Wie funktioniert ein 3D-Drucker, von der Datei bis zum fertigen Teil?

Von der 3D-Datei zum G-Code: was vor Druckbeginn passiert

Alles beginnt mit einer 3D-Datei, die entweder in CAD-Software modelliert oder als STL- oder 3MF-Datei heruntergeladen wurde. Diese Datei beschreibt eine dreidimensionale Oberfläche, die ein Drucker aber nicht direkt lesen kann: Sie muss zunächst durch einen Slicer, eine Software wie die in unserem Bereich Software behandelten, die das Modell in Dutzende oder Hunderte dünner horizontaler Schichten zerschneidet.

Für jede Schicht berechnet der Slicer den exakten Weg, dem die Düse folgen soll, oder die Fläche, die das Resin-Display aushärten soll, zusammen mit Geschwindigkeit, Temperatur und Infill. Das Ergebnis heißt G-Code: eine lange Liste von Anweisungen, jeweils eine Koordinate nach der anderen, die die Platine des Druckers während des Drucks nacheinander ausführt, wie das FFF/FDM-Glossar der Prusa Knowledge Base erklärt.

FDM erklärt, Komponente für Komponente

Bei einem FDM-Drucker läuft das Filament von einer Spule in den Extruder, einen Zahnradmechanismus, der das Filament greift und mit der im G-Code vorgegebenen Geschwindigkeit vorwärts schiebt. Manche Geräte montieren den Extruder direkt über dem Druckkopf (Direct Drive), andere platzieren ihn weiter entfernt und verbinden beide mit einem Schlauch (Bowden); beide Ansätze erfüllen dieselbe Aufgabe, nämlich das Filament präzise zu schieben.

Danach gelangt das Filament ins Hotend, das es bis zum Schmelzen erhitzt, und schließlich in die Düse, die metallische Spitze, die die Materialraupe formt, während sie auf dem Druckbett landet. Das oft beheizte Druckbett ist die Fläche, auf der das Teil entsteht, und es muss eben sein, damit die erste Schicht richtig haftet. Sensoren runden das System ab: Ein Filamentsensor erkennt einen Bruch oder eine leere Spule, und ein Nivellierungssensor misst die Höhe des Druckbetts, bevor der Druck beginnt.

MSLA-Resin-Druck erklärt: Display, UV-LEDs und eine aufsteigende Druckplatte

Ein MSLA-Resin-Drucker funktioniert ganz anders: Er extrudiert nichts. Eine Resin-Wanne enthält flüssiges, lichtempfindliches Resin, und ein LCD-Display unter dieser Wanne wirkt als digitale Maske, die UV-Licht nur dort durchlässt, wo eine Schicht aushärten soll. Eine Anordnung aus UV-LEDs unterhalb des Displays liefert das Licht; das Display lässt es Pixel für Pixel durch oder blockiert es, Schicht für Schicht.

Die Druckplatte senkt sich in die Wanne ab, nähert sich dem transparenten Boden, und die belichtete Schicht härtet auf ihrer gesamten Fläche auf einmal aus. Danach hebt sie sich leicht an, damit Resin unter das Teil zurückfließen kann, bevor die nächste Schicht folgt. Laut dem Einsteigerleitfaden von Elegoo zum Resin-Druck kommt das Teil noch klebrig von nicht ausgehärtetem Resin aus dem Drucker und muss gewaschen und anschließend unter UV-Licht nachgehärtet werden, bevor man es gefahrlos anfassen kann, in einem gut belüfteten Raum.

Was die Firmware während des Drucks tut

Die Firmware ist das Programm, das auf der Steuerplatine des Druckers läuft. Sie liest den G-Code Zeile für Zeile und setzt jede Anweisung in eine physische Aktion um: einen bestimmten Schrittmotor um einen festen Winkel drehen, ein bestimmtes Heizelement auf eine Zieltemperatur bringen, einen Lüfter einschalten. Sie überwacht außerdem ständig die Temperatursensoren und schaltet die Heizung ab, wenn etwas nicht stimmt, ein grundlegender Sicherheitsmechanismus bei jedem modernen Drucker.

Die Firmware kümmert sich auch um die Wiederaufnahme nach einem Stromausfall bei Druckern, die das unterstützen, oder pausiert einen Druck, wenn ein Filamentsensor kein Material mehr erkennt. Ohne sie bliebe G-Code eine einfache Textdatei: Sie ist der notwendige Mittler zwischen den Berechnungen des Slicers und der tatsächlichen Bewegung des Geräts.

Bei FDM-Druckern für Endverbraucher übernimmt diese Rolle meist eine Firmware wie Marlin oder Klipper, die der Hersteller mit gerätespezifischen Werten abstimmt: Achsverfahrwege, Beschleunigung, Heizkurven. Resin-Drucker laufen typischerweise mit einer geschlosseneren, proprietären Firmware, die speziell dafür gebaut ist, das LCD-Display, die UV-LEDs und die Bewegung der Druckplatte zu synchronisieren, ohne die Art von Motorabstimmung, die auf der FDM-Seite anfällt.

Warum Schichten sichtbar bleiben und was sich nicht drucken lässt

Die additive Fertigung baut ein Objekt Schicht für Schicht auf, und jede Schicht hat eine Höhe und Breite, die von der verwendeten Düse oder dem Display bestimmt werden: Das erzeugt die sichtbaren Riefen eines FDM-Teils, je nach im Slicer gewählter Schichthöhe mehr oder weniger ausgeprägt. Ein Drucker kann zudem kein Material ins Leere setzen: Jede neue Schicht braucht darunter ausreichend Halt, was begrenzt, wie steil ein Überhang sein und wie weit eine Brücke zwischen zwei Punkten spannen kann.

Deshalb bieten Slicer an, Supports zu erzeugen, also Opferstrukturen, die überhängende Bereiche während des Drucks stützen und danach entfernt werden. Pulverbett-Technologien wie SLS, die auf unserer Seite zu den Arten von 3D-Druckern behandelt werden, umgehen diese Grenze auf andere Weise, da das nicht verschmolzene Pulver selbst als natürliche Stütze dient.

Der Bauteilkühlungslüfter: eine kleine Komponente, die je nach Material viel verändert

Sobald geschmolzenes Filament die Düse verlässt, steht es nicht mehr unter der direkten Kontrolle des Extruders: Es muss schnell genug abkühlen, um an Ort und Stelle zu bleiben, besonders an Überhängen und Brücken, wo Filament laut Prusa Knowledge Base durchhängt, wenn es zu weich bleibt. Das ist die Aufgabe des Bauteillüfters, der Umgebungsluft direkt auf frisch abgelegtes Filament bläst, ein eigenes Bauteil, getrennt vom Hotend-Lüfter, der die Elektronik der Düse kühlt.

Diese Kühlung ist aber nicht immer erwünscht: Bei Materialien wie ABS, ASA, PC oder manchen flexiblen Filamenten kann zu aggressive Kühlung Warping oder Schichttrennung verursachen, da zu schnelles Abkühlen innere Spannungen im Teil aufbaut. Deshalb lässt PrusaSlicer, wie die meisten Slicer, den Lüfter bei manchen Materialien durchgehend laufen und schaltet ihn bei anderen fast vollständig ab.

Wie der Slicer die Lüfterdrehzahl automatisch berechnet

Laut der Dokumentation von PrusaSlicer kann die Lüfterdrehzahl automatisch je nach prozentualer Überlappung zwischen einer Schicht und der darunterliegenden variieren: 100 % Überlappung bedeutet überhaupt keinen Überhang, während 0 % Überlappung eine vollständige Brücke oder einen vollständigen Überhang bedeutet, der die höchste Lüfterdrehzahl erhält. Der Slicer deaktiviert den Lüfter außerdem typischerweise für die allerersten Schichten, damit sie gut auf dem Druckbett haften, und fährt ihn danach schrittweise hoch, eine Einstellung, die man anhand der Drucktemperaturen des jeweiligen Materials überprüfen sollte.

Wenn eine Schicht zu schnell gedruckt wird, um richtig abzukühlen, kann der Slicer außerdem die Druckgeschwindigkeit bis auf ein Minimum senken, statt sich allein auf den Lüfter zu verlassen, damit jede Schicht mehr Zeit zum Erhärten hat, bevor die nächste darauf landet. Dieses Minimum ist allerdings nach unten begrenzt, denn zu langsames Drucken über längere Zeit kann Heat Creep begünstigen, bei dem Wärme in den Extruderkörper aufsteigt, statt auf das Hotend konzentriert zu bleiben.

3D-Druck-Vokabular in wenigen Sätzen

G-Code ist die Liste von Anweisungen, die der Slicer erzeugt und die Firmware ausführt. Der Slicer ist die Software, die ein 3D-Modell in Schichten zerlegt und die Druckpfade berechnet. Der Extruder schiebt das Filament zum Hotend, das es schmilzt, bevor es aus der Düse austritt. Das Druckbett ist die Fläche, auf der das Teil entsteht, je nach Gerät beheizt oder nicht.

Retraction ist die kurze Rückzugsbewegung des Filaments zwischen zwei Bereichen, die vereinzelte Fäden verringern soll und auf unserer Seite zu den Retraction-Einstellungen ausführlicher behandelt wird. Infill ist die mehr oder weniger dichte Innenstruktur, die das Innere eines FDM-Teils füllt. Skirt oder Brim sind dünne Strukturen, die um das Teil herum gedruckt werden, um die Extrusion vorzubereiten oder die Haftung am Druckbett zu verbessern.

Quellen und Grenzen

• Prusa Knowledge Base — FFF/FDM (Glossar)
• Prusa Knowledge Base — Druckertypen und ihre Unterschiede
• Elegoo — Einsteigerleitfaden zum Resin-3D-Druck
• Formlabs — FDM vs. SLA vs. SLS: Vergleich der 3D-Drucktechnologien
• Prusa Knowledge Base — Kühlung

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