3D-Druck ist eine Technologie zum Drucken fester Objekte und gebrauchsfertiger Teile. Bei dieser Art des Druckens werden hauptsächlich Schichten aus speziellen Materialien übereinander gelegt und zu dem gewünschten Objekt kombiniert. Der Druckvorgang ist schnell, die Fixkosten gering und Sie können mit einer großen Vielfalt an Materialien komplexere geometrische Formen erstellen als mit herkömmlichen Herstellungsverfahren. Der 3D-Druck wird in der Maschinenbaubranche häufig eingesetzt, insbesondere zur Herstellung von Leichtbauprototypen.
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Was ist 3D-Druck?
3D-Druck und additive Fertigung (AM)
Der Begriff „3D-Druck“ wird meist mit Bastlern in Verbindung gebracht, da die verwendete Drucktechnologie einfach und für jedermann zugänglich ist. In diesem Artikel lernen wir einige 3D-Drucktechnologien wie FDM und kostengünstige Materialien wie ABS und PLA kennen (wir erklären alle diese Abkürzungen weiter unten). Die große Beliebtheit des 3D-Drucks ist auf die Verfügbarkeit erschwinglicher, Desktop-kompatibler Drucker zurückzuführen. RepRap war ein früher Förderer des 3D-Drucks und stellte 2009 seine ersten beiden Maschinen her: den MakerBot und den Ultimaker.
FDM 3D-Drucker
Im Gegensatz dazu wird die modulare Fertigung (AM) fast immer mit kommerziellen und industriellen Anwendungen in Verbindung gebracht.
Herstellung synthetischer Druckmaterialien
3D-Druck und Rapid Prototyping
„Rapid Prototyping“ ist ein weiterer Begriff, der manchmal im Zusammenhang mit 3D-Druck verwendet wird. Dieser Begriff geht auf die frühe Geschichte des 3D-Drucks zurück, als diese Technologie erstmals aufkam. Insbesondere in den 1980er Jahren, als der 3D-Druck erstmals erfunden wurde, nannte man ihn „Rapid-Prototyping-Technologie“, da diese Technologie damals nur zur Herstellung von Prototypen, nicht aber für die eigentliche Produktion eingesetzt wurde.
In den letzten Jahren hat sich der 3D-Druck zu einer praktikablen Alternative für die Herstellung vieler Teile in allen Branchen entwickelt. Während manche immer noch den Begriff „Rapid Prototyping“ für den 3D-Druck verwenden, hat sich die Technologie mittlerweile so weit entwickelt, dass sie viele Bereiche und Anwendungen umfasst.
Wann wurde der 3D-Druck erfunden?
Der 3D-Druck begann als Idee, die Entwicklung von Industrieprodukten durch die schnellere Herstellung von Prototypen zu beschleunigen. Die Erfindung der ersten Form des 3D-Drucks wird Chuck Hull zugeschrieben, der die 1984 patentierte Stereolithografie-Maschine (SLA) erfand.
Gründungsphase
Trotz Chucks Ruhm war die Entwicklung dieser Technologie nicht auf einen Mann beschränkt. Vielmehr geschah dies gleichzeitig Ende der 1980er Jahre, als in dieser Zeit zahlreiche Unternehmen gegründet wurden, die die Technologie weiterentwickeln wollten.
- 1981 – Das erste Patent für ein Gerät, das ultraviolettes Licht zum Aushärten von Fotopolymeren verwendet, wurde Hideo Kodama in Japan erteilt. Das Konzept war für „Rapid Prototyping“ konzipiert, das Patent wurde jedoch aufgrund fehlender interessierter Entwickler auf Eis gelegt.
- 1984 – Drei französische Erfinder meldeten ein Patent für ein UV-Licht-basiertes Gerät zum Aushärten von Fotopolymeren an, ähnlich dem von Hideo. General Electric weigerte sich, dieses Gerät herzustellen, da es zu diesem Zeitpunkt keine kommerzielle Nachfrage nach dieser Technologie gab.
- 1984 – Im selben Jahr meldete der Amerikaner Charles „Chuck“ Hull ein Patent für ein Gerät zum Drucken dreidimensionaler Objekte mittels Stereolithografie, bekannt als SLA, an.
- 1987 – Hal erfand ein neues Format zum Drucken von Dateien namens STL und gründete im selben Jahr 3D Systems .
- 1987 – Der Amerikaner Carl Deckard meldete ein Patent für die Selective Laser Ligation (SLS)-Technologie an und war im selben Jahr Mitbegründer von Desktop Manufacturing (DTM) (2001 von 3D Systems übernommen).
- 1989 – Der Amerikaner Scott Crump meldete ein Patent für die Fluid Dynamics Die Forming-Technologie (FDM) an und gründete im selben Jahr mit seiner Frau Stratasys .
Vermarktungsphase
Von den späten 1980er- bis zu den frühen 1990er-Jahren erlebte diese Branche einen enormen Boom im kommerziellen Marketing. Anfangs waren die auf dem Markt erhältlichen Maschinen groß und teuer und wurden an Unternehmen verkauft, die ihnen bei der Herstellung von Prototypen halfen, wie etwa Automobilunternehmen, Unternehmen der Luft- und Raumfahrt oder Hersteller von Kunststoffverpackungen. Wir werden einige der ersten Drucker erwähnen, die erfunden und kommerziell vermarktet wurden:
- 1987 – 3D Systems brachte den ersten kommerziellen SLA-1-Drucker auf den Markt.
- 1992 – Das FDM-Patent wurde schließlich an Stratasys erteilt, was zur Entwicklung des ersten 3D-Druckers des Unternehmens, des FDM Modeler, führte.
- 1992 – DTM produzierte den ersten kommerziellen SLS-Drucker, die Sinterstation 2000.
- 1994 – Das deutsche Unternehmen Electro Optical Systems (EOS) stellte den weltweit ersten 3D-Metalldrucker vor, den EOSINT M160.
Demokratische Transformation
Nach einer Zeit des Wettbewerbs zwischen Unternehmen um die Erteilung von Patenten und der Fortschritte in der Materialwissenschaft führten diese aufeinanderfolgenden Ereignisse zur Schaffung eines Umfelds, in dem der 3D-Druck für die breite Masse zugänglich wurde. In dieser Ära, im Jahr 2005, begann die Idee des 3D-Drucks die Menschen durch die folgenden Ereignisse zu erreichen:
- 2005 – Das erste Open-Source-Projekt, RepRap, wurde mit dem Ziel gestartet, die ersten 3D-Drucker zu entwickeln, die sich durch das Drucken ihrer eigenen Teile selbst replizieren können.
- 2009 – Alle FDM-Patente werden gemeinfrei und MakerBot bringt seinen Desktop-3D-Drucker „Cupcake CNC“ auf den Markt.
- 2012 – Formlabs brachte den ersten erschwinglichen SLA-Drucker, den Form 1, im Rahmen einer Kickstarter-Kampagne auf den Markt, bei der 2,95 Millionen US-Dollar an Finanzmitteln gesammelt wurden!
- 2013 – Protolabs wurde ins Leben gerufen, das erste Projekt, das 3D-Druckdienste für alle anbietet, die Drucke kaufen möchten, und diejenigen unterstützt, die über Maschinen verfügen, indem es sie mit Rohmaterialien versorgt. Das Unternehmen hat große Erfolge erzielt und weltweit über 50.000 Druckzentren eröffnet, um die größtmögliche Zahl an Begünstigten weltweit zu erreichen.
- 2014 – SLS-Patente wurden gemeinfrei, was dazu führte, dass mehr Unternehmen kleinere, günstigere SLS-Drucker auf den Markt brachten.
Wie funktioniert 3D-Druck?
Modulare Fertigung und traditionelle Fertigung
Der Begriff „modulare Fertigung“ (eine 3D-Drucktechnologie) existiert erst seit den 1980er Jahren. Daher werden davor entwickelte 3D-Modellierungsmethoden als traditionelle Fertigung bezeichnet. Um die Hauptunterschiede zwischen modularer und traditioneller Fertigung zu veranschaulichen, werden wir alle Methoden in drei Gruppen einteilen: modulare, subtraktive und deformative Fertigung.
Modulare Fertigung
Bei der modularen Fertigung handelt es sich um den Prozess des Aufbaus dreidimensionaler Objekte durch Stapeln und Kombinieren zweidimensionaler Materialschichten.
Diese Methode erfordert weder viel Zeit noch hohe Anlaufkosten und ist daher ideal für die Prototypenentwicklung geeignet. Jedes Objekt kann in jeder gewünschten geometrischen Form hergestellt werden, und das ist die wichtigste und beste Eigenschaft des 3D-Drucks.
Einer der größten Nachteile des 3D-Drucks mithilfe der additiven Fertigungstechnologie besteht darin, dass die Dichte und Steifigkeit der gedruckten Objekte unterschiedlich stark variieren, was die Herstellung von Objekten mit einheitlichem Charakter einschränkt.
Subtraktive Fertigung
Subtraktive Fertigung ist ein Verfahren zum Schnitzen und Entfernen von Material aus einer gegebenen Masse, um das gewünschte dreidimensionale Objekt zu formen.
Diese Technologie zeichnet sich durch hohe Präzision aus, da aufgrund der umfassenden Kontrolle über alle Aspekte des Prozesses nahezu jedes Objekt geformt werden kann. Zum Zeichnen und Entwerfen des erforderlichen Pfads zum effizienten Entfernen von Material und Erzeugen der gewünschten Form muss ein CAM-Programm (Computer Aided Design) verwendet werden. Dieser Schritt erfordert zwar etwas Zeit und Aufwand bei der Vorbereitung, ansonsten ist diese Methode aber die kostengünstigste.
Der einzige Nachteil dieser Technik besteht darin, dass das Schneidwerkzeug alle Oberflächen erreichen muss, um Material zu entfernen, was sie für komplexere Designs ungeeignet macht. Die subtraktive Fertigung ist zudem eines der verschwenderischsten Verfahren, da zur Herstellung eines einfachen Objekts viel Material entfernt werden muss.
Kunststoffherstellung
Die Formtechnik beruht in erster Linie auf der Verwendung von Formen und dem anschließenden Einspritzen der für den 3D-Druck erforderlichen Materialien in die fertige Form. Zum Schluss prägen wir das Objekt mit einer Heiß- oder Pressform, um ihm die gewünschte Form zu verleihen.
Dieser Typ wurde speziell für die Erstellung von Produktionslinien für bestimmte Teile entwickelt. Die anfänglichen Kosten für die Herstellung der Form sind sehr hoch, die späteren Kosten für die Teileproduktion jedoch sehr niedrig. Mit dieser Technologie können große Mengen wiederholt und konsistent produziert werden, was sie zu einer der kosteneffizientesten Technologien macht.
Vergleich zwischen den drei (3) Methoden:
Die Herstellung ist komplex und es müssen viele Aspekte verglichen werden, um die beste der drei Methoden zu bestimmen. Um die Sache zu vereinfachen, haben wir unten die am besten geeigneten Fälle für jede Methode aufgelistet:
- Die additive Fertigung eignet sich für die Produktion kleiner Stückzahlen mit komplexen Designs bei hoher Geschwindigkeit.
- Die subtraktive Fertigung eignet sich am besten für mittlere Stückzahlen und einfache Designs.
- Die modulare Fertigung eignet sich am besten für die Produktion großer Mengen mit hoher Konsistenz über alle Produkte hinweg.
Die Gesamtkosten sind normalerweise der Faktor, der bestimmt, welches Herstellungsverfahren das beste ist. Als grobes Beispiel können die Stückkosten für jede Methode wie folgt visualisiert werden:
3D-Drucktechnologie
Angesichts der zunehmenden Verbreitung des 3D-Drucks auf dem Markt kann es schwierig sein, alle in diesem Bereich verwendeten Begriffe und Technologien zu verstehen. Deshalb werden wir in diesem Artikel alle Aspekte dieser Technologie untersuchen.
Verschiedene Arten des 3D-Drucks
Alle Arten von 3D-Druckern können in die folgenden Betriebsarten eingeteilt werden:
- Fotopolymerisation: Materialien werden mithilfe eines Fotopolymers verarbeitet.
- Materialstrahlen: Geschmolzenes thermisches Material wird durch eine heiße Düse aufgetragen.
- Schleifmittel: Schleifmittelpartikel werden mithilfe einer Hochenergiequelle zusammengeführt.
- Materialinjektion: Tröpfchen aus lichtempfindlichem, flüssigem Schmelzmaterial werden schichtweise injiziert und durch Licht ausgehärtet.
- Coil-Jetting: Tropfen aus verflüssigtem Material werden auf ein Granulatbett gespritzt, das anschließend zusammengesintert wird.
- Direktenergiestrahlen: Geschmolzenes Metall wird gleichzeitig gespritzt und geschmolzen.
- Plattenzuschnitt: Einzelne Materialplatten werden in Form geschnitten.
3D-Druckverfahren
Es gibt sieben Hauptverfahren des 3D -Drucks . Jeder Prozesstyp verfügt über eine eigene Technologie und für jede Technologie gibt es Unternehmen, die unterschiedliche Drucker herstellen, die diese Technologie verwenden.
1. Photopolymerisation
Bei der Photopolymerisation wird ein spezielles flüssiges Material (Harz) einem Photopolymer mit Licht bestimmter Wellenlängen ausgesetzt, um es vom flüssigen in den festen Zustand zu überführen.
Positives
- glatte und weiche Oberfläche
- Minutengenaue Angaben
- Gut für Prototyping
Negatives
- knackig
- Benötigt normalerweise Stützbasen.
- UV-empfindlich
- Es erfordert langwierige Operationen.
2. Kombinieren Sie die gemahlenen Materialien.
Bei dieser Technik verwenden wir eine Wärmequelle, um die Kunststoff- oder Metallpulverpartikel zu verschmelzen oder zu schmelzen und dabei jeweils eine Schicht daraus zu erzeugen.
Positives
- Starke Teile (Nylon)
- komplizierte Designs
- Skalierbar (je nach Größe)
- Keine Stützen erforderlich
Negatives
- längere Produktionszeit
- Hohe Kosten (Maschinen, Materialien und Betrieb)
3. Blasmaterialien
Bei der Material-Jetting-Technologie wird das Material einfach komprimiert und durch eine Düse Schicht für Schicht auf die Bauplatte gesprüht, um das gewünschte Objekt zu formen. Diese Kategorie des 3D-Drucks gilt als die am weitesten verbreitete.
Positives
- Schnelle Produktionszeit
- niedrige Kosten
- Einfacher Zugang zu Materialien
Negatives
- Die Oberfläche ist rau
- Die gedruckten Teile weisen einen kleinen Unterschied auf.
- Benötigt Unterstützung
- Eingeschränkte Genauigkeit
4. Pumpmaterialien
Bei dieser Technik werden Polymere oder Wachse eingespritzt und mit UV-Licht oder Hitze verstärkt, um die Teile Schicht für Schicht aufzubauen, bis das gewünschte Design erreicht ist.
Positives
- Realistischere Modelle
- Hervorragende Details
- Hohe Genauigkeit
- Glasur
Negatives
- hohe Kosten
- zerbrechlich
5. Einblasen von Materialien in Dateien
Mithilfe eines Druckkopfes wird ein Klebstoff auf dünne Schichten gefrästen Materials gespritzt, um die Materialien miteinander zu verbinden.
Positives
- Mehrere Farboptionen
- große Auswahl an Materialien
- Keine Stützen erforderlich
Negatives
- geringer Stromverbrauch
- Weniger genau als Material-Jetting
6. Direkter Energiestrahl
Der direkte Energiestrahl erzeugt dreidimensionale Objekte, indem das Grundmaterial beim Ausstoßen schmilzt.
Positives
- starke Teile
- große Auswahl an Materialien
- größere Größen
Negatives
- hohe Kosten
- Oberflächenrauheit
7. Blätter schneiden
Bei dieser Technik werden dünne Materialplatten übereinander gestapelt, um Formen zu erzeugen.
Positives
- Schnelle Produktion
- niedrige Kosten
- Keine Stützen erforderlich
- Multimaterialschichten
Negatives
- Benötigt Nachbearbeitung
- Begrenzte Materialien
Alle 3D-Drucktechnologien lassen sich im folgenden Diagramm zusammenfassen:
So wählen Sie das passende Druckverfahren
Die Bestimmung des optimalen 3D- Druckverfahrens für ein Augenprodukt kann schwierig sein, da es mehr als ein geeignetes Verfahren gibt. Bei der Auswahl sind drei Hauptaspekte zu berücksichtigen:
- Erforderliche Materialeigenschaften: Festigkeit, Härte usw.
- Funktionale und optische Designanforderungen: wie Oberflächenbeschaffenheit, Hitzebeständigkeit.
- Möglichkeiten des 3D-Druckprozesses: Auflösung, Objektgröße usw.
Kurz gesagt: Um das richtige Verfahren auszuwählen, müssen die folgenden Punkte berücksichtigt werden:
- Benötigtes Material
- Gewünschter Beruf oder optische Erscheinung
- Erforderliche Genauigkeit oder Baugröße
3D-Drucksoftware
Bevor Sie mit dem 3D-Druckvorgang beginnen, benötigen Sie eine spezielle Drucksoftware. Es stehen zahlreiche verschiedene Programme zur Verfügung, die Sie in beiden Phasen unterstützen: Design und Druck, vom Entwurf des 3D-Objekts bis zur Simulation des Druck- und Formprozesses.
Welche Software sollten Sie für den 3D-Druck verwenden?
Die beiden Hauptmethoden des 3D-Designs sind „Solid Design“ und „Surface Design“, und für jede Methode gibt es spezielle CAD-Softwarepakete. Beim Solid Modeling werden virtuelle Objekte erstellt, indem in der Software vordefinierte 3D-Formen ausgewählt und zu einer neuen Form zusammengefügt werden. Der einzige Unterschied zum Oberflächendesign besteht darin, dass der Designer zunächst zweidimensionale Formen verwendet, um das dreidimensionale Objekt zu entwerfen.
Mit beiden Methoden lassen sich beeindruckende Ergebnisse erzielen. Allerdings ist das Solid-Design effizienter und schneller für die Erstellung unnatürlicher Formen, während das Surface-Design für einfache und natürliche Formen schneller ist. Diese Programme gehören zu den beliebtesten unter Fachleuten:
- SolidWorks
- Fusion 360
- Rhino 3D
Die meisten 3D-Druckprogramme umfassen Drucksimulations- und Datei-Debugging-Tools.
So erhalten Sie ein 3D-gedrucktes Produkt
Der 3D-Druck hat seit seiner Einführung eine lange Entwicklung durchgemacht und es ist heute sehr einfach, schnell und kostengünstig an 3D-gedruckte Objekte zu kommen.
Einen Drucker kaufen oder einen Online-3D-Druckservice nutzen?
Sollten Sie Ihren eigenen 3D-Drucker kaufen oder einen Online-Druckservice nutzen? Es handelt sich um eine wichtige Entscheidung. Deshalb haben wir die Gründe beider Seiten zusammengestellt, um Ihnen dabei zu helfen, die für Sie richtige Entscheidung zu treffen.
| Kaufen Sie einen Drucker | Nutzung von Online-Diensten |
|---|---|
| Druckbedarf (10-25 Produkte pro Woche) | Sie benötigen eine kleine Anzahl (weniger als 10) oder eine große Anzahl (25+) an Druckprodukten pro Woche. |
| Sie haben ein Produkt und einen Typ. | Möchten Sie mehrere Produkte und Materialien drucken? |
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| Sie haben den Platz und die Zeit, Ihren Drucker zum Laufen zu bringen. | Sie möchten zunächst testen und sich informieren, bevor Sie sich für einen Druckerkauf entscheiden. |
