Einführung in die Grundlagen des 3D-Drucks

3D-DruckAuch bekannt als additive Fertigung, ist ein Verfahren zur Herstellung dreidimensionaler fester Objekte aus einer digitalen Datei. Die Herstellung eines 3D-gedruckten Objekts erfolgt durch additive Verfahren. Bei einem additiven Verfahren wird ein Objekt durch das Auftragen aufeinanderfolgender Materialschichten hergestellt, bis das Objekt fertig ist. Jede dieser Schichten kann als ein dünn geschnittener horizontaler Querschnitt des späteren Objekts betrachtet werden.

Der 3D-Druck ist das Gegenteil der subtraktiven Fertigung, bei der ein Stück Metall oder Kunststoff z. B. mit einer Fräsmaschine ausgeschnitten oder ausgehöhlt wird.

Der 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexer (funktionaler) Formen mit weniger Material als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren.

Wie 3D-Druck funktioniert

Die 3 grundlegenden Schritte im 3D-Druckprozess sind:

1. Entwerfen und digitales Modellieren des zu erstellenden Objekts
2. Vorbereiten und Einrichten des 3D-Druckers
3. Drucken des Objekts Schicht für Schicht

Entwerfen des 3D-Modells

Der erste Schritt beim 3D-Druck besteht darin, einen virtuellen Entwurf des Objekts zu erstellen, das Sie bauen möchten. Mit einer 3D-Modellierungssoftware können Sie diesen Entwurf erstellen.

Beliebte 3D-Modellierungssoftware ist unter anderem:

• Blender
• AutoCAD
• SketchUp
• Fusion 360
• Tinkercad
• 3ds Max
• Maya

3D-Scanner können auch zur Erstellung eines digitalen Modells verwendet werden, indem ein vorhandenes Objekt gescannt wird. Die gewonnenen Scandaten werden dann in ein 3D-Modell umgewandelt.

CAD-Software (computergestütztes Design) wird häufig für die Modellierung von Maschinenteilen und Werkzeugen verwendet. Der Entwurf besteht aus 2D-Skizzen, die in 3D-Objekte extrudiert oder gedreht werden.

Nach Fertigstellung des digitalen Modells zerlegt die Software des 3D-Druckers das Modell in Hunderte oder Tausende von horizontalen Schichten.

Die Sliced-Datei zeigt den Pfad, dem der Druckkopf folgen muss, um das Objekt Schicht für Schicht wiederherzustellen. Die Datei enthält auch Informationen über Füllmuster und Materialdichten.

Die Slicing-Software berücksichtigt bei der Erstellung der Druckschichten Parameter wie Schichthöhe, Füllungsgrad und Druckgeschwindigkeit.

Beliebte Software zum Schneiden ist unter anderem:

• Heilung
• Slic3r
• Vereinfachen3D
• KISSlicer

Vorbereiten des 3D-Druckers

Um einen 3D-Drucker vorzubereiten, muss die Produktionsstätte nivelliert werden und das richtige Druckmaterial eingelegt werden.

• Bei Filamentdruckern wird das Filament-Führungsrohr zum Extruder durchgeschoben.
• Bei Pulverbettdruckern wird der Pulverbehälter gefüllt.
• Bei Stereolithographie-Druckern sind die Harzbehälter mit flüssigem Harz gefüllt.

Die richtige Druckbettoberfläche sollte entsprechend dem zu bedruckenden Material installiert und vorbereitet werden. Beispiele sind Malerband, PEI-Folien, Klebstoff usw.

Sobald der 3D-Drucker mit dem richtigen Material eingerichtet ist, wird die geschnittene Datei an den Drucker übertragen. Dies kann über einen USB-Stick, Wi-Fi oder eine kabelgebundene Verbindung erfolgen.

Der letzte Vorbereitungsschritt besteht darin, die Einstellungen in der Druckersoftware anzupassen, z. B.:

• Druckauflösung
• Druckgeschwindigkeit
• Unterstützt
• Drehzahl des Kühlgebläses
• Temperatur im Bett
• Temperatur des Extruders
• Und verschiedene andere benutzerdefinierte Einstellungen

Wenn der Druckvorgang gestartet wird, wird die erste Schicht auf die Bauplattform gedruckt. Der Rest des Objekts wird dann Schicht für Schicht bis zur Fertigstellung aufgebaut.

Wie die Schichten gebildet werden

Beim 3D-Druck gibt es mehrere Möglichkeiten, Schichten zu bilden, um ein Objekt zu konstruieren. Die wichtigsten 3D-Drucktechnologien werden im Folgenden kurz erläutert.

Material-Extrusion

Materialextrusion, auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM), ist die am weitesten verbreitete 3D-Drucktechnologie für Verbraucher. Sie wird von erschwinglichen Heim-3D-Druckern verwendet.

Beim FDM-Verfahren wird thermoplastisches Filament wie PLA, PETG oder ABS von einer Spule abgewickelt und in einen Extrudierdüsenkopf eingeführt. Die Düse kann sich mit Hilfe von präzise gesteuerten Motoren sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung bewegen.

Die Düse erhitzt das Filament über seinen Schmelzpunkt und extrudiert es auf die Bauplattform (oder die zuletzt gedruckte Schicht), wo es aushärtet. Das Objekt wird Schicht für Schicht aufgebaut, wobei jede Schicht erstarrt und an der darunter liegenden Schicht haftet.

Stützstrukturen werden bei Überhängen und Überbrückungen aufgebaut. Nach Beendigung des Drucks kann die Stützstruktur entfernt werden.

Die beliebteste Anwendung von FDM ist das Prototyping.

VAT-Polymerisation

Die gängigste Technologie bei der VAT-Polymerisation ist die Stereolithografie (SLA).

Beim SLA-Verfahren wird ein Behälter mit flüssigem Photopolymerharz gefüllt, das mit einem UV-Laser gehärtet wird.

Die Bauplattform befindet sich knapp unter der Oberfläche des Harzbehälters. Der Laserstrahl zeichnet das Muster der ersten Schicht auf das flüssige Harz, das sich verfestigt.

Die Plattform hebt sich dann leicht an, und der Laser zeichnet die nächste Schicht direkt über der vorherigen auf. Dies wird fortgesetzt, bis das gesamte Objekt aufgebaut ist.

Überschüssiges flüssiges Harz wird kontinuierlich abgelassen. Nach dem Druck muss das Objekt in einem Lösungsmittel abgespült werden, um überschüssiges Harz zu entfernen.

Die Stützen werden während des Drucks benötigt, lassen sich aber aufgrund der Eigenschaften des Harzes nach dem Druck relativ leicht ablösen.

Die glatten Druckschichtlinien in Verbindung mit den selbstnivellierenden Eigenschaften des Harzes ermöglichen es, mit diesem Verfahren hochpräzise Teile mit ausgezeichneter Oberflächenqualität herzustellen.

SLA wird häufig für Baugruppen, Prototypen und Endverbrauchsteile verwendet.

Pulverbettfusion

Das Pulverbettschmelzen funktioniert durch selektives Verschmelzen von Bereichen eines Pulverbettes. Die gängigsten Technologien sind:

Selektives Laser-Sintern (SLS): Verwendet einen Hochleistungslaser, um kleine Partikel aus Polymerpulver zu verschmelzen. Das Pulver wird mit einer Walze oder einem Messer gleichmäßig über eine Bauplattform verteilt. Der Laser sintert die Pulverpartikel selektiv im Querschnitt des Objekts. Nach Fertigstellung einer Schicht senkt sich die Plattform, es wird mehr Pulver über das Bett verteilt und der Vorgang wiederholt sich, bis das Teil fertig ist. Das überschüssige Pulver stützt das Objekt während des Drucks und erfordert keine weiteren Stützstrukturen.

Selektives Laserschmelzen (SLM): SLM ist ähnlich wie SLS, verwendet aber Metallpulver anstelle von Kunststoff. Der Hochleistungslaser schmilzt das Metallpulver, anstatt es zu sintern. Beim SLM werden häufig Titanlegierungen, Werkzeugstähle, rostfreier Stahl und Aluminium verwendet.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM): Verwendet einen Elektronenstrahl anstelle eines Lasers, um Metallpulverschichten selektiv zu schmelzen. Die Herstellungsgeschwindigkeit ist hoch, aber das Verfahren erfordert ein Vakuum, was EBM teuer macht. Wird häufig für medizinische Implantate und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt verwendet.

Materialausstoß

Der Materialstrahl wird oft als PolyJet-Druck bezeichnet und funktioniert ähnlich wie ein 2D-Tintenstrahldrucker auf Papier. Anstatt jedoch Tintentropfen auf Papier zu spritzen, wird UV-härtbares Photopolymerharz auf eine Bauplattform gespritzt.

Die Schichten werden nach jedem Durchlauf des Druckkopfs mit UV-Licht ausgehärtet. Nicht ausgehärtetes Harz wird am Ende des Bauprozesses entfernt, sodass nur das feste 3D-Objekt übrig bleibt.

Bei Bedarf werden auch Stützstrukturen aus einem abnehmbaren gelartigen Material gedruckt.

Material-Jetting ermöglicht den Druck mehrerer Materialien durch den Einsatz mehrerer Druckköpfe. Einige Materialien sind gummiartig, transparent oder hochtemperaturbeständig.

Die Genauigkeit ist hervorragend, und die Schichtlinien sind kaum zu erkennen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von sehr detaillierten Objekten. Das Materialstrahlen wird hauptsächlich für das Rapid Prototyping eingesetzt.

Binder Jetting

Beim Bindemittel-Jetting werden zwei Materialien verwendet:

• Ein pulverförmiges Material wie Sandstein, Keramik, rostfreier Stahl oder Kobalt-Chrom.
• Ein Bindemittel, das ein flüssiges Bindemittel ist.

Das Bindemittel wird selektiv auf das Pulverbett getropft, um die Pulverpartikel miteinander zu verbinden. Die Bauplattform senkt sich, das Pulver wird mit einer Walze über das Bett verteilt und der Vorgang wiederholt sich.

Nach Beendigung des Druckvorgangs wird das ungebundene überschüssige Pulver entfernt, so dass nur noch das gebundene Objekt übrig bleibt. Das Sintern kann als letzter Schritt erfolgen, um die Dichte, Festigkeit und Glätte der Teile zu erhöhen.

Dieses Verfahren ermöglicht hohe Druckgeschwindigkeiten und den Druck von großen Objekten. Binder Jetting ist anwendbar auf Sandguss, Metallguss und Keramik. Es wird auch im Vollfarbdruck verwendet.

Blattkaschierung

Bei der Herstellung von laminierten Objekten (LOM) werden Materialbögen zu einem Objekt verklebt. Das am häufigsten verwendete Material ist Papier.

Ein Laser schneidet jedes Blatt Papier in die Form, die für die jeweilige Schicht erforderlich ist.

Das geschnittene Papier wird dann mit Hitze und Druck auf die vorherige Schicht laminiert. Zur besseren Haftung schneiden Laser Kreuzschraffuren in die laminierten Schichten.

Sobald das Objekt fertig ist, wird das überschüssige Material weggeschnitten. LOM stellt kostengünstige Prototypen und individuelle Papierprodukte her.

Gezielte Energiedeposition

Bei den Verfahren der direkten Metallabscheidung wird das Metall während des Abscheidens geschmolzen. Eine Düse extrudiert Metallpulver oder -draht, der an der Extrusionsstelle mit einem hochenergetischen Laser- oder Elektronenstrahl getroffen wird.

Die Wärmequelle schmilzt das Material, um Perlen aus geschmolzenem Metall auf eine Grundplatte oder ein bestehendes Teil aufzubringen.

Die Düse und die Wärmequelle können über die x-, y- und z-Achse bewegt werden, um das Material genau dort aufzubringen, wo es benötigt wird. Überschüssiges Material dient während des Drucks als Stütze.

DED-Verfahren ermöglichen Reparaturen und Änderungen an bestehenden Metallteilen. Dies ermöglicht auch eine hybride Fertigung durch die Kombination von additiven und subtraktiven Verfahren.

Materialien für den 3D-Druck

Für den 3D-Druck können viele verschiedene Materialien verwendet werden. Die verfügbaren Materialien hängen vom Druckverfahren ab.

Kunststoffe

Die gebräuchlichsten Kunststoffe für den 3D-Druck sind:

• ABS: Langlebiger, schlagfester Kunststoff. Wird für Funktionsprototypen und Endprodukte verwendet.
• PLA: PLA wird aus Maisstärke hergestellt und ist biologisch abbaubar. Wird für das Prototyping und den Hobby-Druck verwendet.
• PETG: PETG ist fester als PLA und wird häufig für die Herstellung von Werkzeugen und Produkten verwendet, die eine höhere Festigkeit erfordern.
• Nylon: Nylonfilamente in technischer Qualität haben eine hohe Festigkeit, Zähigkeit und Verschleißfestigkeit. Häufig für Endverbrauchsteile verwendet.
• Polycarbonat: Extrem stark und hitzebeständig bis zu 110oC. Wird für langlebige Fertigprodukte verwendet.
• Photopolymer-Harze: Verwendung in SLA, PolyJet und ähnlichen Bottichverfahren. Die Harze bieten eine hervorragende Genauigkeit und Oberflächengüte.

Weitere Spezialkunststoffe sind leitfähiges PLA und ABS, PVA-Träger, Hochtemperatur-Thermoplaste (PEEK, PEI, PEKK), flexible Harze (TPU), Verbundwerkstoffe und mehr.

Metals

Zu den verschiedenen Metallen, die beim 3D-Druck häufig verwendet werden, gehören:

• Aluminium: Leicht, aber stabil. Wird in der Luft- und Raumfahrt verwendet.
• rostfreier Stahl: Korrosionsbeständiges Metall, geeignet für Produkte, die eine hohe Festigkeit und Sterilisierbarkeit erfordern.
• Titan: Äußerst stabil bei geringer Dichte. Wird für medizinische Implantate und Komponenten für die Luft- und Raumfahrt verwendet.
• Kobalt-Chrom: Biokompatibles Metall, das häufig für Zahnimplantate und orthopädische Implantate verwendet wird.
• Nickel-Superlegierungen: Hitzebeständige Legierungen, die in Teilen für Turbinen und Flugzeugtriebwerke verwendet werden.
• Edelmetalle: Gold-, Silber- und Platinschmuck kann in 3D gedruckt werden.

Andere Materialien

Zu den weiteren 3D-gedruckten Materialien gehören:

• Sandstein: Gedruckt mit Bindemittelstrahl für Guss- und Architekturzwecke.
• Keramik: Wird in technischen Keramikbauteilen verwendet.
• Wachs: Geeignet für Schmuckmodelle und Guss.
• Beton: Gedruckte Gebäude und architektonische Konstruktionen.
• Lebensmittel: Schokolade, Kekse, Nudeln und andere Lebensmittel können bedruckt werden.
• Zellen: Beim Organdruck werden Sphäroide aus Biotinte verwendet, die lebende Zellen enthalten.
• Verbundwerkstoffe: Es können Mischungen aus Metallen, Kunststoffen und Keramiken gedruckt werden.

Mit der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologie werden immer mehr Materialien druckbar. Die Forschung in Bereichen wie Glas, Textilien und Elektronikdruck ist im Gange.

Die wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks

Der 3D-Druck bietet mehrere Vorteile gegenüber der herkömmlichen Fertigung:

• Gestaltungsfreiheit Einzigartige und komplexe Geometrien sind druckbar, die mit Spritzguss oder maschineller Bearbeitung nicht möglich sind. Geringes Gewicht und die Konsolidierung von Teilen ermöglichen auch eine verbesserte Funktionalität.
• Personalisierung Massenanpassung und Personalisierung ist möglich, indem digitale CAD-Dateien für jeden Druck geändert werden. Kleine kundenspezifische Chargen und maßgeschneiderte Produkte können hergestellt werden.
• Geschwindigkeit Das Prototyping erfolgt schnell innerhalb von Tagen im Vergleich zu Wochen bei herkömmlichen Verfahren. Bei Bedarf können die Teile auch auf Abruf produziert werden.
• Kosteneffizienz – Der Wegfall von Werkzeugen in der Fertigung führt zu geringeren Kosten bei Kleinserienproduktionen. Der Materialabfall wird reduziert, indem nur die benötigten Mengen verwendet werden.
• Dezentralisierte Fertigung Digitale Teiledateien können schnell und kostengünstig an weltweit verteilte 3D-Drucker gesendet werden. Ermöglicht Fertigung und Reparaturen vor Ort.
• Innovation Komplexität ist kostenlos und das Ausprobieren von Prototypen fördert die Innovationsmöglichkeiten. Produkte können iterativ verbessert werden.

Der 3D-Druck ermöglicht neue Fertigungsmöglichkeiten, die mit herkömmlichen Methoden nicht zu erreichen sind. Er findet Anwendung im Gesundheitswesen, in der Zahnmedizin, im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt, in der Architektur, im Schmuckbereich und in vielen anderen Bereichen.

Anwendungen des 3D-Drucks

Die 3D-Drucktechnologie hat viele Anwendungen in verschiedenen Branchen. Hier sind einige der wichtigsten Anwendungsbereiche:

• Prototyping Schnelles Iterieren und Optimieren von Produktdesigns. Validieren Sie Funktionalität, Passform und Herstellbarkeit.
• Werkzeugbau – 3D-Druck von Produktionsmitteln wie Vorrichtungen, Prüflehren und Montagehilfen für die Fertigung.
• Teil Produktion – Endverbrauchsteile können für kundenspezifische Aufträge oder Kleinserien additiv gefertigt werden. Reduziert die Betriebskosten.
• Luft- und Raumfahrt Flugzeug- und Raketenhersteller drucken leichte Teile, um den Treibstoffverbrauch zu senken. Auch für Ersatzteile auf Abruf verwendet.
• Automobilindustrie Automobilhersteller nutzen den 3D-Druck für das Prototyping und die Herstellung spezieller Teile in kleinen Stückzahlen. Auch kundenspezifische Innenräume und Luftkanäle werden gedruckt.
• Gesundheitswesen Maßgeschneiderte Prothesen, Implantate und anatomische Modelle unterstützen Ärzte und verbessern die chirurgische Planung. Gedruckte Pharmazeutika ermöglichen eine genauere Dosierung.
• Bildung – Schulen nutzen 3D-Drucker für die Vermittlung von Designprinzipien. Die Schüler können sich praktisch mit der Technologie auseinandersetzen.
• Bauwesen – 3D-gedruckte Häuser und Betonstrukturen nehmen Gestalt an. Die automatisierte Konstruktion vor Ort ermöglicht einzigartige Architekturen.
• Lebensmittel – 3D-Drucker produzieren maßgeschneiderte Pralinen, Snacks und komplizierte Kuchendekorationen. Für die Weltraumfahrt können Nährstoffmahlzeiten gedruckt werden.
• Mode Mehrere Designer integrieren jetzt den 3D-Druck in ihre Schuh- und Bekleidungslinien. Auch Accessoires und Schmuck werden hergestellt.
• Kunst & Design – Künstler nutzen den 3D-Druck für Skulpturen, Leuchten, Möbel und andere ausdrucksstarke Werke. Die Technologie bietet ein grenzenloses kreatives Potenzial.

Dies sind nur einige der vielen Anwendungen, die der 3D-Druck bietet. In dem Maße, wie sich die Möglichkeiten der additiven Fertigung verbessern, werden immer mehr Branchen diese Technologie übernehmen.

Die Zukunft des 3D-Drucks

Die 3D-Drucktechnologie hat sich in den letzten zehn Jahren enorm weiterentwickelt. Sie hat jedoch noch viel Raum und Potenzial, um zu wachsen. Hier sind einige der Fortschritte, die wir erwarten können:

• Erweiterung der Materialien Mehr technische Materialien wie Hochleistungspolymere und Metalllegierungen werden druckbar werden. Biokompatible Materialien werden medizinische 3D-Druckanwendungen voranbringen. Der Elektronikdruck wird intelligente Komponenten und IoT-Geräte ermöglichen.
• Größe des Systems Größere Systeme ermöglichen den Druck von Objekten in Menschengröße in einem Stück. Kleinere Systeme werden Lösungen für die Desktop-Fertigung bieten.
• Geschwindigkeit & Auflösung – Schnellere Fertigungsraten werden die Massenproduktion ermöglichen. Eine verbesserte Auflösung wird die geometrische Komplexität und die Oberflächengüte erhöhen. Zusätzliche Druckköpfe werden die Herstellung mehrerer Materialien ermöglichen.
• Integration von Industrie 4.0 3D-Drucksysteme werden über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg in den digitalen Faden integriert. Entwurf, Simulation, Produktion, Qualitätskontrolle und Teileverfolgung werden immer stärker automatisiert.
• Verteilte Fertigung – Verstärkte Einführung der lokalisierten Produktion. Ingenieure können vor Ort kundenspezifische Designs für Ersatz und Reparaturen drucken. Reduziert die Transportkosten und die Umweltbelastung.
• Bauwesen & Architektur – 3D-Großdrucker werden dazu beitragen, künftige Infrastrukturen aus Beton und maßgeschneiderten Verbundwerkstoffen zu bauen. Einzigartige strukturelle Formen werden druckbar sein.

Die 3D-Drucktechnologie wird die Fertigung in Richtung eines nachhaltigeren, dezentraleren und kundenorientierteren Modells verändern. Sie versetzt Unternehmen in die Lage, größere Innovationskapazitäten zu erschließen und gleichzeitig Zeit und Geld zu sparen.

FAQ

Wie funktioniert der 3D-Druck?

Beim 3D-Druck werden Objekte in einem additiven Verfahren Schicht für Schicht aufgebaut. Ein digitales 3D-Modell wird in Schichten zerlegt, und der Drucker trägt in jedem Querschnitt Material auf, bis das Teil fertig ist. Dabei kommen Technologien wie Fused Deposition Modeling, Stereolithografie, selektives Lasersintern und andere zum Einsatz.

Mit welchen Materialien kann man 3D drucken?

Für den 3D-Druck können Kunststoffe wie ABS, PLA, PETG, Nylon und Fotopolymere verwendet werden. Metalle wie rostfreier Stahl, Aluminium, Titan, Kobalt-Chrom und Edelmetalle können gedruckt werden. Andere Materialien sind Sandstein, Keramik, Wachs, Beton, Lebensmittel und Biotinten. Es werden ständig neue Materialien eingeführt.

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks?

Zu den Vorteilen des 3D-Drucks gehören:

• Gestaltungsfreiheit für komplexe Formen
• Individuelle Anpassung und Personalisierung von Produkten
• Schnelles Prototyping und Validierung von Entwürfen
• Niedrigere Kosten für Kleinserienfertigung
• Fähigkeit zur Dezentralisierung der Produktion
• Weniger Materialabfall und optimierte Konstruktionen
• Innovation durch iterative Entwicklung

Was sind die Anwendungen des 3D-Drucks?

Der 3D-Druck findet in vielen Branchen Anwendung:

• Prototyping von Produktentwürfen
• Herstellung kundenspezifischer Teile für den Endverbrauch
• Herstellung von Spezialwerkzeugen
• Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und die Automobilindustrie
• Maßgeschneiderte medizinische Geräte und Implantate
• Pharmazeutische Forschung und Medikamentendosierung
• Lehr- und Lernmittel
• Bau von Häusern und Gebäuden
• Lebensmitteldruck individuelle Mahlzeiten
• Mode- und Kostümzubehör
• Kunstskulpturen und Designstücke

Was ist die Zukunft des 3D-Drucks?

Die Zukunft des 3D-Drucks umfasst:

• Erweiterte Materialmöglichkeiten und Elektronikdruck
• Größere und kleinere Systeme
• Erhöhte Geschwindigkeit und Auflösung
• Integration des 3D-Drucks in die digitale Fertigung
• Wachstum der dezentralen, lokalisierten Produktion
• Bau von Infrastrukturen und architektonischen Strukturen

mehr über 3D-Druckverfahren erfahren