LEGO Bausteine aus dem 3D-Drucker

LEGO Baustein drucken
LEGO Baustein drucken

LEGO Bausteine aus dem 3D-Drucker

LEGO Bausteine zu drucken ist nicht allzu schwierig.
Voraussetzung ist ein gut kalibrierter 3D-Drucker, sonst passen die Steine nicht.
Vorlagen für LEGO Steine gibt es bei Thingivers und Co. genug.

Warum einen LEGO Baustein selber konstruieren oder drucken?

  1. Es macht Spaß.
  2. Die Bausteine sind leicht zu drucken.
  3. Man kann völlig neue Bausteine entwerfen.
  4. Es kostet kaum etwas, außer Zeit.
  5. Man gewinnt Erfahrung.

Ein Standard LEGO Baustein ist sehr einfach konstruiert. Ein Nachbau in einem CAD Programm wie Fusion 360 geht sehr schnell. Es sollte allerdings ein Programm mit Bemaßung sein.

Auf der Seite von Robert Calliau findet man Maßangaben zum LEGO System.

Diese Werte übernimmt man ins CAD Programm und druckt den Baustein erst mal eins zu eins aus. Die Außenabmessungen sollten auf jeden Fall stimmen, ansonsten ist der Drucker nicht richtig kalibriert. In Fusion würde ich die Werte als Variablen in die Parametertabelle packen. So kann mit einer Änderung das gesamte Modell angepasst werden. Eine Anpassung der Originalmaße kann insbesondere bei Innenradien beim 3D-Druck notwendig sein. Innenradien werden generell zu klein gedruckt. Der Effekt ist besonders bei kleine Radien zu beachten.

Bei regelmäßigen Formen sollte man unbedingt die Pattern Funktion in den Programmen nutzen. Man konstruiert quasi eine Grundzelle und lässt diese per Formel vervielfältigen. Mit einem Baustein Modell sind wir dann in der Lage neue Bausteine – beliebiger Größe zu berechnen. Um aus einem 4er einen 8er Brick zu machen, müssen wir nur eine Zahl anpassen.

Einen solchen universellen LEGO Baustein habe ich hier bei Thingiverse hinterlegt.

Mit Fusion 360 kann man dann jede beliebige Größe daraus ableiten.
Im folgenden Bild ist damit ein 20×20 Monster entstanden.

LEGO brick 20x20
LEGO brick 20×20

Was macht man wenn der LEGO Baustein nicht passt?

  1. Man druckt einen Würfel mit ca. 20mm Kantenlängen aus und misst ob der Drucker auch wirklich 20mm gedruckt hat. Wenn nicht nach 3D-Drucker Kalibrierung googlen und handeln.
  2. Man verändert die Einstellungen im Slicer. Einen Artikel zu verschiedenen Slicern und LEGO hatte ich hier verfasst.
  3. Erst wenn  1. und 2. abgearbeitet sind würde ich die CAD-Datei verändern.

Der Druck eines 0518 LEGO Bausteins ist ziemlich unspektakulär. Macht aber trotzdem Spaß.
Richtig interessant wird immer erst wenn man etwas Eigenes und Neues schafft. Man könnte zum Beispiel den Baustein zu einem Schlüsselanhänger oder einer LED-Lampe umfunktionieren. Oder man druckt seine Bausteine mit ungewohnten Materialien aus.

Folgende exotischen Filamentsorten wären denkbar:

  • nachtleuchtend
  • Holzfilament
  • Carbon
  • flexible

Was kostet mich eigentlich ein LEGO Baustein aus dem 3D-Drucker?

 Baustein  2 x 2
 Material PLA  1,5 g  0,03 €
 Energie  0,0012 kWh  0,005 €
 Druckzeit  5 bis 15 Min.
 Filamentmenge  0,5 m bei 1,75mm Durchmesser

Wir kommen so auf 3 Cent pro Gramm LEGO Material und Energiekosten.
Handelsübliche Set beginnen so bei 6 Cent /g. Einzeln müssten wir ca. 15 Cent zahlen. Die Spritzgussmaschine dürfte einen ordentlichen Gewinn abwerfen.

Der Drucker ist natürlich keine Konkurrenz zur Spritzgussmaschine. Keiner möchte sich 1000 Steine ausdrucken. Zumal die Qualität der Spritzgussmaschine besser ist. Aber der Drucker ist unsere einzige Möglichkeit einen eigenen Baustein zu kreieren.

Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr im Verbund
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr im Verbund

Ein Druckdienstleister würde diesen Stein als Unikat für 3 bis 6€ in Kunststoff drucken.
Man könnte ihn auch extravaganter in Silber ab 100 € oder in Platin ab ca. 2.600$ ordern. Da wäre allerdings nur die Form gedruckt und das Edelmetall aus der Wachsform gegossen. Ich bleibe vorerst bei Kunststoff -).

3D-Druck – Slicer Test mit LEGO

Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr im Verbund
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr im Verbund

3D-Druck – Slicer Test mit LEGO

Am Beispiel eines einfachen LEGO Bausteines wollte ich herausfinden ob es signifikante Unterschiede zwischen den verschiedenen Slicer Programmen gibt. Ich hatte beim ersten Probedruck meines LEGO Bausteines (mit Cura) doch erhebliche Schwierigkeiten diesen maßhaltig zu drucken. Um diesen Problem zu lösen habe ich neben Cura mit zwei weiteren Slicern gearbeitet.
Wer das Ergebnis gleich sehen möchte scrollt bitte in dem Artikel ganz nach unten.

Der Baustein ist recht einfach konstruiert. Er muss aber um seine Funktion zu erfüllen sehr passgenau sein.  Den Baustein habe ich frei parametrierbar in Autodesk Fusion 360 nach Originalmaßen konstruiert. Man findet ihn hier in Thingiverse inklusive Autodesk Fusion 360 Datei. Die Stege habe ich für den Druck etwas angepasst.

Als Drucker kam ein Prusa i3 Hephestos mit Marlin 1.4 zum Einsatz, der seit 2 Jahren fleißig vor sich hin druckt. Ein Ultimaker wäre als Hardwarereferenz natürlich besser gewesen. Aber bis auf die Eigenschaft das mein Prusa die Ecken leicht abrundet, druckt er ordentlich.
Als Filament kam preisgünstiges Markenfilament zum Einsatz.

Folgende Einschränkungen zum Slicertest hatte ich aus Zeitgründen getroffen:

  • Nur eine Firmwareversion (Marlin 1.4).
  • Keine Brücken, Überhänge und Öffnungen.
  • Nur geringe Abmessungen des Objektes.
  • Nur eine Filamentsorte (PLA, transparent)

Die geringen Abmessungen und die Notwendigkeit ineinander einrasten zu müssen sollten schnell Abweichungen von den Sollmaßen zeigen.

Folgende Slicer kamen zum Einsatz:

  • Cura
  • Slic3r
  • Simplify3d

Es wurden Cura und Slic3r innerhalb von Repetier Host verwendet.

Einheitliche Slicerparameter

Soweit wie möglich wurden die Slicer auf einheitliche Parameter eingestellt. Bei Simlify3d wurde die Extrusionsbreite auf Auto belassen. Simlify3d berechnete dafür 0,48mmm. Diese erzeugten gegenüber manuell eingestellten 0,4mm ein wesentlich besseres Ergebnis.

Die Geschwindigkeiten sind recht niedrig gewählt um Einflüsse der Hardware gegenüber dem Slicer gering zu halten.

 

Druck Druckgeschwindigkeit 40 mm/s
Reisegeschwindigkeit 80 mm/s
Erster Layer 30 mm/s
Äußere Umrandung 30 mm/s
Innere Umrandung 40 mm/s
Füllung 50 mm/s
Äußere Füllung 30 mm/s
Schichtdicke 0,2 mm
Struktur Hüllendicke 3 Perimeter
Boden/Deckendicke 3 Perimeter
Füllmuster Raster
Fülldichte 15%
Extrusion Retraktionsgeschwindigkeit 40 mm/s
Retraktionsdistanz 1 mm
Z-Sprung 0,2 mm
Filament Durchmesser 1,75
Fluss 100 %
Temperatur Filament 210 °C
Heizbett (Druck auf Tape) 20 °C
Kühlung Ab: Layer 2
Leistung Max. 100%
Erster Layer Geschwindigkeit, keine Änderungen die die anderen Schichten 30 mm/s

Slicervorschau

Um die unterschiedliche Berechnungsweise zu erkennen wurden 3 Schichten herausgegriffen.

Layer1

Da 3 Perimeter angegeben sind erzeugt Cura in der Grafik auch erwartungsgemäß 3 Perimeter Wandstärke an. Slic3r zeigt 6 an. In den Layern darüber die erwarteten 3. Die kleinen Stege hat Slic3r einfach weggerechnet.
Simlify3d verwendet nur 2 Perimeter, obwohl bei 1,2 mm Wandstärke und 0,4mm Düse 3 Perimeter genau passen würden. Das sieht auf den ersten Blick wie ein Fehler aus, bringt aber später beim Druck das beste Resultat.
Der Boden des Cura Bausteinen passt gar nicht in einen Original LEGO Baustein. Wanddicke und Außenmaße sind zu groß. Slic3r passt gut und Simplify3d perfekt.

cura layer 1
cura layer 1

slic3r layer 1
slic3r layer 1

simplify3d layer 1
simplify3d layer 1

 

Deckschicht
In der Schicht auf der die Noppen folgen, erzeugt Slic3r eine homogene Oberfläche. Das sollte mechanisch eine gute Verbindung schaffen. Die andere beiden Slicer sparen hier Material.

cura deckschicht
cura deckschicht

slic3r deckschicht
slic3r deckschicht

simplify3d deckschicht
simplify3d deckschicht

Letzter Layer
Alle Slicer bilden die Noppen aus 3 Perimetern.
Das wären insgesamt 2,4mm für die 6 Perimeter. Es verbleiben nochmal 2,4 mm für die Füllung.
Mathematisch gesehen wäre die Darstellung in Cura korrekt. Slic3r und Simplify3d geben der Füllung weniger Raum. Die Noppen passen bei allen 3 Slicern in einen Original LEGO Baustein. Taktil erzeugt Simplify3d die beste SnapIn Verbindung, gefolgt von Slic3r.

cura letzter layer
cura letzter layer

slic3r letzter layer
slic3r letzter layer

simplify3d letzter layer
simplify3d letzter layer

Druckerergebnis

Sollmaß Cura
(Repetier Host)
Slic3r
(Repetier Host)
Simlify3d
Version 15.01 1.2.9 3.0.0
Druckzeit 7:24 Min 9:57 Min. 14 Min
Filamentlänge (mm) 565 529 460
Maße X (mm) 15,8 16,30 bis 16,36 15,97 bis 16,03 15,98 bis 16,03
Maße Y (mm) 15,8 16,32 bis 16,38 16,00 bis 16,06 15,91 bis 15,96
Maße Z (mm) 9,6 (11,4) 9,62 11,49 9,63 (11,42) 9,66 11,46
Noppen Durchmesser 4,8 4,85 bis 4,98 4,79 bis 4,88 4,78 bis 4,87
Wandstärke (mm) 1,2 1,66 bis 1,72 1,31 bis 1,50 1,15 bis 1,34
Bewertung optisch Ecken leicht abgerundet Ecken leicht abgerundet, leichter Elefantenfuß Ecken leicht abgerundet, bestes Druckbild, konturenscharf
Bewertung Praxistest Noppen passen, Boden passt nicht, Baustein passt nicht zwischen 2 LEGO Steine Noppen passen, Boden passt, leichter Überstand, Baustein passt zwischen 2 LEGO Steine Boden und Noppen passen perfekt, Baustein passt zwischen 2 LEGO Steine
Slicer Stege wurden weg gerechnet Wand mit nur 2 Perimetern berechnet.

Messungen und Test

Da sich ein kleiner Elefantenfuß am 1..2 Layer kaum vermeiden lässt, wurde die Messungen darüber ausgeführt. Selbst bei Steckverbindungen stört es kaum wenn die erste Lage geringfügig breiter ausfällt. Messung und Test erfolgten final mit einem Tag Anstand zum Druck. Die Steckbarkeit wurde mit Original LEGO getestet.

Besonderheiten

Slic3r positionierte die Düse generell zu hoch, ob wohl kein Offset eingestellt war. Die anderen Slicer konnten an der identischen Stelle problemlos Drucken. Erst ein negativer Offset von 0,2mm brauchte den Kontakt zum Druckbett.

Ergebnis

Das beste Druckergebnis erzielte Simlify3d, gefolgt von Slic3r. Mein geliebtes Cura machte die Wandstärke zu dick.
Insgesamt das ist das Ergebnis ausfolgenden Gründen recht gut:
• Die CAD Datei wurde mit Original LEGO Maßen erstellt. Sie wurde von den Abmessungen nicht für den Druck optimiert. Einzig die Verstärkungsrippen habe ich anders konstruiert.
• Die Slicer sind auf einheitliche Parameter gesetzt. Da ist bei jedem Programm noch Potential.
• Sowohl die Wandstärken in der CAD Datei als auch im Slicer wären für Cura anpassbar. Mit 2 Perimeter Wandstärke oder einem Filament-Fluss von 95% dürften die Außenmaße schrumpfen. Des Weiteren ist von Cura eine neuere Version verfügbar. Diese unterstützt aber keine Delta Drucker.
• Mein Prusa erzeugt im Vergleich zum Ultimaker leicht abgerundete Ecken. Mit Ultimaker und Co. dürfte man mit alle 3 Programmen noch bessere Ergebnisse erzielen.

Fazit

Wer die 150€ ausgeben kann, macht mit Simplify3d nichts falsch.
Insbesondere wenn es bei Cura mit Delta Druckern nicht weitergeht, ist die Anschaffung eine Überlegung wert.
Die Einstellmöglichkeiten und die vorhandenen Hardwareprofile sind umfangreich. Ob es sich allerdings bei geringem Druckvolumen und Druckerpreis rentiert in eine 150€ Software zu investieren mag bezweifelt werden. Leider gibt es von Simlify3d keine Demoversion.
Slic3r druckt ordentlich. Von der Bedienbarkeit mag ich allerdings Cura mehr. Für den Alltagsdruck sind beide geeignet.

Drei Slicer im optischen Vergleich

Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Unterseite2
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Unterseite2
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Unterseite
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Unterseite
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Seite2
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Seite2
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Seite
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Seite
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Front
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Front
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Draufsicht
Vergleich Cura Slic3r Slimplify3d vlnr Draufsicht

 

LEGO EV3 Bauanleitungen ausdrucken

EV3 Track3r
EV3 Track3r

Ich finde Bauanleitungen für Kinder sollten in ausgedruckter Form vorliegen.
Im Gegensatz zu fischertechnik und Makeblock liefert LEGO Mindstorms keine ausgedruckten Handbücher und Bauanleitungen mit. Man muss daher notgedrungen das Kind oder sich selbst an den PC oder Notebook setzen.

Beim Tablet ist das Handling mit der App einfacher, dafür ist die Displaygröße wesentlich kleiner.

Falls daheim ein Farbdrucker steht, bietet sich daher der Ausdruck der Anleitung an. Leider geht der Druck nicht direkt aus der EV3 Oberfläche.

Unter dem folgendem Link hat LEGO aber die PDF Versionen der Modelle bereitgestellt.

Hier sind neben den Standardmodellen auch welche aus der Community zu finden. Pro Modell kommt man auf ca. 100 Seiten.

 

 

Die Modelle der Education Version findet man hier. Auf der LEGO Site sind sie nicht zu finden.

Ohne das Education bzw. Expansion Set lassen sich die Modell nicht bauen.
Da die Zielgruppe der Bildungssektor ist sind die Preise entsprechend hoch.

Die Mindstorms Preise unterliegen einigen Schwankungen. Kurz vor Weihnachten sollte man tunlichst nicht kaufen.
Alternativ kann man bei eBay nach gebrauchten EV3 Ausschau halten. Angebotene Einzelteile kosten kosten allerdings mehr als die Summe der Teile eines Baukastens.

 

 

Chip Sonderheft 2016 Hacken, Schrauben, Reparieren

Hacken, Schrauben, Reparieren CHIP Sonderheft
Hacken, Schrauben, Reparieren CHIP Sonderheft

Chip Sonderheft Vergleich fischertechnik – LEGO Mindstorms

Seit wenigen Tagen ist das Sonderheft der Chip zum Thema DIY verfügbar.
Neben der Reparatur von Smartphone, Notebook und Kamera beinhaltet es einen Vergleich von fischertechnik und LEGO Mindstorms Robotern.
Auch wenn man auf wenigen Seiten nicht alle Aspekte dieser intelligenten Lernspielzeuge betrachten kann, vermittelt dies einen ersten Eindruck.
Zu kurz gekommen ist meiner Meinung nach die chinesische Firma Makeblock, die langfristig zum dritten Spieler am Markt werden könnte.

Die weiteren Themen habe ich dem Chip Kiosk entnommen. Dort kann man neben der Printvariante die günstigere Online Version erwerben.

Inhalt Chip Sonderheft 2016 Hacken, Schrauben, Reparieren

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Update 30.11.2015:
Leider schon ausverkauft. Also Doch Amazon und Co.