3D-Druck im Designprozess: vom Modell zum Prototyp

Die Kompetenzziele der Ausbildung besagen, dass du 3D-Druck im Zusammenhang mit der Arbeit an 3D-Modellen anwenden und Dateien für die Nutzung in anderen CAD-Systemen exportieren können musst. Das klingt technisch, aber der Punkt ist praktisch: Ein Prototyp in der Hand offenbart Fehler und Verbesserungsmöglichkeiten, die kein Bildschirm zeigt. Passt der Griff in eine Hand? Lassen sich die Teile tatsächlich zusammenfügen? Ist die Wandstärke ausreichend? 3D-Druck macht solche Fragen früh und günstig beantwortbar.

• 01FDM/FFF (Fused Deposition Modelling): geschmolzener Thermoplast (z. B. PLA, PETG, ABS) wird durch eine Düse schichtweise aufgetragen. Am günstigsten und am weitesten verbreitet — gut für Formstudien und Funktionsprototypen.
• 02SLA (Stereolithografie): flüssiges Harz wird Schicht für Schicht mit UV-Licht gehärtet. Sehr feine Details und glatte Oberflächen — gut für kleine, präzise Werkstücke, erfordert aber eine Nachhärtung und den Umgang mit Chemikalien.
• 03SLS (selektives Lasersintern): Ein Pulver (typischerweise Nylon) wird mit einem Laser zusammengeschmolzen. Starke, funktionsfähige Teile ohne Stützstrukturen, da das Pulver das Werkstück trägt — aber teurere Anlagen.

Für den Druck wird das Modell typischerweise als STL exportiert: ein reines Dreiecksnetz, das nur die Oberfläche beschreibt — ohne Einheiten, Materialien oder Produktdaten. STL ist der De-facto-Standard für Slicer, aber für die weitere Konstruktionsarbeit ungeeignet, weil alle Parametrik und die exakte Geometrie verworfen sind. Soll das Modell in ein anderes CAD-System weiterwandern, verwendet man stattdessen STEP (genormt in ISO 10303), das die exakte Geometrie bewahrt. Das neuere Format 3MF kann darüber hinaus Einheiten, Farben und Materialinformationen enthalten und setzt sich als Druckformat immer stärker durch.

Ein gedrucktes Werkstück trifft die Maße der Zeichnung nicht automatisch. Kunststoff schrumpft beim Abkühlen, Bohrungen werden typischerweise eine Spur kleiner als gezeichnet, und die Genauigkeit hängt von Technologie, Material und Kalibrierung des Druckers ab. Deshalb konstruiert man mit Spielraum: Passflächen bekommen etwas Luft, kritische Bohrungen werden kleiner gedruckt und anschließend gebohrt oder gerieben, und Gewinde werden oft nachträglich geschnitten statt gedruckt. Die Schichtdicke ist ein Kompromiss — dünne Schichten ergeben eine feinere Oberfläche, aber eine längere Druckzeit.

Bei FDM und SLA erfordern Überhänge Stützstrukturen — temporäres Material, das das Werkstück während des Drucks trägt und danach entfernt wird. Die Ausrichtung des Werkstücks auf der Druckplatte entscheidet sowohl darüber, wie viel Stützmaterial gebraucht wird, als auch darüber, wo das Werkstück fest ist: Die Schichten sind die schwache Richtung des Werkstücks, sodass ein Werkstück, das quer zu den Schichten belastet wird, überraschend leicht brechen kann. Denke die Druckrichtung schon mit, wenn du den Prototyp entwirfst.

Der 3D-Druck ist nicht risikofrei: Ungehärtetes Resin für den SLA-Druck kann Haut und Atemwege reizen und muss mit Handschuhen und guter Belüftung gehandhabt werden, und feines Pulver aus SLS-Prozessen darf nicht eingeatmet werden. Befolge die Sicherheitsdatenblätter des Lieferanten und stelle Drucker mit Ausdünstungen in belüfteten Räumen auf — die Arbeitsschutzvorschriften zu Stoffen und Materialien gelten auch in der Druckecke des Zeichenbüros.

“Ein Prototyp für fünfundzwanzig Kronen kann eine Werkzeugänderung für hunderttausend ersparen.”

— Erfahrung aus der Prototypenarbeit in der Industrie