3D-Ersatzteildruck

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Erfahrungsbericht über den 3D-Druck von Ersatzteilen für den Audi TT 8N


Nachdem es immer schwieriger wird, die kleineren Kunststoff-Ersatzteile zu bekommen, denke ich in Richtung 3D-Druck - zumindest darüber sinnieren darf man ja mal.
Das Drucken an und für sich ist ja theoretisch nicht das große Problem. Schwierig wird es, wenn es um die Frage der Modelldateien (STL-Dateien) und der Druckparameter geht.
Dabei verfolgte ich einige Ideen, wie man die Teile bzw. dessen Abmessungen CAD-gerecht erfassen könnte und wenn möglich kostenlos oder zumindest für einen schmalen Taler - und wenn möglich, das man nicht alles selber im CAD konstruieren muss - zumindest war es so die Idee.

Aber alles der Reihe nach und beginnen wir zuerst mit der Modellaufnahme - am Anfang schuf der Herr das Modell (Abschlepphaken Abdeckung 8N0805285B).


Photogrammetrie
Nachdem die händische Freiform-Modellierung eine Sisyphusarbeit ist, dachte ich mir, ich lasse die künstliche Intelligenz arbeiten, anstatt der natürlichen. Es schaut ja auf den YouTube-Videos alles so easy aus, nur praktisch ist dann das Ganze nicht so.
Die ersten Hürden für diese Problemstellung war die entsprechende Hard- und Software für die Photogrammetrie zu finden - ohne dabei am Hungertuch zu nagen.
Für die Aufnahme des Modell habe ich daher ein Lichtzelt, einen motorisierten Drehteller (Foldio 360) und mein Smartphone (Realme 7 Pro) bzw. meine alte Sony Alpha SLT A35 mit Stativ benutzt.


Die große Kunst dabei ist, die richtige Beleuchtung und Einstellungen an der Kamera zu finden, damit die Software das Modell errechnen kann.
Eine der ersten Versuche mit Autodesk ReCap Photo und 3DF Zephyr Free (auf 50 Bilder beschränkt) lieferten folgende Ergebnisse:


Wie weit die Qualität bei ReCap noch vom Original weg ist, zeigte dann das STL-Model in Shapr3D. Darüber hinaus hätten diese Programme auch gerne eine CUDA-Grafikkarte, welche vermutlich nicht bei jedem PC zu Hause verbaut ist.

Die Photogrammetrie von 3DF Zephyr sieht sehr vielversprechend aus, deutlich feiner als jene von ReCap Photo. Anscheinend ist in den Grundeinstellungen schon vieles richtig gemacht worden, aber dafür braucht das Programm auch rund 20 Minuten um die Punktwolke zu erstellen.
Die Mankos von 3DF Zephyr Free sind leider neben der limitierten Bildanzahl der fehlende STL-Export, der nur ab der Lite Version für rund 150,- EUR vorhanden ist (zum Testen gibt es eine 14-tätige Demoversion). Zumindest kann aber eine OBJ-Datei erstellt werden, welche auch die Slicer lesen können bzw. welche mit MeshLab in entsprechende Dateien umgewandelt werden kann.

Bei zwei weiteren getesteten Programmen (Meshroom und VisualSFM) bin ich zu keinem Ergebnis gekommen bzw. sie haben sich schlichtweg geweigert mit mir zu kooperieren und ein Ergebnis zu liefern - zumindest sind die Programme keineswegs so intuitiv zu bedienen, wie ReCap oder 3DF Zephyr. Aufgrund dessen habe ich meinen Fokus dann auf ReCap und schlussendlich auf 3DF Zephyr gelegt.

Im Folgenden sieht man die STL-Datei, welche mit ReCap erzeugt wurde, sowohl in Shapr3D und Fusion 360.


Ich habe mich nochmals daran versucht bessere Aufnahmen für das Modell zu fotografieren, aber mit den von Foldio 360 erstellten Fotos war kaum was anzufangen, da das Modell eher einem Schweizer Käse ähnelt als einer Abdeckkappe. Aber auch mit der alten Digitalkamera Sony Alpha A35 war der Erfolg sehr bescheiden.
Anscheinend ist das helle LED-Licht des Lichtzeltes ein Problem und die Software findet vor lauter schwarzer Flächen und Reflexionen nicht immer die richtigen Konturen.

Auch ein Versuch mit einem Raster als Unterlage brachte mich nicht weiter. Insbesondere bei der alten Digitalkamera wird die Fokussierung zum Rand hin unscharf.
Ich habe dann einen weiteren Versuch unternommen, indem ich den Ersatzteil mit Wasserfarben angemalt habe. Einerseits heben sich nun die einzelnen Konturen voneinander besser ab und zweitens spiegelt der Kunststoff nicht mehr so stark.
Mittels den unmaskierten Fotos aus der Digitalkamera und den Standardeinstellungen (menschlicher Körper, Standard) kam folgendes Ergebnis, mit 38 von 48 Bildern, bei 3DF Zephyr zu Stande:

Die Dauer für die Erstellung des Meshes lag bei rund 20 Minuten. Bei hoher Auflösung zeigte das Programm irgendwas über 6 Stunden an.
Um das Ergebnis zu verbessern versuchte ich die Bilder zu maskieren, aber jedes Mal kam es dabei zu einer Fehlermeldung.

Schlussendlich nahm ich dann wieder Bilder, welche ich über die App Foldio360 mit meinem Smartphone erstellt habe, und habe bei 3DF Zephyr als Einstellungen "Allgemein" und die höchsten Genauigkeiten ausgewählt.
Der Unterschied zu den vorherigen Versuchen war jener, dass ich nun das Objekt beim Fotografieren nicht so weit rangeholt habe und es daher zu weniger Tiefenunschärfe kam. Darüber hinaus konnte ich dann den Bauteil maskieren, womit meines Erachtens das Programm nun besser zurecht kam.

Grundsätzlich sind dies erste Schritte, aber die Zeit, die ich für die Versuche und die Einstellung der Parameter benötigt habe lag mindestens in der gleichen Größenordnung, als wenn ich das Teil, wie folgt, von Hand aus im CAD konstruiert hätte.


CAD-Programme
Mittlerweile gibt es ja einige kostenlose CAD-Programmen zum 3D-Konstruieren, wie z.B. Shapr3D, Fusion 360 oder FreeCad. Wer einen modernen Laptop mit Touchscreen und Active-Pen, so wie mein Lenovo Yoga C740 oder ein iPad besitzt, dem würde ich als kostenlose Software Shapr3D empfehlen, da dies aus meiner Sicht wesentlich intuitiver und mit Pen komfortabler ist als mit FreeCad.

Nachteilig ist an Shapr3D jedoch der Low-Resolution Export von STL-Dateien, der aber anscheinend nur Auswirkungen hätte, wenn man auf einer CNC-Maschine fertigen würde und weiters, dass man nur zwei Bauteile (Designs) aktuell bearbeiten kann. Dies sollte aber kein so großes Problem darstellen, da man ja STL-Dateien wieder importieren kann.

Wer die Möglichkeit hat auf eine Studentenversionen zugreifen zu können, kann natürlich auch professionelle Software zum Konstruieren wie Siemens SolidEdge oder Autodesk Inventor einsetzen - bei Preisen von rund 3.000,- EUR braucht man aber keinen Gedanken daran verschwenden sich die Software privat zuzulegen. Vielleicht reicht aber auch der Demozugang für ein paar Tage.

Eigentlich stellt das Erfassen der Freiformflächen die große Hürde dar und nicht jeder hat in seiner Werkstatt einen 3D-Scanner rumstehen. Ein nicht so einfaches Teil ist beispielsweise die Abdeckung 8N0805285B der hinteren Abschleppöse, die auch hängende Flächen und Rundungen aufweist.

Nachdem die Versuche mit der Photogrammetrie nicht die gewünschten Ergebnis lieferten, habe ich mühselig versucht das Teil mittels SolidEdge nachzugestalten und das war schon eine ziemliche Herausforderung für mich, aber ich glaube für eine "unsichtbare" Abdeckung unter der Stoßstange kann sich das CAD-Ergebnis sehen lassen (STL-Download)


3D-Drucker
Der offene Punkt, welcher Drucker geeignet wäre, ist abgeschlossen, insbesondere, da ich nicht von Beginn an die Unmenge an Geld ausgeben wollte. Aber erstens kommt es anders, als zweitens, wie man denkt und so wurde der Drucker Schritt für Schritt umgerüstet, wie stärkere Bettfedern, neue Trägerplatte aus Glas, neues Mainboard für V4.2.7, CR-Touch für Autoleveling, Filamentbruch-Erkennung, Riemenspanner etc.



Als 3D-Drucker hatte ich anfangs zwei Modelle im Visier, nämlich den Anycubic i3 Mega S oder den Creality Ender 3 Pro, beide in der unter 300,- EUR Klasse, die bei verschiedenen Anbietern im Sale auch schon unter 200,- EUR zu haben sind.

In diversen Tests schneiden beide Geräte nahezu ident ab, was zumindest das Druckergebnis betrifft. Beim Creality Ender 3 Pro ist der Bauraum etwas größer als beim Anycubic, welcher laut Herstellerhomepage aber mehr verschiedene Filamente verarbeiten kann, wie HIPS und Holz.

Vermutlich sollte aber der Druck von ABS und TPU für Ersatzteile ausreichend sein.
PLA ist vermutlich nicht das geeignete Filament hierfür, aber zum Beginnen sicher die bessere Wahl (siehe auch Dassault Systems)

Ich habe mich daher für einen gebrauchten Creality Ender 3 Pro mit verbesserten Extruder entschieden, der auf der Plattform willhaben in meiner Nähe um 100,- EUR verkauft wurde.
Darüber hinaus steht in unserer Schule ein Creality Ender 3 V2, mit dem es bisher gute Erfahrungen gab, nachdem Kollegen schon zwei andere 3D-Drucker auf dem Gewissen hatten.
Ein weiterer Grund waren auch die vielen Erweiterungsmöglichkeiten und die Unmenge an Ersatzteilen, welche man für die Creality Drucker bekommt.

Bei einem Neukauf würde ich aber jetzt persönlich auf einen Creality Ender 3 V2 zurückgreifen, da dieser schon die leiseren Stepper TMC2208 und das modernere 32Bit-Mainboard hat, welches dann auch Auto-Leveling und Filamentbruch-Erkennung ermöglicht, oder gleich auf einen Creality Ender 3 Neo mit CR-Touch aufspringen, oder ......


Aber die große Kunst ist auch die Auswahl der richtigen Druckparameter, damit man zu dem Ergebnis kommt, was man sich wünscht. Auf jeden Fall kann man sich abschminken, dass der erste Ausdruck perfekt wird. Da braucht es schon etwas mehr und die Einstellungen beim Slicer sind schier unendlich.

Und richtig fies wird es dann, wenn man seinen 3D-Drucker upgraded. Hardwaremäßig geht das ganz leicht mit den Originalteilen, aber kompliziert wird es mit der richtigen Firmware. Sogar der Creality-Support hat es geschafft mir eine falsche Firmware zuzusenden, so dass der Drucker auf einmal nicht mehr funktionierte.




Da ich ihm so ziemlich alles an Upgrades spendiert habe, bin ich weiter auf der Suche nach dem heiligen Gral - sprich, Firmware für alles:
  • Z-Rückschlagfeder                          7,96 EUR
  • Profilabdeckungsgummi                         12,10 EUR
  • SD-Adapter                                 10,87 EUR
  • 5m-Netzkabel                                 11,09 EUR
  • X-Achsen Riemenspanner                                                           15,11 EUR
  • Creality Y-Achsen Riemenspanner                 15,00 EUR
  • Creality Glasplatte                         22,16 EUR
  • Creality Upgrade Kit(V4.2.7 + Touchscreen) 80,66 EUR
  • Creality CR-Touch                         40,33 EUR
  • Creality Filament Runout Sensor                 16,13 EUR
  • Creality Metallextruder (inkl. Bettfedern)      20,16 EUR
  • Creality Dual Gear Extruder                     20,15 EUR
  • Creality Druckzelt Ender                        50,14 EUR
  • Creality Wifi Box 2.0                           57,59 EUR
  • LED-Streifen für Beleuchtung Druckzelt          10,07 EUR
  • M3 x 25 Schrauben für Adapterplatte              7,95 EUR
Zumindest läuft er mit dieser Version und druckt auch entsprechend sauber. Aber für ein Upgrade von über 400,- EUR darf man dies auch erwarten. Derzeit werden die Gehäuseteile für die beiden alten Bremsflüssigkeitstester Oldforge TE150 und E+S gedruckt (01/2023) und das Demomodell der Abdeckung, dann ist die Halterung für die Oil Catch Can dran.

Im Grunde bin ich nun mit der Version von Drucker happy, auch wenn er nun statt 100,- EUR in Summe stolze 500,- EUR gekostet hat. Aber gegenüber einem Komplettbausatz des neuestens Modell habe ich auch einiges dazugelernt und habe somit den Drucker auch etwas besser im Griff - und jeder fängt einmal klein an bzw. wenn man einmal Blut geleckt hat ... fast so wie beim Tätowieren.

Darüber hinaus hat sich auch, was die Druckqualität betrifft, das Update gelohnt, da nun die erste Schicht glatt ist.  Das folgende Bild zeigt den Ersatzteil 8N0805285B testweise im Low Quality Modus mit 10% Füllung (Druckdauer 2:50 Stunden). Im Super Quality Modus mit 40% Füllung würde dann der Druck 6 Stunden 34 Minuten dauern und 26g (8,67m) Filament benötigen.

Slicer
Natürlich stellt sich neben dem 3D-Drucker auch die Frage welchen Slicer man für die Erzeugung des G-Codes verwenden möchte. Einer der am häufigsten verwendeten Slicer ist sicherlich Ultimaker Cura, der auch in verschiedenen Foren empfohlen wird.
Natürlich könnte man den Creality eigenen Slicer auch einsetzen, der auf Cura basiert, wenn man einen Drucker dieses Herstellers besitzt. Die deutsche Spracheinstellung würde ich aber beim Creality Slicer aber eher meiden, da diese schon ziemlich gewöhnungsbedürftig ist. Deutlich besser ist da der Slicer Cura von Ultimaker und daher habe ich mich auch schlussendlich für diesen entschieden.


Meine bisherigen Erfahrungen mit den Einstellungen im Slicer sind dahingehend, dass eine zu geringe Schichtdicke und ein zu hoher Füllgrad eine unansehnliche erste Schicht produzieren.
Ich werde beim Druck des Notschlüssel daher noch einige Versuche machen müssen, um die richtige Einstellung zu finden.
Grundsätzlich ist man mit den vorgeschlagenen Parametern schon gut bedient, aber ein wenig mehr geht immer, insbesondere, wenn das Teil etwas stabiler sein soll. Beispielsweise kann man auch viel erreichen, bei Änderung der Wand- und äußeren Schichtstärken. Natürlich gehen solche Einstellungen dann auf Kosten der Druckzeit.


Meine Empfehlung für den 3D-Druck



Mein Fazit
So mal auf die schnelle ein Ersatzteil abfotografieren und dann ausdrucken, wie es sich der kleine Robert vorgestellt hat, spielt es sich leider nicht.
Die Photogrammmetrie kann zumindest mit meinen technischen Möglichkeiten, keine exakte Modellaufnahme, d.h. das Abmessen, ersetzen und darüber hinaus ist der zeitliche Aufwand bei der Modellerstellung und Nachbearbeitung nicht unwesentlich.
Für mich ist es derzeit keine Option, da ich nicht gewillt bin, so viel Geld für eine 3D-Kamera auszugeben. Da warte ich lieber darauf, dass der reiche Onkel vom Land OÖ die Geldtasche öffnet und uns in der Schule ein entsprechendes Equipment spendiert.
Da greife ich lieber momentan auf die professionelle CAD-Software (Solid Edge 2022) zurück, die mir zur Verfügung steht.

Darüber hinaus habe ich auch feststellen müssen, dass sich manche Teile nicht einfach 1:1 mit dem FDM-Verfahren nachdrucken lassen, da der Ausdruck funktional nicht immer an ein Spritzgussteil heranreicht. So mussten zum Beispiel die Schnappverschlüsse bei einer LCD-Displayhalterung durch Bohrungen ersetzt werden, weil die Widerhaken zu filigran waren und nicht federten und folglich bei der Montage abbrachen.
Mitunter sind auch Designänderungen erforderlich, damit das Teil auch entsprechend gedruckt und montiert werden kann.

Im Weiteren habe ich auch festgestellt, dass sich die 3D-Druckteile nur bedingt nacharbeiten (Feilen und Bohren) lassen, insbesondere bei einem geringen Füllgrad. Mitunter lösen sich dann einzelne Schichten oder es werden Fäden gezogen. Auch muss man das Teil auskühlen lassen, bevor man es verwendet.
Aus meiner Sicht kann man dies kompensieren, wenn man die Wandstärke und die oberen und unteren Schichten, stärker ausführt. Mitunter kann dann auch ein geringerer Füllgrad gewählt werden - zumindest konnte ich den Effekt beim Ausdruck von Hutschienenhalterungen ausmachen. Jedoch dürfte dann aber die Maßgenauigkeit etwas leiden, da z.B. meine Bohrungen rund 0,2mm kleiner waren als im CAD-Modell.

Die Beschleunigung des Ausdruckes erreicht man auch mit einer größeren Düse, wobei aber die Gefahr von Fehlausdrucken besteht. Beim Druck mit einer 0.8er Düse hatte ich massives Clogging, wobei dies aber auch am Hotend gelegen sein könnte. Nachdem ich den Drucker auf 0.6mm Düse zurück gerüstet, einen Dual Gear Extruder verbaut und das Hotend gereinigt hatte, wurden die Ausdrucke wieder fehlerfrei auf das Druckbett gebracht.

Wichtig sind auch die Vorarbeiten, wie ein sauberes Leveling des Bettes und wie bereits erwähnt, die Auswahl der richtigen Parameter im Slicer. Natürlich muss auch die Qualität des Filamentes und des Druckbettes entsprechend sein. Zusätzlich benutze ich für die bessere Haftung einen Haftspray 3DLac, da die letzten Ausdrucke auf der Matte mit Haarspray (Schwarzkopf 3 Wetter Taft Classic Halt 4) nicht mehr hielten. Die Kombination Glasplatte und Haftspray ist aber so heftig, dass ich beinahe einen Gehäuseausdruck mit großer Grundfläche (~70cm²) nicht mehr lösen konnte.

Zu Beginn war ich auch noch auf der Suche, warum der Ender 3 V2 in unserer Schule die Unterseite wesentlich sauberer ausdruckt als mein Ender 3 Pro. Ich hatte damalas schon das eine oder andere Teil, wie die Trägerplatte im Verdacht und meinen 3D-Drucker dahingehend adaptiert, aber auch die Druckeinstellungen (Füllgrad) beim Slicer und das manuelle Leveling dürften ihre Ursache darin gehabt haben, da nun auch mein Drucker bei den Standardeinstellungen und mit dem CR-Touch eine saubere Grundfläche erzeugt.

Nachtrag Oktober 2023:
Nachdem ich einiges mit dem Ender 3 Pro gedruckt habe ist der Wunsch nach mehr in mir erwacht. Mehr in Sinne von groß. Ich habe mir im Presale nun einen Anycubic Kobra 2 Max um 479,- EUR gegönnt, mit dem ich nun auch größere Ersatzteile drucken kann.
Mein Plan wäre, für kleine und einfache Teile den Ender 3 Pro wieder auf eine feinere Düse umrüsten, vielleicht auch 0.2mm, und für die großen groben und zeitaufwendigen Teile den Anycubic Kobra 2 Max zu verwenden.

Wichtiger Hinweis: Der Bericht ist keine Reparaturanleitung und alle Arbeiten am Fahrzeug erfolgen auf eigene Gefahr. Die Gefahr von Schäden ist nicht ausgeschlossen.



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