So behalten Sie die Kosten im Griff

Mit dem 3D-Druck können Sie schnell und kostengünstig beliebige Produkte aus einem virtuellen 3D-Modell (CAD) realisieren. Selbst sehr komplexe Designs werden in kurzer Zeit zu einem Bauteil oder Prototypen. Den traditionellen Herstellungsverfahren ist die additive Fertigung damit häufig überlegen. Viele potenzielle Anwender schrecken jedoch vor vermeintlich hohen Kosten zurück. Dabei gäbe es einfache Möglichkeiten, diese zu reduzieren - wenn man versteht, welche Faktoren im 3D-Druck ausschlaggebend für den Produktpreis sind. Wir zeigen, an welchen Stellschrauben Sie drehen können, damit Ihnen die Kosten bei Ihrem 3D-Druckprojekt nicht davonlaufen. An einem Praxisbeispiel demonstrieren wir zudem die Auswirkung unterschiedlicher Materialien und Verfahren.

Der wichtigste Einflussfaktor auf die Kosten eines 3D-Teils ist das Design des Modells. Bereits bei dessen Entwicklung können Sie eingreifen, denn die Druckkosten verlaufen proportional zur Größe des Objeks. Gestalten Sie daher das Bauteil möglichst kompakt und ändern Sie notfalls die Konstruktion. So senken Sie den Preis, ohne den Maßstab des gesamten Teils ändern zu müssen.

Auch die Wandstärke ist von Bedeutung, denn sie bedingt die Festigkeit eines Objekts. Prüfen Sie, ob bestimmte Bereiche dünner gedruckt werden können. Für FDM etwa beträgt die empfohlene Mindeststärke 1,2 Millimeter, für SLS sind es 0,7 Millimeter. Zwar verkürzen dünnere Wände die Bauzeit und senken die Kosten. Sie können allerdings auch zu empfindlichen Merkmalen, zu Lücken und oder gar einem Ausfall führen. Bedenken Sie daher bei der Wahl der Wandstärke vor allem die Geometrie und die spätere Anwendung des Bauteils. Eine gute Möglichkeit, Material zu sparen und das Gewicht des Bauteils zu minimieren ist, es auszuhöhlen. Diese Methode kann allerdings die Gesamtfestigkeit beeinträchtigen. Es liegt allein im Ermessen des Konstrukteurs, welche Bereiche hohl und welche, je nach Anwendung, massiv ausfallen sollen.

Höhere Druckschichten verursachen auf der Oberfläche Grate oder „Treppenstufen“ und damit eine weniger glatte Oberfläche. Eine geringere Schichthöhe bringt zwar bessere Oberflächenqualität und hohe Präzision, führt aber zu einem höheren Preis. Auch  verlängert sich die Zeit für den Bau des gesamten Teils. Auch hier sollten Sie abwägen, welchen Weg Sie gehen wollen.

Und schließlich können Sie bei den Hilfsstrukturen eingreifen, die Teile des Modells während des Druckvorgangs stützen. Diese müssen anschließend entfernt werden, was zusätzlichen Aufwand und Kosten bedeutet. Die Optimierung des Designs mit selbsttragenden Winkeln (normalerweise um 45 Grad oder mehr) verbraucht weniger Stützmaterial. Bei SLS und MJF sind keine Hilfsstrukturen erforderlich, bei FDM schon.

Je nach Anspruch an das Bauteil werden zudem Nachbearbeitungsschritte nötig. Besitzt etwa die rohe Textur des Drucks nicht die für eine Anwendung nötige Optik, ist zusätzliches Polieren erforderlich. Solche Prozesse sind bei Thermoplasten und einigen Harzen üblich. Auch das Entfernen von Hilfsstrukturen und das Färben sind häufige Methoden der Nachbearbeitung. Nicht in allen Druckverfahren ist es möglich, das Bauteil schon während der Herstellung einzufärben. Grundsätzlich gibt es viele  Möglichkeiten zur Nachbearbeitung und Verschönerung eines Bauteils. Diese treiben aber den Produktpreis in die Höhe.

Auch die Art des Fertigungsmaterials spielt bei der Kostenbestimmung eine wichtige Rolle. Besonders günstig sind ein einfaches Prototyping-Fotopolymer wie Polyamid (PA) oder Epoxidharze. Deutlich teurer wird der Druck, wenn Sie höhere funktionale Anforderungen wie hohe Festigkeit, feines Oberflächenfinish oder Hitzebeständigkeit an das Bauteil stellen.

Teure Harze wie hitzebeständiges Polycarbonat, das im Stereolithografie-Prozess (SLA) verwendet wird, liefern Hitze- und Korrosionsbeständigkeit. Erheblich günstiger sind Materialien wie Polyamid (PA), das bei HP Multi Jet Fusion und Fused Deposition Modeling verwendet wird. Sie sind sehr widerstandsfähig, leicht und anpassungsfähig an eine Vielzahl von Anwendungen. Es ist also wichtig, vorab genau die gewünschten Eigenschaften des Bauteils zu kennen, um dessen Preis realistisch einzuschätzen.

Wir betrachten drei Technologien, mit denen Sie besonders günstige Bauteile drucken können: Fused Deposition Modeling (FDM), Selektives Lasersintern (SLS) und HP Multi Jet Fusion (MJF). Referenz ist ein simples Modell in den Abmessungen 50x25x100 Millimeter mit vier Vertiefungen. Dessen Druckkosten vergleichen wir abhängig von der bestellten Menge, der Technologie und den Materialien. Die Preisbeispiele stammen von  der Sofortpreis-Maschine von Xometry. Diese findet automatisiert auf Basis von mehr als 2000 registrierten Herstellern Angebote für spezifizierte Kundenanfragen. Die angegebenen Preise dienen lediglich einer Orientierung, sie sind unverbindlich und nicht tagesaktuell.

Fused Deposition Modeling (FDM)
Hier wird ein Produkt durch selektives Auftragen von geschmolzenem Material Schicht für Schicht aufgebaut. Zum Einsatz kommen thermoplastische Polymere, die als Filamente (dünne Drähte) vorliegen. Darunter fallen zum Beispiel ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK. Es lassen sich selbst große Stücke drucken, die nur wenig nachbearbeitet werden müssen. Zu den Nachteilen gehören Spuren nach Entfernen des Stützmaterials sowie ein geschichtetes Finish.

Selektives Laser-Sintern (SLS)
Eines der beliebtesten 3D-Druckverfahren, weil damit hochpräzise und langlebige Teile gelingen. Sie eignen sich ausgezeichnet für die Endanwendung, die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen sowie für das Rapid Prototyping. Trotz hoher Detailqualität und perfekter Produktionswiederholbarkeit ist SLS eine der günstigsten Optionen für industrielle 3D-Druckdienste. Teile können selbst in größeren Mengen ohne Anforderungen an eine Stützstruktur produziert werden. Verwendet werden thermoplastische Pulver wie  PA 12 oder TP.  Ein Nachteil ist die raue Oberfläche sowie der Verzug bei großen Elementen.

Multi Jet Fusion (MJF)
Leistungsstarkes und kostengünstiges Druckverfahren, das hochpräzise und langlebige Teile mit hoher Geschwindigkeit produziert. MJF-Teile eignen sich hervorragend für den Endgebrauch, für die Produktion kleiner bis mittlerer Stückzahlen, für das Rapid Prototyping oder als Überbrückungsprozess zum Spritzguss. Eingesetzt werden thermoplastische Pulver wie PA 11, PA 12 oder TPU. Große Designfreiheit, weil keine Stützen nötig sind. Nachteilig wirkt sich zum Beispiel die raue Oberfläche aus.