anpassen.

[MelanieO]

saberlod:
@MelanieO, Hallo Melanie, ich dachte immer ich kann beliebig meine Texte bearbeiten, jedoch kann ich den ersten Text nur noch zitieren, ist das normal? Wollte nämlich eben den Text etwas anpassen.

In dem Unterforum "Wissenssammlung" ist die Bearbeitung immer möglich. Dieser Thread ist allerdings dem Unterforum "3D-Druck" zugeordnet. Gerne verschieben wir den Thread, dann kannst du ihn bearbeiten. Gib einfach Bescheid, falls du dies möchtest.

[saberlod]

@MelanieO, hä, kapier ich jetzt nicht wirklich, der Thread ist doch im bereich der Wissensammlung eingeordnet. Muss dieser dann eine Ebene höher oder wie? Gerne möchte ich diesen Bearbeiten können. Danke für deine Hilfe

[MelanieO]

saberlod:
@MelanieO, hä, kapier ich jetzt nicht wirklich, der Thread ist doch im bereich der Wissensammlung eingeordnet. Muss dieser dann eine Ebene höher oder wie? Gerne möchte ich diesen Bearbeiten können. Danke für deine Hilfe

Bisher wurde auf den Thread nur in der Wissenssammlung verlinkt, aber er ist noch der Kategorie "Heimwerken - 3D Druck" zugeordnet. Ich verschiebe ihn nun, dann kannst du ihn in ein paar Minuten bearbeiten. emoticon.wink_smile.title

[saberlod]

Hallo 3D Druck interessierte,

ich habe den Thread auf Seite 1 nun nochmals deutlich überarbeitet. Wenn euch etwas auffallen sollte, was ich falsch beschrieben habe oder ihr andere Erfahrungen gemacht habt, dann meldet es hier, ich werde dies dann entsprechend ergänzen bzw. abändern.

[kaosqlco]

Großartig! Ich habe alles nochmal durchgelesen immernoch Fakten erfahren, die ich noch nicht wußte.