Kosten von 3D-Drucken – Die Größe des Modells

Große 3D-Drucke sind deutlich teurer als kleine 3D-Drucke. Aber woran liegt das?

Wir unterschätzen sehr leicht, wie viel größer Objekte werden, wenn Sie in mehreren Dimensionen (Höhe, Breite und Tiefe) vergrößert werden. Man kennt es vom Druck auf Papier. Wird das Format DIN A4 in der Fläche verdoppelt, so erhält man DIN A3. Dabei verdoppelt sich die lange Seite aber nicht, sondern wird nur um die 2. Wurzel länger. Das entspricht etwa dem 1,418-fachen (aus 29,7 cm werden 42 cm). Deshalb zeigen Kopierer auch beim Vergrößern von DIN A4 auf DIN A3 oft den Vergrößerungsfaktor 1,41 oder 141% an.

Wollen wir aber ein Blatt Papier, das doppelt so hoch und doppelt so breit ist, wird seine Fläche vier mal größer (DIN A2).

Verhältnis von Seitenlängen zu Fläche im 2-dimensionalen Raum

Die Größe von Objekten im 3-dimensionalen Raum

Im 3-dimensionalen Raum wächst das Volumen aber nicht nur quadratisch, sondern kubisch. Das bedeutet, das ein 3D-Druck eines Würfels mit 1 cm Kantenlänge ein Volumen von genau 1cm3 hat. Wird aber die Kantenlänge auf 2 cm verdoppelt, so erhält man einen Würfel mit 8 cm³ Volumen.

Will man im 3-dimensionalen Raum ein Objekt doppelten Volumens erhalten, also aus einem Objekt mit 1cm³ ein Objekt mit 2cm³ machen, so darf man das Objekt nur auf etwa 126% vergrößern.

Als Beispiel für diese Sitution nutzen wir das Modell »calicat«, das als Testmodell in 3D-Druckern eingesetzt wird.

Das Modell in Originalgröße (Volumen 12,5 cm³), mit doppeltem (126% vergrößert) und 8-fachem Volumen (200% vergrößert)

Es erscheint auf den ersten Blick wenig intuitiv, dass ein Objekt schon dann doppelt so viel Volumen hat wie zuvor, wenn es in Höhe, Breite und Tiefe jeweils auf 126% vergrößert wird.

Im Gegenzug führt die Vergrößerung eines Objekts von 10 cm Höhe auf 20 cm Höhe zunächst auch zu achtfachen Kosten.

Um solch extremen Kostensteigerungen zu verhindern, gibt es einige Tricks, um die Kosten wieder zu senken.

Optimierung für große 3D-Drucke

Damit große 3D-Drucke nicht immens teuer werden, gibt es im Grunde nur eine Möglichkeit. Wir müssen dafür sorgen, dass selbst wenn das Volumen stark erhöht wird, die Druckzeit und der Materialverbrauch nicht in gleichem Maße steigen.

Variante 1: Hohlkörper für den SLS und- SLA-3D-Druck

Bei 3D-Drucken, die aus Pulver oder Kunstharz hergestellt werden, kann das zu druckende Objekt nicht nur massiv sondern auch als Hohlkörper gedruckt werden.

Je nach Druckverfahren kann schon eine Wandstärke von 1-2 mm ausreichend sein, um ein stabiles Objekt zu erzeugen. Besonders für den Anschauungsmodellbau können so die Kosten deutlich gesenkt werden.

Damit der Druck als Hohlkörper erfolgreich sein kann, müssen Löcher im Modell vorhanden sein, durch die das überschüssige Druckmaterial entfernt werden kann.

Wenn wir das oben schon beschriebene Modell der Calicat aushöhlen und die Wandung auf 2 mm festlegen, wird weniger Druckmaterial verbraucht und es muss weniger Material ausgehärtet werden. Das spart zusätzlich Druckzeit.

Eine Schnittansicht des ausgehöhlten Calicat-Modells in 100% und 200% Größe

Bereits das Volumen des kleineren Modells sinkt von 12,5 cm³ auf 7 cm³. Aber das größere Modell profitiert noch stärker von dieser Art der Optimierung. Das Volumen sinkt von 100 cm³ auf 32 cm³. Damit hat das größere, ausgehöhlte Modells nur das 4,5-fache Volumen des kleineren Modells.

Variante 2: Drucke mit geringerem Füllgitter und höherer Schichtstärke im FDM-3D-Druck

Im FDM-3D-Druck ist in den meisten Fällen, abhängig von der Geometrie, kein komplett hohler 3D-Druck möglich, weil die obere Abschlussfläche des Drucks auf dem darunter gedruckten Füllgitter (Infill) aufliegen muss. Aber auch hier ist in den meisten Fällen eine Wandung von 0,8-1,2 mm ausreichend. Den Rest der Stabilität erzeugt die innere Stützstruktur.

Dabei sind bei Anschauungsobjekten, die keine Kräfte aushalten müssen, oft auch innere Strukturen mit nur 5-10% Füllmaterial ausreichend. So wird Druckmaterial und Zeit gespart. Zudem kann im FDM-Druck die Schichtstärke im Druck deutlich gröber gewählt werden als in anderen 3D-Druck-Verfahren.

Zum Vergleichen verwenden wir das gleiche Modell im FDM-3D-Druck mit exakt identischen Einstellungen. Nur die Größe unterscheidet sich zwischen dem ersten und dem zweiten Modell. Der Druck ist simuliert mit einer Schichtdicke von 0,2 mm und 20% Füllmaterial.

Schon hier ist zu erkennen, dass bei einer Vergrößerung des Modells auf 200% die Druckzeit etwa auf das 5-fache steigt, der Materialverbrauch steigt auf das 6-fache.

Für Entwurfsmodelle oder reine Funktionsmodelle ohne einen Anspruch auf hohe Oberflächengüte sind Schichtdicken bis zu 0,3 mm oder je nach Düsendurchmesser sogar noch deutlich stärkere Schichten möglich. Diese Möglichkeiten führen zu einer Reduktion der Druckzeiten und des Materialverbrauch.

Wird das Modell in dieser Weise optimiert, also eine höhere Schichtstärke von 0,3 mm benutzt und dabei das Füllmaterial auf 10% reduziert, so ist die Druckzeit nur noch um das 3-fache höher als in der ursprünglichen Größe. Wenn also in der Qualität Abstriche gemacht werden können, so ist es möglich auch große 3D-Drucke kostengünstig umzusetzen.

Fazit

Große 3D-Drucke bleiben in den meisten Fällen teurer als kleinere 3D-Drucke. Bei besonders großen Drucken aus mehreren Teilen können schnell auch Kosten im 4- bis 5-stelligen Bereich entstehen. Für den Gesamtpreis spielen aber natürlich auch andere Faktoren eine Rolle. Unten finden sich weitere Informationen zu den Kosten von 3D-Drucken.

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