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THOMAS WINKLER: Die Gartenbahn aus dem Drucker


Gartenbahnen - epaper ⋅ Ausgabe 4/2019 vom 22.11.2019
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Bildquelle: Gartenbahnen, Ausgabe 4/2019

Am Computer erstellte Explosionszeichnung des Dampfverteilers der Bosnischen IIIb5 (spätere JŽ 73)


Es ist schon einige Jahre her, als die Kollegen in unserer Gartenbahngruppe noch mehr Zeit hatten, dass wir zusammen saßen und über unsere Projektideen sprachen. Da ich im Umgang mit CAD-Programmen schon viele Jahre Erfahrung besaß, präsentierte ich einige Zeichnungen, die ich entworfen hatte. Ich erntete Bewunderung für die Arbeit am Computer, mit einem Augenzwinkern stellte ein Freund von mir jedoch fest, dass der Knopf am Computer fehlte, um das Ganze ausdrucken zu können. Ihm war klar, dass die ...
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Es ist schon einige Jahre her, als die Kollegen in unserer Gartenbahngruppe noch mehr Zeit hatten, dass wir zusammen saßen und über unsere Projektideen sprachen. Da ich im Umgang mit CAD-Programmen schon viele Jahre Erfahrung besaß, präsentierte ich einige Zeichnungen, die ich entworfen hatte. Ich erntete Bewunderung für die Arbeit am Computer, mit einem Augenzwinkern stellte ein Freund von mir jedoch fest, dass der Knopf am Computer fehlte, um das Ganze ausdrucken zu können. Ihm war klar, dass die Fertigung doch sehr aufwendig werden würde.
Die Jahre sind ins Land gezogen und vieles hat sich seither verändert. So hat sich eine neue Bewegung gebildet, deren Mitglieder sich selbst „Maker“ nennen. Zu unserer Zeit hätte man dazu einfach Bastler gesagt, mit dem Unterschied, dass die Makerszene eine international vernetzte Gemeinschaft darstellt. Dank des Internets ist der Austausch mit Gleichgesinnten nicht nur auf persönliche Kommunikation beschränkt, es können auch gleich CAD-Zeichnungen ausgetauscht werden, und das wirklich weltweit. Taucht man in dieses Universum ein, so stößt man bald auf das Schlagwort „Open Source“. Es bedeutet, dass nicht nur fertige Produkte, sondern auch alle Pläne oder Zeichnungen frei geteilt werden. Das gilt für Computerprogramme genauso wie für 3D-Modelle oder technische Zeichnungen.
Das gibt es in unseren Foren ja auch, könnten Sie einwenden, im Unterschied zu den Einzelkämpfern der Gartenbahnszene, die lediglich ihr Wissen teilen, werden Pro- jekte in den jungen Communities gemeinsam erarbeitet. Für die gemeinsame Arbeit an Konstruktionen oder Programmen muss man heute ja nicht einmal auf dem selben Kontinent sitzen.

Der Anet A8 aus China ist ein Nachbau des sehr erfolgreichen tschechischen Pruša i3


Die vielen unterschiedlichen Interessen und Fähigkeiten, die in solch einer Gemeinschaft zusammenkommen, bringen beeindruckende Leistungen zustande. Eine der Entwicklungen, die auf diesem Weg entstanden ist, hat die Technik des „Rapid Prototyping“ auch für kleine Budgets erschwinglich gemacht. Unter diesem Fachausdruck versteht man den additiven Aufbau von dreidimensionalen Objekten durch eine computergesteuerte Maschine, heute umgangssprachlich 3D-Druck genannt.
Die ersten Geräte dafür entstanden in den 1980er Jahren für die Industrie und Forschung und waren extrem teuer. Heute kann man 3D-Drucker einfach im technischen Fachhandel oder auf Internetplattformen erwerben. So bin auch ich in Kontakt mit der neuen Materie gekommen, noch nicht wissend, wie ich die Technologie anwenden werde. Ich habe mir einfach einen billigen Bausatz eines chinesischen Anbieters bestellt und begonnen in den Kosmos der 3D-Druckerei einzutauchen. Die Basis für gedruckte Teile sind CAD-Zeichnungen (CAD = Computer Aided Design, computergestützter Entwurf), die für mich kein Problem darstellen. Mit einem CAM-Programm (CAM = Computer Aided Machinery, computergestütze Fertigung), das für den 3DDruck Slicer 1 (Scheibenschneider) genannt wird und auch als Open-Source-Software 2 erhältlich ist, lassen sich daraus die Steuerbefehle für den Drucker erstellen.
An dieser Stelle möchte ich ein kurzes Intermezzo einschieben, und einen kurzen Blick auf die Verfahren des 3D-Drucks werfen. Es gibt drei Grundprinzipien, die in unterschiedlicher Ausbildung angewandt werden. Die Stereolithographie 3 wurde 1981 vom Amerikaner Charles W. Hull erfunden und zwei Jahre später erstmals in der Praxis angewandt. Als Druckmaterial wird ein flüssiger, lichtaushärtender Kunststoff, wie Acryl-, Epoxid oder Venylesterharz, verwendet. Durch einen computergesteuerten Laserstrahl wird der Kunststoff in einer Wanne schichtweise ausgehärtet. Nach jeder Schicht wird das Werkstück um die Schichtdicke verschoben und so ein dreidimensionales Objekt geschaffen. Im Jahr 1987 folgte das Lasersintern 5. Das Ausgangsmaterial liegt dabei als feines Pulver vor, das am Druckbett eben aufgebracht wird. Ein gesteuerter Laserstrahl schmilzt das Pulver an der Oberfläche auf und erzeugt damit eine Schicht des fertigen Objekts. Danach wird eine neue, dünne Schicht des Pulvers aufgebracht und der Laser sintert die nächste Schicht. Der Vorteil des Verfahrens ist die Materialauswahl, denn neben Kunststoffen können auch Sand-, Metall- oder Keramikpulver verarbeitet werden. Außerdem sind jegliche Hinterschneidungen problemlos druckbar, da während des Vorgangs die Hohlräume mit dem nicht verschmolzenen Pulver gefüllt sind. Diese Technik ist in der Industrie schon zum Standard geworden, für die Anwendung zuhause sind die aufwändigen Maschinen leider nicht finanzierbar. Der Druck in Lohnarbeit ist natürlich möglich aber sehr teuer.

Prinzip der Stereolitographie 4


Prinzip des Lasersinterns


An einem abgebrochenen Druck ist die innere Struktur zu erkennen


Gedruckte Gehäuse für eine Elektrolok-Steuerung über eine RS-422 Busleitung


Kupplungskopf der bosnischen Kupplung auf der Mariazeller Elektrolok 1099.02 im Depot des Technischen Museums Wien


Das Fused Layer Modeling (FDM), das Verfahren, das ich verwende, entwickelte der Amerikaner Scott Crump mit seiner Frau Lisa im Jahr 19887. Dabei wird ein thermoplastischer Kunststoffdraht durch eine Düse mit einem Durchmesser zwischen 0,2 bis 0,8 mm genau dosiert herausgepresst und Schicht für Schicht auf einer Bauunterlage aufgetragen. Das Objekt entsteht also aus vielen Schichten, die bei meinem Drucker eine Dicke von 0,8 mm bis hinunter zu 0,06 mm betragen können. Das Innere der gedruckten Modelle wird üblicherweise nicht voll ausgefüllt, sondern mit einer wabenartigen Konstruktion gefüllt, die den Materialverbrauch verringert und die Druckzeit reduzieren hilft. Es entstehen dadurch leichte, aber stabile Objekte.
Eine grundlegende Einschränkung des Verfahrens ist die Auswahl der Werkstoffe, denn es können nur thermoplastische Kunststoffe verarbeitet werden. Das Angebot reicht von PLA8 (Polylactide, ein Kunstoff auf Basis von Milchsäure), ABS9 (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer) oder PET 10 (Polyethylenterephthalat), um nur einige zu nennen.
Wie schon eingangs erwähnt, gibt es eine große Gemeinschaft im Internet, die ihre 3D-Modelle frei teilt. Auf diesen Seiten kann man nach Modellen suchen oder seine eigenen Konstruktionen einstellen11. Die Modelle stehen unter anderem im STL-Format 12 zur Verfügung (eine Abkürzung für Stereolithographie), das in den 1980er Jahren als Datenformat für den 3D-Druck geschaffen wurde, und bis heute der Standard für den Datenaustausch ist. Zu finden sind von Spielefiguren über Haushaltsartikel bis zu Ersatzteilen von 3D-Druckern alle möglichen Formen. Ja, Sie lesen richtig, ein 3D-Drucker lässt sich ausdrucken! Das RepRap-Projekt 13 definiert sich sogar als „Self Replication Manufacturing Machine“, also die selbsreplizierende Fertigungsmaschine.
Die Frage stellt sich allerdings, wofür ein Gartenbahner solche gedruckten Kunstsroffteile eigentlich brauchen kann? Da ich mich nicht nur mit Dampflokomotiven beschäftige, sondern auch elektrisch betriebene Fahrzeuge baue, ist es mir jetzt möglich exakt passende Gehäuse für elektronische Komponenten zu drucken. Diese Anwendung nutze ich auch für meine anderen Interessen, von der Herstellung von Ersatzteilen für Spielzeug der Kinder, bis zu Zubehör für meine Filmkamera. Eines meiner Gartenbahnprojekte profitiert schon davon. Für meine Elektrolok baue ich ein neues Steuerpult, das über ein dünnes, vierpoliges Kabel die Steuerbefehle überträgt.
Gleichzeitig werden auch Rückmeldungen, wie Akkuspannung, Motorstrom oder Geschwindigkeit an das Pult gemeldet oder das Licht in einem Personenwaggon geschaltet.
Dazu werde ich an eigener Stelle berichten, sobald alles eingebaut ist.
Die Recherche über die Möglichkeiten des 3D-Drucks ließ mich über eine Internetseite stolpern, auf der ein spezieller Kunststoff für das Wachsausschmelverfahren vorgestellt wurde. Diese alte Gusstechnik nutzt ein Positivmodell aus Wachs, das in einer speziellen, dünnflüssigen Masse eingeformt und nach dessen Aushärten ausgeschmolzen wird.
Das Modell wird bei der Prozedur natürlich zerstört. Der so entstandene Hohlraum kann mit Metall ausgegossen werden.
Das Verfahren wird unter anderem seit Jahrhunderten für den Guss von Bronzeplasiken verwendet, aber auch für die Schmuckherstellung und in der Industrie.
Jetzt erkannte ich erst die vielen Möglichkeiten, die sich für die Gartenbahn boten, denn an den Bau von Formen für den Sandguss hatte ich mich bis dahin nicht herangetraut.
Ich bestellte eine RolleMoldlay , ein Kunststoff mit ähnlichen Eigenschaften wie Wachs, der laut Herstellerangaben für das Wachsausschmelzverfahren entwickelt worden war.
So bestechend der 3D-Druck klingt, von einer CAD-Zeichnung den Teil einfach ausdrucken zu können, so viele Stolpersteine hat dieses Verfahren parat. Neben Unzulänglichkeiten des billigen Chinadruckers, den ich mir gekauft hatte, sind es die vielen Parameter, wie Material, Extrudertemperatur, Schichtdicke, Druckgeschwindigkeit, Druckbettoberfläche, Druckbetttemperatur oder Teilekühlluft, die ein gutes Druckergebnis nicht auf Anhieb gelingen lassen. Die Fehler können dann von unschön bis unbrauchbar reichen.
Mit etwas Ausdauer und der Hilfe der Internet-Comunity konnte ich nach recht kurzer Zeit brauchbare Ergebnisse erzielen. Mein erster Versuch, einen Gussteil zu „drucken“ war der Bosna-Kupplungskopf für meine Schmalspurfahrzeuge. Der hoch komplexe Teil ist in herkömmlicher Technik schwierig zu gießen und als Frästeil ebenfalls sehr aufwendig und nur mehrteilig zu realisieren.
Die nächste Hürde stellte eine geeignete Gießerei dar, die das Wachsausschmelzverfahren anbot und gleichzeitig auch 3D-gedruckte Teile verarbeiten würde. Als ich meine Suche begann, war ich der festen Meinung, die Drucktechnik hätte längst allgemein Einzug gehalten, was sich aber als Irrtum erwies. In Wien fand sich nur eine Gießerei, die einen Versuch in Rotguss machte, der leider misslang. Einen Betrieb in Österreich, der Stahlguss anbietet, habe ich bisher noch nicht gefunden, und Grauguss ist für einen hochbelasteten Teil, wie einen Zentralkupplungskopf, nicht wirklich geeignet.

CAD-Zeichnung für den Kupplungskopf


Die ersten Schichten für den Kupplungskopf sind gedruckt


Das fertig gedruckte Modell eines Kupplungskopfes in Moldlay


Das „Dampf Olympia“ in Brünn im Jahr 2018 sollte mir einen Weg eröffnen, mit dem ich gar nicht gerechnet hatte. Andreas Merkus aus Graz, mit dem ich über meine neue Fertigungstechnik plauderte, machte mich auf einen Tschechen aufmerksam, der ebenfalls Teile aus einem 3D-Drucker mit dabei hatte. Ich kam mit Kristian Walach sofort ins Gespräch und er zeigte mir eine am Drucker erstellte Gussform, die er für den Abguss mit Wachs nutzte. Diese Wachsabgüsse hatte er dann in eine lokale Gießerei getragen. Ich berichtete über meine Versuche die Teile direkt mit Moldlay zu drucken.
Von meinen Erfahrungen angestachelt begann auch er Positivmodelle mit diesem Material zu drucken, sowie mit Polycast, einem Konkurrenzprodukt. Er konnte schließlich die Gießerei überzeugen seine 3D-Drucke abzugießen und – Heureka – es funktionierte. Per E-Mail bekam ich die ersten Fotos seiner Dampflokteile, die er sich in Edelstahl gießen lassen hatte. Sofort warf ich meinen Drucker an und vier Kupplungsköpfe lagen bald auf meinem Tisch. Bald ist allerdings relativ, denn ein Nachteil der 3D-Druck- Verfahren, und so auch des FDM-Drucks, ist die lange Laufzeit. Eine Kupplung mit gerade einmal sechs mal viereinhalb mal vier Zentimetern druckt über zwei Stunden lang. Kistian hat letztens an einem Speichenrad 36 Stunden gedruckt! Der Drucker muss allerdings nicht beaufsichtigt werden, sondern kann still und leise (bei mir im Keller) vor sich hin werkeln.

Den fertigen Guss endlich in Händen


Da alle Bohrungen mitgegossen sind, muss nur der Anguss entfernt werden


Fertig gedrucktes Positivmodelle für den Dampfverteiler


Der umgebaute 3D-Drucker wartet auf den ersten Einsatz


In einem kleinen Paket gingen meine gedruckten Modelle zu Kristian nach Brünn, der den Kontakt mit der Gießerei organisierte, und vor Weihnachten konnte ich mir die fertigen Edelstahlteile bei einem Besuch persönlich abholen.
Eine Eigenschaft der gedruckten Teile ist der systembedingt schichtweise Aufbau, die im sehr präzisen Abguss deutlich zu sehen ist. Außerdem sind kleine Löcher, die beim Druck entstehen können, im Abguss – im Unterschied zum Sandguss, bei dem ja ein Negativmodell verwendet wird – ebenfalls Löcher, die man in der Nachbearbeitung natürlich nicht einfach wegschleifen kann.
Trotz aller Kinderkrankheiten und nicht ganz perfekter Ergebnisse freue ich mich schon auf meine nächsten Gussteile aus dem Drucker. Beim 3D-Druck lassen sich hochkomplexe Geometrien mit innen liegenden Hohlräumen fertigen, wie mit keinem anderen Fertigungsverfahren.
Es müssen keine Kerne oder geteilte Formen hergestellt werden, wie beim Sandguss. Der Dampfverteiler meines JŽ 73er Projektes besitzt einige teils gekrümmte Hohlräume. Bisher hatte ich keine Idee, wie ich diesen Teil mit überschaubarem Aufwand herstellen sollte. Mit der Drucktechnik hat sich das Problem gelöst und das fertig gedruckte Modell wartet schon auf den Versand.
Als nächstes möchte ich den Zylinder für meine Lokomotive drucken und in Edelstahl gießen lassen. Um die großen Hohlräume einwandfrei herstellen zu können, ist es nötig eine Stützkonstruktion für die freitragenden Flächen im Modell mitzudrucken. Die Slicer-Software bietet eine Option diese Hilfsgeometrie automatisch dem Druckfile hinzuzufügen.
In Innenräumen der Geometrie, die von außen nicht zugänglich sind, können diese Stützen nicht entfernt werden. Die Lösung liegt in einem zweiten Material für die Stützkonstuktion, das normal gedruckt werden kann, aber wasserlöslich ist. Der Drucker benötigt dafür einen zweiten Extruder, um die zwei Materialien auf jeder Schicht abwechselnd drucken zu können. Die nötigen Teile für den Umbau habe ich am Computer entworfen und einfach ausgedruckt. Ergänzt mit einem zusätzlichen Motor, dem zweiten geheizten Druckkopf und einer neuen Steuerung, die zwei Extruder verwalten kann, wartet der Umbau auf seinen ersten Einsatz.
Kristian Walach hat in Pankis Dampfbahnerforum sehr ausführlich über seine Erfahrungen berichtet. Die neue Technik ist sicher nicht die eierlegende Wollmilchsau, aber eine interessante Ergänzung der althergebrachten Fertigungsverfahren, die in unserem Hobby genutzt werden.

Quellen:
1 ultimaker.com/en/products/ultimaker-cura-software www.simplify3d.com/
2 slic3r.org/
3 de.wikipedia.org/wiki/Stereolithografie
4 CC BY-SA 3.0: de.wikipedia.org/wiki/Stereolithografie#/media/File:CAD_CAM.png

Werkstattzeichnung für das Dampfverteilergehäuse


5 de.wikipedia.org/wiki/Selektives_Lasersintern
6 CC BY-SA 3.0:
de.wikipedia.org/wiki/Selektives_Lasersintern#/media/ File:Selective_laser_melting_system_schematic.jpg
7de.wikipedia.org/wiki/Fused_Deposition_Modeling
8 de.wikipedia.org/wiki/Polylactide
9 de.wikipedia.org/wiki/Acrylnitril-Butadien-Styrol- Copolymer
10 de.wikipedia.org/wiki/Polyethylenterephthalat
11 Eine Auswahl ohne Wertung und Vollständigkeit:
sketchfab.com/feed
www.cgtrader.com/
www.yeggi.com/
www.myminifactory.com/
www.thingiverse.com/
www.tinkercad.com/
pinshape.com/
www.stlfinder.com/
3d-gallery.xyzprinting.com/
12 de.wikipedia.org/wiki/STL-Schnittstelle
13 www.reprap.org/wiki/RepRap


Fotos: Thomas Winkler