Bumerangs aus dem 3D-Drucker

Ein Artikel von Christoph Schmitz

 

Inhalt:

• 3D-Druck – Was heißt das?
• Was muss ich tun? – Ein Überblick
• 3D-Konstruktion eines Bumerangs
• Drucken des Bumerangs
• Zusammenfassung und Ausblick
• Zur Person
• Anhang (Linksammlung)

 

In diesem Artikel soll es darum gehen, wie Bumerangs mit 3D-Druckern hergestellt werden können. Diese sind heute preiswert zu haben und recht ausgereift, so dass sie für Hobbyanwender sehr interessant sind.

An einem konkreten Beispiel möchte ich zeigen, wie man ein 3D-Modell eines Bumerangs konstruiert, für den Druck aufbereitet und schließlich druckt.

3D-Druck – Was heißt das?

“3D-Druck” ist ein Oberbegriff für verschiedene Fertigungsverfahren, die mit Hilfe computergesteuerter Maschinen Werkstücke aus einem Rohmaterial aufbauen. Dieses Material kommt in Form von Pulver, flüssigem Harz oder als endloser Strang in die Maschine und wird durch Sintern, Aushärten unter Lichteinfall oder Schmelzen in die gewünschte Form gebracht. Weil hier Material hinzugefügt wird – anders als z. B. beim Fräsen oder Bohren – spricht man auch von additiver Fertigung. Während manche Verfahren additiver Fertigung schon seit fast 40 Jahren im industriellen Einsatz sind, sind erst seit etwa zehn Jahren die sogenannten 3D-Drucker für Hobby- und Heimanwender erschwinglich.

Für diesen Artikel beschränken wir uns auf Drucker, die nach dem sogenannten “Schmelzschichtverfahren” arbeiten (englisch “Fused Deposition Modeling” oder “Fused Filament Fabrication”), und die für Heimanwender erschwinglich sind. Diese kann man sich vorstellen wie eine sehr kleine Heißklebepistole, die an einem Roboterarm befestigt ist. Sie bringt einen Strang von geschmolzenem Kunststoff, dem sogenannten “Filament”, an den gewünschten Stellen auf eine Druckplatte auf. Durch Aufbau vieler dünner Schichten kann man dann fast beliebig geformte Werkstücke herstellen, also auch Bumerangs.

Warum Bumerangs 3D-drucken?

Für mich persönlich war die Antwort auf diese Frage klar, sobald ich von 3D-Druckern gehört hatte: weil es geht! Aber abgesehen vom Reiz der neuen Technologie gibt es noch einige andere Vorteile, die für den 3D-Druck sprechen:

• Die Bumerangs werden zu Daten. Diese Daten, also das dreidimensionale Modell, kann man speichern, übermitteln und mit anderen Leuten austauschen, möglicherweise am anderen Ende der Welt, die so vielleicht erst an den Sport herangeführt werden.
• Es braucht keine Werkstatt, kaum Platz und kein handwerkliches Geschick, um Bumerangs zu drucken. Jede(r) kann mit einem preiswerten Drucker Bumerangs im Wohnzimmer herstellen. Mit anderen Fertigungsverfahren, z. B. CNC-Fräsen, verursacht man wesentlich mehr Lärm und Schmutz – in der Mietwohnung ginge das nicht.
• Manche Gestaltungsideen, wie etwa schmale Schlitze, Hohlräume, Kabelkanäle für Beleuchtung oder eingebettete Gewichte, lassen sich leicht drucken, wären aber nur schwer von Hand herzustellen.
• Die Eigenschaften der Bumerangs lassen sich gezielt verändern, so kann man leicht experimentieren. Ich kann die Flügel einen Millimeter breiter oder den Bumerang fünf Gramm leichter machen und sogar die Gewichtsverteilung variieren. Ich kann reproduzierbar mehrfach das gleiche Modell ausdrucken, aber dann vielleicht in verschiedenen Materialien.

Im Bild unten ist das gut zu sehen: aus einem Entwurf für dieses Lambda entstanden mehrere verschiedene Bumerangs. Diese sind nicht nur unterschiedlich groß, sondern auch unterschiedlich dicht gedruckt. Zwei davon sind auch etwas breiter mit etwas stumpferem Profil gehalten.

Und was spricht dagegen?

Den oben genannten Vorteilen stehen natürlich auch Nachteile gegenüber.
Prinzipbedingt ist man im Wesentlichen auf eine flache Unterseite beschränkt, weil man auf einer ebenen Druckplatte Material aufbaut. Komplizierte Tragflächenprofile mit gewölbten Unterseiten oder Unterschliff lassen sich nicht gut drucken. Dafür müsste man von Hand nacharbeiten.

• Zwar gibt es verschiedenste Materialien – allesamt Kunststoffe – die sich mit 3D-Druckern verarbeiten lassen, selbst Polycarbonat oder fasergefüllte Kunststoffe. Manche davon sind allerdings sehr anspruchsvoll bei der Verarbeitung und erfordern z. B. sehr hohe Temperaturen oder beheizte Gehäuse.
• Zwar sind gedruckte Bumerangs recht stabil, aber eine Steifigkeit wie Flugzeugsperrholz, G10 oder gar Kohlefaser erreichen sie mit den gängigen Materialien nicht. Wer also hohe Anforderungen hat, z. B. für Wettkämpfe, wird vielleicht enttäuscht sein.
• Manche Materialien, speziell z. B. ABS, geben bei der Verarbeitung schädliche Dämpfe oder Gase sowie Nanopartikel ab, die sich mit vernünftigem Aufwand nicht filtern lassen und die potentiell gesundheitsschädlich sind.
• Ein 3D-Drucker arbeitet mit beweglichen Teilen und hohen Temperaturen und birgt damit ein gewisses Gefahrenpotential. Es sind Fälle bekannt, in denen 3D-Drucker, besonders die preiswerten, abgebrannt sind. Dies kann aufgrund mangelhafter elektrischer Verbindungen oder fehlerhafter Steuerung von Heizelementen passieren. Man sollte also den Drucker nicht alleine lassen, auch wenn der Druckjob mal mehrere Stunden dauert.

Was muss ich tun? – Ein Überblick

Einen Bumerang mit dem 3D-Drucker zu produzieren läuft in mehreren Schritten ab:

1. Konstruieren oder Beschaffen eines dreidimensionalen Modells
2. Aufbereiten des Modells für den Druck
3. Der eigentliche Druck
4. Nachbearbeitung, falls notwendig

Diese schauen wir uns in den folgenden Abschnitten im Schnelldurchlauf an. Auf die Konstruktion und den Druck gehe ich dann nochmal genauer ein. Hier ist der Bumerang, den ich für diesen Artikel als Beispiel konstruiert habe:

Konstruieren oder Beschaffen eines Modells

Um den Drucker entsprechend anzusteuern, brauchen wir ein dreidimensionales Modell des Bumerangs. Dieses beschreibt die Form des Bumerangs durch Punkte und Flächen im Raum, die dann vom Drucker abgefahren werden können.
Am einfachsten beschafft man sich ein Modell von Tauschplattformen wie Thingiverse, MyMiniFactory, Thangs oder PrusaPrinters. Dort werden meistens frei und kostenlos, manchmal auch gegen Bezahlung, dreidimensionale Modelle angeboten, die man als sogenannte STL-Datei auf den eigenen Rechner herunterlädt.
Die andere Möglichkeit ist, selbst einen Bumerang zu konstruieren. Das schauen wir uns später im Detail an.

Aufbereiten des 3D-Modells für den Druck

Hat man ein Modell als STL-Datei zur Hand, muss dieses für den Druck aufbereitet werden. Der Drucker selbst ist “dumm” – er fährt nur vorberechnete Werkzeugbahnen ab. Wo genau der Drucker den geschmolzenen Kunststoff ausbringen soll, berechnet man vorher mit einer Software auf dem PC, genannt “Slicer”. Dieser heißt deswegen so, weil er Schichten (“Layers” genannt) berechnet, in denen das Material nach und nach aufgebracht wird.
Im Slicer hat man jede Menge Einstellungsmöglichkeiten: Wie fein sollen die Schichten sein? Wie schnell wird gedruckt? Wie heiß? Soll das Innere des Bumerangs mit viel oder wenig Material gefüllt werden? usw. Diese Einstellungen beeinflussen stark die Eigenschaften – z. B. die Dichte – des fertigen Werkstücks.

Der eigentliche Druck

Um den Druck zu starten überträgt man die Ausgabedaten des Slicers, den sogenannten “G-Code”, auf den Drucker. G-Code ist eine einfache Programmiersprache für Werkzeugbahnen, die von vielen computergesteuerten Werkzeugmaschinen verwendet wird. Man überträgt die Daten entweder auf einem Speichermedium (SD-Karte, USB-Stick) auf den Drucker, oder der Drucker ist netzwerkfähig und man kann die Druckdatei direkt hochladen.

Der Drucker heizt nun seine Düse und die Druckplatte (für bessere Haftung) auf und fährt die vorberechneten Werkzeugbahnen ab. Dabei bringt er in schmalen Bahnen und Schicht für Schicht geschmolzenen Kunststoff aus. Für einen kleinen Bumerang kann das manchmal in einer guten halben Stunde geschehen, bei einem großen Bumerang in feiner Auflösung kann es auch mal vier oder fünf Stunden dauern.

In diesem Foto ist zu sehen, wie der Drucker gerade die erste Schicht des Beispielbumerangs aufbringt. Zur Einordnung: Die einzelnen Bahnen sind hier 0.6 mm breit und 0.24 mm dick. Die Linien außen herum dienen zum Prüfen der Einstellungen und zum “Priming”, also zum ersten Aufschmelzen des Materials und Befüllen der Düse.

Alternativ kann man auch Modelle bei Dienstleistungsfirmen drucken lassen. Man überträgt das Modell über das Internet zum Dienstleister, wählt das gewünschte Material und die Druckeinstellungen und bekommt das fertige Werkstück nach einigen Tagen zugeschickt. Meistens übernimmt der Dienstleister auch das Slicing für seinen jeweiligen Drucker.

Nach dem Druck

Im Grunde ist der Bumerang nach dem Abkühlen fertig. Manchmal gibt es zwei Herausforderungen. Zum Einen muss das Modell von der Druckplatte gelöst werden, zum Anderen kann es sein, dass es sich etwas verzieht, was korrigiert werden muss.

Während viele Anwender über zu wenig Haftung auf der Druckplatte klagen, ist mein Problem immer gewesen, dass Bumerangs als flache Teile mit viel Grundfläche zu stark an der Druckplatte hafteten und sich kaum ohne Schäden lösen ließen. Die Abhilfe dafür sind flexible, mit speziellem Kunststoff beschichtete Druckplatten aus Federstahl. Diese halten magnetisch am Drucker, lassen sich abnehmen und leicht biegen. Dann fällt das Modell von selbst ab. Manche Anwender drucken auf dünnen G10-Platten; diese funktionieren auch sehr gut und sind günstiger als Federstahl.

Das zweite Problem ist, dass sich gerade große, flache Teile beim Abkühlen leicht verziehen. In der Regel ist es aufgrund der Temperaturverhältnisse so, dass der Bumerang sich leicht nach unten biegt (negatives Dihedral). Wenn man den Bumerang ordentlich abkühlen lässt, ist das meist so wenig, dass man es ad hoc auf der Wiese zurechtbiegen kann. In schweren Fällen kann man den Bumerang mit einem Fön oder über dem Toaster leicht erwärmen und in Form spannen.

Nachbearbeitung

Viel Nachbearbeitung wie Schleifen oder dergleichen ist nicht notwendig. Meine Bumerangs bleiben meistens so, wie sie von der Druckplatte kommen. Einzig die Unterseite entgrate ich ein wenig, weil die Kanten oft etwas scharf sind. Dazu nehme ich ein Entgratungswerkzeug, wie es Metaller verwenden, eine Ziehklinge oder einfach Schleifpapier.

Soll der Bumerang an einzelnen Stellen einen Unterschliff bekommen, wird man den in der Regel nachbearbeiten müssen (durch Feilen oder Schleifen), da man wie oben gesehen auf einer ebenen Druckplatte baut und der Drucker kein Material ohne Unterstützung “in die Luft” drucken kann. Solches Stützmaterial kann der Slicer automatisch hinzufügen, man muss es dann nach dem Druck entfernen.

3D-Konstruktion eines Bumerangs

Wie komme ich nun zu einem dreidimensionalen Modell meines gewünschten Bumerangs? Es gibt zwei verschiedene Arten von Software, die ich dazu benutzen kann:

• CAD-Software, wie sie zur Konstruktion (“Computer-Aided Design”) in der Industrie eingesetzt wird. Die Profi-Werkzeuge sind zwar oft sehr komplex und teuer, es gibt aber einfachere und kostenlose Varianten wie z. B. Onshape, Fusion 360 oder FreeCAD. Dazu gleich mehr.
• Modellierungssoftware, die zur Visualisierung, in Filmen oder für Computerspiele eingesetzt wird. Anders als beim CAD geht es hier weniger um das geometrisch exakte Konstruieren, sondern eher um freie Formen, Oberflächen, Beleuchtung usw. Trotzdem kann man auch in diesen Werkzeugen Bumerangs konstruieren. Hier ist vor allem die freie Software Blender zu nennen, die eine riesige Nutzergemeinde hat und auch von Profis verwendet wird.

In diesem Kapitel werden wir den oben gezeigten Bumerang in CAD, genauer Onshape, konstruieren. Mehr Informationen zum Bau von Bumerangs in Blender gibt es auf meiner Webseite.

Der Umriss

Man kann sich einem 3D-Modell eines Bumerangs im wahrsten Sinne aus zwei Richtungen nähern: über die Draufsicht, also die Umrissform, oder indem man stirnseitig auf einen Flügel schaut und das Profil betrachtet. Der einfachere Weg führt über den Umriss; zu den anderen Möglichkeiten habe ich einen separaten Artikel verfasst.

Als Erstes erstellt man also in einem CAD-Programm einen Umriss. Man kann diesen aus Grundformen wie Kreisbögen oder Geraden geometrisch exakt konstruieren, oder man benutzt freie Formen, sogenannte Splines.

Hier habe ich den Umriss für unseren Beispielbumerang aus sechs Kreisbögen und zwei Geraden konstruiert. Normalerweise würde man diese direkt zusammenhängend konstruieren, ich habe sie hier zur Verdeutlichung aber getrennt gezeichnet:

Um hieraus eine vernünftige Zeichnung zu machen, müssen die Elemente noch bemaßt und eingeschränkt werden. Einschränken heißt hierbei, dass man z. B. festlegt, dass die Linien und Kreisbögen sich an den Endpunkten treffen und fließend ineinander übergehen müssen. Für den Beispielbumerang habe ich diese Maße gewählt:Um hieraus eine vernünftige Zeichnung zu machen, müssen die Elemente noch bemaßt und eingeschränkt werden. Einschränken heißt hierbei, dass man z. B. festlegt, dass die Linien und Kreisbögen sich an den Endpunkten treffen und fließend ineinander übergehen müssen. Für den Beispielbumerang habe ich diese Maße gewählt:

Um hieraus eine vernünftige Zeichnung zu machen, müssen die Elemente noch bemaßt und eingeschränkt werden. Einschränken heißt hierbei, dass man z. B. festlegt, dass die Linien und Kreisbögen sich an den Endpunkten treffen und fließend ineinander übergehen müssen. Für den Beispielbumerang habe ich diese Maße gewählt:

Die Skizze ist nun vollständig definiert, was man daran erkennt, dass die Linien schwarz dargestellt werden. Alle gezeigten Maße kann ich nachträglich verändern, und das fertige Modell wird entsprechend aktualisiert. Dadurch kann man natürlich hervorragend mit verschiedenen Varianten einer Form experimentieren.

Das Profil

Wie kommt nun der Bumerang in die dritte Dimension, und wie entsteht das Profil der Flügel?

Zunächst zeichne ich mir das Profil über weitere Hilfslinien an, die definieren, wo später die Hinterkanten der Flügel verlaufen. Ich bin Rechtshänder, also laufen diese hier:

Nun müssen wir die Dicke des Bumerangs festlegen. Die Idee ist, dass wir uns eine weitere Zeichnung erzeugen, in diesem Fall 3 mm oberhalb der vorigen. Auf diese übertragen wir dann die Hilfslinien von vorher, um die Oberseite unseres Bumerangs zu definieren.

Hier ist die Dicke übertrieben dargestellt, damit man es besser erkennt:

“Top” ist hierbei die Bezugsebene für die Draufsicht; “Oberseite” ist die Ebene, die ich für die Oberseite des Bumerangs darüber angelegt habe.

Damit ist unser Bumerang fast fertig. Wir brauchen nun eine Operation, die uns sozusagen eine “Haut” über diese beiden Umrisslinien spannt, ähnlich wie eine Seifenblase oder ein Gummituch. Diese Operation heißt im CAD “Loft”, deutsch “Ausformung”. Damit können wir nun unseren Bumerang zu einem dreidimensionalen Objekt werden lassen.

Hier habe ich die Dicke wieder auf 3 mm zurückgesetzt.

Zwei Operationen fehlen noch: zum Einen möchte ich die Vorderkanten verrunden, zum Anderen das Profil, vor allem an den Hinterkanten, noch ein wenig stumpfer haben.

Für das Verrunden gibt es direkt eine entsprechende Operation in CAD (“Fillet”). Stumpfer bekomme ich das Profil, indem ich die Unterseite nach unten austrage (“Extrude”). In diesem Bild der Spitze von Arm 2 ist beides gut zu sehen. Die Verrundung läuft schön an der Flügelspitze aus und geht am Ellbogen wieder in einen Viertelkreis über.

So sieht nun unser fertiger Bumerang aus. Dieses Modell, das letztlich ja nur aus sechs Kreisbögen und zwei Geraden besteht, habe ich schon in vielen Varianten gedruckt und geworfen, und alle funktionieren recht gut und verzeihen auch den einen oder anderen Wurffehler.

Wie schon erwähnt kann man im Nachhinein die Zeichnungen ändern und das Modell aktualisiert sich entsprechend. So sind z. B. alle diese Bumerangs aus dem gleichen Modell entstanden, lediglich die Maße und Winkel wurden variiert:

Weitere Informationen zur Modellierung

Es gibt natürlich noch viele weitere Möglichkeiten, einen Bumerang zu modellieren, die zu beschreiben hier den Rahmen sprengen würde: Verwendung von Freiformen, Dreiflügler, Löcher und Schlitze, Gewichte und vieles mehr. Ich verweise dazu auf die Artikel auf meiner Webseite.

Drucken des Bumerangs

Nachdem das 3D-Modell aus dem CAD-Programm exportiert ist, kann es gedruckt werden. Dazu kann man entweder einen eigenen Drucker verwenden, oder man beauftragt einen Dienstleister.

Drucken bei Dienstleistern

Die einfachste Art, vom 3D-Modell zum fertigen Objekt zu kommen, sind Druckdienstleister, die das sozusagen als Auftragsfertigung erledigen. Vorteile sind, dass man keine Arbeit damit hat, dass man viele Materialien auswählen kann und dass die Drucke von gleichbleibend hoher Qualität auf Profimaschinen hergestellt werden. Allerdings dauert der Druck so mindestens einige Tage, wenn das Werkstück versendet werden muss, und die meisten Dienstleister sind recht teuer. Als Orientierung: man kann für einen kleinen Bumerang mit 200 mm Spannweite mit über 20 Euro rechnen. Daher finde ich das heute nicht mehr so interessant, es sei denn, man hat an der Schule, Uni, Bibliothek oder in einem Makerspace Zugang zu einem Drucker und kann sich dort helfen lassen.

Drucken mit dem eigenen Drucker

Wer damit rechnet, öfter Bumerangs drucken zu wollen, ist vermutlich mit einem eigenen Drucker besser bedient. Schon nach wenigen Exemplaren wird sich dieser amortisiert haben.

Auswahl eines geeigneten Druckers

Der Markt für Heimanwender wird heute von günstigen 3D-Druckern aus China dominiert. Dort bekommt man für wenig Geld Drucker, die hunderttausendfach erprobt sind und für den Privatgebrauch gut funktionieren.

Für unsere Zwecke würde ich mindestens einen Drucker der Baugröße 200 mm x 200 mm wählen; ordnet man den Bumerang diagonal auf der Bauplatte an, kann man damit Zweiflügler bis etwa 230 mm Spannweite drucken. Drucker in dieser Größe gibt es schon ab 150 Euro. Zwar gibt es noch kleinere (und preisgünstigere) Drucker, aber so klein zu drucken ergibt keinen Sinn – wenn man es nicht als sportliche Herausforderung sieht.

Noch besser geeignet sind meines Erachtens Drucker der 300 mm-Klasse. Damit hat man die notwendige Größe, um auch Bumerangs in der Größe eines Trifly oder Renner zu drucken. In der Regel sind diese Geräte derzeit (Anfang 2022) für knapp 400 Euro zu haben, manchmal gibt es aber auch schon Schnäppchen ab 250 Euro.

Ich möchte an dieser Stelle keine Kaufempfehlungen geben. Der Markt dreht sich dazu zu schnell, ich kenne nicht viele Drucker aus eigener Erfahrung, und ich möchte auch keine Werbung machen. Hier einige Punkte, auf die ich achten würde:

• Has das Modell eine große Community, findet man leicht Anleitungen und Hilfe bei Problemen? Ich würde nicht unbedingt zu einem exotischen Modell greifen, auch wenn es ein Schnäppchen zu sein scheint.
• Sind Verschleißteile und Ersatzteile verfügbar, vielleicht auch von Drittherstellern? Weil der Markt sich schnell bewegt, haben die Hersteller oft nicht so viel Interesse am Drucker vom letzten Jahr. Bei einem meiner Drucker habe ich z. B. Probleme, Düsen zu bekommen, weil diese ein ungewöhnliches Gewinde aufweisen.
• Ist die Bauplatte quadratisch? Manche Hersteller setzen auf schmale rechteckige oder gar runde Formate, was für unseren Zweck ungünstig ist.
• Aus welchem Material ist die Bauplatte? Wie oben erwähnt, sind abnehmbare, flexible Druckflächen sehr sinnvoll. Diese kann man nachrüsten, sie sind aber nicht ganz billig.

Auswahl des Materials

Die gängigsten Materialien für den 3D-Druck zuhause sind derzeit PLA (Polylactid), PETG (ein Verwandter der allgegenwärtigen PET-Flaschen) und ABS, das man aus dem Bumerangsport kennt.

Von diesen kommt für mich persönlich nur PLA infrage. PETG erscheint mir zu weich, bisher habe ich keine vernünftigen Bumerangs daraus hinbekommen. ABS möchte ich nicht verarbeiten, weil es unangenehm riecht und viel mehr Emissionen, auch Nanopartikel, produziert als PLA.

Wichtig: Bezüglich der Emissionen muss jede(r) für sich das Risiko einschätzen. Es gibt Studien dazu, die hohe Emissionen bei ABS, weniger bei PLA gemessen haben. Inwiefern das für die eigene Gesundheit problematisch ist, bleibt eine persönliche Einschätzung! 

Manchen gilt PLA als nicht besonders stabil und zu spröde. Ich habe bisher keine Probleme damit gehabt. Von mehreren Hundert gedruckten Bumerangs sind mir nur zwei kaputt gegangen, und die waren aus ABS (beim Dienstleister gedruckt). Sie sind gebrochen, als ich sie in kalten Bedingungen biegen wollte. Mein einziges ernsthaftes  Problem mit PLA ist, dass es nicht besonders hitzeresistent ist. Im Sommer im heißen Auto bei 50 Grad hatte ich schon Bumerangs, die sich heftig verformt haben. Aber das waren recht extreme Umstände.

Der Beispielbumerang aus PLA ist recht steif und wirkt stabil; ich habe ihn mit einem ähnlich großen Darnell ProFly aus Polypropylen verglichen, beide fühlen sich ziemlich ähnlich an. Der ProFly aus ABS ist vielleicht noch etwas steifer.

PLA gibt es mehr oder weniger “rein”, aber auch in Varianten, die dann “Plus”, “Pro”, “Super” oder ähnlich heißen. Diese enthalten Zusätze, die das Material schlagfest, weniger spröde und/oder hitzebeständiger machen. Die reinen PLAs funktionieren alle gleichermaßen gut. Bei den “Plus”-Varianten habe ich unterschiedliche Resultate gehabt, weil manche davon zugunsten der Bruchfestigkeit zu weich und flexibel sind.

Die Kosten für das Material sind fast vernachlässigbar. Ein Kilo PLA bekommt man von namhaften Herstellern schon ab 20 Euro. Der Beispielbumerang, mit 63 g schon recht groß, hat also um 1,50 Euro an Materialkosten. (Dazu kommt noch der Stromverbrauch, ich schätze etwa 0.2 – 0.5 kWh für einen Bumerang, und wenn man genau rechnen möchte noch Verschleiß am Gerät.)

Exotischere Materialien wie Polycarbonat, Nylon oder auch fasergefüllte Kunststoffe sind auf dem Markt, diese sind aber schwieriger zu verarbeiten und erfordern teils spezielle Druckbedingungen (z. B. beheizte Gehäuse). Auch hätte ich bei diesen Bedenken wegen der Emissionen.

Druckeinstellungen

Hier soll es nicht darum gehen, wie man allgemein einen 3D-Drucker einrichtet oder wie Druckprobleme zu behandeln sind – dazu gibt es zahllose Anleitungen im Web und auf YouTube. Es soll eher um die spezifischen Einstellungen für den Druck von Bumerangs gehen.

Dazu sind vor allem wichtig:

• Der Durchmesser der Düse ist zunächst fest. Die meisten Drucker werden mit 0.4 mm breiten Düsen ausgeliefert. Diese bieten recht feine Ergebnisse, schränken aber auch ein, wieviel Material man pro Zeit ausgeben kann. Daher kann man breitere Düsen einsetzen – mehr dazu unten.
• Die Schichthöhe gibt an, wie detailliert der Druck ist. Feinere Schichten sehen besser aus, dauern aber auch entsprechend länger. Für die Flugeigenschaften kann ich keinen großen Unterschied feststellen. Übliche Schichthöhen für 0.4 mm breite Düsen liegen im Bereich 0.1 bis 0.3 mm.
• Wie dick wird die Außenhaut, und wie dicht wird das Innere gefüllt? In der Regel füllt man das Innere des Werkstücks mit einer Waben- oder Gitterstruktur (“Infill”). Über diese Einstellungen kann man die Dichte und Steifigkeit eines Bumerangs variieren. Ein guter Startwert ist eine Dicke der Außenhaut von 1 mm oben und unten, 2-3 mm zu den Seiten und 25% Infill. Eine interessante Variante ist es, die Dichte an verschiedenen Punkten des Bumerangs unterschiedlich zu gestalten. Dadurch kann man z. B. höhere Flugweiten ohne zusätzliche Gewichte erreichen.
• Die Geschwindigkeit des Druckkopfes kann man relativ hoch ansetzen, da Bumerangs keine feinen Details erfordern. Meistens drucke ich zwischen 60 und 80 mm/s.

Schneller drucken

Mit den Druckeinstellungen, die Slicersoftware standardmäßig vorschlägt, kann man einen Zweiflügler mit 300 mm Spannweite in drei bis vier Stunden drucken. Kleinere Bumerangs brauchen natürlich entsprechend weniger Zeit. Allerdings können wir bei Bumerangs Kompromisse machen, da wir hier keine besonders fein aufgelösten Details brauchen.

Die reine Geschwindigkeit zu erhöhen, also den Druckkopf einfach schneller zu bewegen, ist nur bedingt sinnvoll. Da der Druckkopf ständig hin- und her beschleunigt werden muss, erreicht er die volle Geschwindigkeit ohnehin selten. Zudem setzt die Mechanik der Drucker der Geschwindigkeit und Beschleunigung Grenzen.

Ein besserer Weg zu schnelleren Drucken sind breitere Düsen. Diese können mehr Material pro Zeit ausbringen, wenn das Heizelement des Druckkopfes dieses entsprechend schnell verflüssigen kann. Düsen von 0.6 mm sollten für die meisten Drucker kein Problem sein. Bei noch breiteren Düsen, etwa 0.8 mm oder 1 mm, kann das Heizelement womöglich nicht mehr mithalten. Ein typischer Wert für das Volumen, das ein normales Heizelement schmelzen kann, sind 15 mm3 pro Sekunde – egal wie breit die Düse ist. Mit speziellen, auf Durchsatz optimierten Düsen und/oder mit leistungsfähigeren Heizelementen sind Werte bis 30 mm3/s realistisch. Damit lässt sich dann ein 300 mm-Bumerang mit einer 1 mm-Düse in gut einer Stunde drucken. Der Beispielbumerang mit 0.6 mm-Düse, 0.24 mm Schichthöhe und 100 mm/s maximaler Geschwindigkeit hat etwa 1:45 Stunde gebraucht.

Außerdem sind Drucke mit breiteren Düsen nach meiner Erfahrung deutlich steifer als bei Standarddüsen; meine Vermutung ist, dass das an den breiteren Linien im Infill liegt. Die Oberflächen werden natürlich etwas rauher, aber das ist nur ein ästhetisches Problem und kann sogar erwünscht sein.

Zusammenfassung und Ausblick

In diesem Artikel haben wir uns angeschaut, wie man mit einem günstigen 3D-Drucker zu einem fertigen Bumerang kommt. Neben dem Spaß am Hobby spricht dafür, dass man Modelle leicht variieren und mit Anderen austauschen kann. Zudem bietet der 3D-Druck Möglichkeiten für komplizierte Geometrien und Experimente mit Formen, Dichte oder Material des Bumerangs.

Der “traditionelle” Bau von Bumerangs von Hand wird dadurch sicherlich nicht überflüssig. Man ist bezüglich der Materialien eingeschränkt, und manche Formen, z. B. gewölbte Unterseiten, sind prinzipbedingt nicht gut zu drucken.

Dennoch kann der 3D-Druck sicher eine wertvolle Ergänzung zu unseren handwerklichen Methoden sein. Insbesondere zum Erproben von neuen Designs, Bau von Prototypen und zur Fertigung von Bumerangs ohne große Werkstatt hat das Verfahren seine Berechtigung.

Interessant scheint mir auch der Aspekt, dass ein 3D-Modell später auch mit anderen Verfahren gefertigt werden könnte, z. B. mit CNC-Fräsen. Zwar sind die heute im Hobbybereich üblichen CNC-Fräsen meines Wissens nicht in der Lage, zweieinhalb-dimensionale Formen wie Bumerangs herzustellen; das sollte aber durch geeignete Software recht leicht zu realisieren sein.

Zur Person

Meine ersten Bumerangs habe ich in den späten Achtzigern in zwei Kursen von Günther Veit gebaut, der zu der Zeit in der Nähe wohnte. In dem Alter war ich vielleicht (noch) zu ungeschickt oder hatte andere Dinge im Kopf, jedenfalls hat das Thema dann einen kleinen Winterschlaf gehalten. Erst Mitte der Neunziger, als Student, hat mich das Hobby wieder gepackt. Über das Internet kam man nun viel leichter an Informationen heran; dort fand ich Bezugsquellen für Bumerangs und Material und auch die Bücher von Michael Siems, aus denen ich sehr viel gelernt habe.

Neben dem 3D-Druck haben es mir besonders die Lap Joints aus Harthölzern angetan, die ich bei Dave Hendricks und Pat Steigman entdeckt hatte. Besonders mag ich es, Lap Joints mit Handwerkzeugen zu machen, gerne auch mit Werkzeug, das ich vom Flohmarkt gerettet habe.

DBC-Mitglied bin ich seit der EM 2005 in Köln, die ich mir als Zuschauer angesehen habe und die mich sehr beeindruckt hat. Persönlich sehe ich mich aber eher als “Genusswerfer”.

Anhang

Weitere Informationen

• Etliche Artikel auf meiner Webseite: http://cs75.de
• Die Facebook-Gruppe “Boomerang 3D”
• Den Beispielbumerang findet man hier in Onshape.

Tauschbörsen für 3D-Modelle

• http://thingiverse.com – meine Entwürfe: https://www.thingiverse.com/lapjoint/designs
• http://prusaprinters.org
• Suchmaschinen über mehrere Tauschbörsen
  • http://thangs.com
  • http://yeggi.com

Software

• CAD
  • Onshape
  • Fusion 360
  • FreeCAD
• Modellierung
  • Blender