3D-Druck erforschen: Ideen zum Leben erwecken

Die 3D-Druckindustrie erfährt ein enormes Wachstum, da die additiven Technologien in den Mainstream-Fertigungsanwendungen Einzug halten. 

Einem Bericht zufolge wird dieser Markt im Jahr 2021 ein Volumen von 7,7 Mrd. USD erreichen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von über 14 % entspricht, d. h. einem Wachstum von 19,2 % allein im letzten Jahr.

Im Gegensatz zu den verschwenderischen traditionellen subtraktiven Verfahren, bei denen Material abgetragen wird, wird beim 3D-Druck nur das hinzugefügt, was für das endgültige Teil benötigt wird. Durch den Wegfall der aufwändigen Maschinenprogrammierung und der Ausschussrate von 90 % können innovative Anwendungen nun Designs auf Anfrage lokal anpassen, ohne die kostspieligen Werkzeugbeschränkungen der Massenproduktion.

So funktioniert der 3D-Druck

Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsverfahren, die oft auf subtraktiven Techniken wie Bohren und Schneiden beruhen, ist der 3D-Druck ein additives Verfahren, bei dem Objekte Schicht für Schicht von Grund auf aufgebaut werden. Dadurch lassen sich komplexe Formen und Designs herstellen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich sind.

Das 3D-Druckverfahren beginnt mit einer digitalen 3D-Konstruktionsdatei, die in der Regel mit einer CAD-Software (Computer-Aided Design) oder mit Algorithmen einer generativen Konstruktionssoftware erstellt wird. Die Entwurfsdatei stellt eine Blaupause für das zu druckende Objekt dar und enthält wichtige Details zu Form, Größe und mechanischen Merkmalen.

Der 3D-Drucker verwandelt diese digitale Datei dann in ein physisches Objekt, indem er dem Entwurf Schicht für Schicht folgt und das Material in feinsten Schichten von unten nach oben aufbaut. Verschiedene 3D-Drucktechnologien verwenden unterschiedliche Methoden, um jede neue Schicht aufzutragen, z. B. das Schmelzen oder Spritzen von Material oder den Einsatz von Lasern oder UV-Licht, um flüssigen Kunststoff auszuhärten. 3D-Modelle für Resin.

Nach dem Aufbringen jeder Schicht senkt sich das Druckbett leicht ab, damit die nächste Schicht direkt darauf aufgebracht werden kann. Schließlich entsteht das vollständige Objekt mit komplexen inneren Merkmalen und feinen Oberflächendetails, die dem ursprünglichen digitalen Entwurf entsprechen. Geringfügige zusätzliche Arbeiten wie Schleifen und Polieren können für ein glattes, professionelles Finish erforderlich sein.

3D-Druck vs. traditionelle Fertigung

Um den Wandel zu begreifen, den der 3D-Druck für die Fertigung ermöglicht, ist es hilfreich, die wichtigsten Unterschiede zwischen den konventionellen Produktionsverfahren, die seit der industriellen Revolution eingesetzt werden, zu vergleichen.

Was macht die ganze Sache mit dem 3D-Druck überhaupt zu so einer großen Sache? Um zu verstehen, warum das so anders ist, müssen wir einen Blick darauf werfen, wie Dinge seit der Frühzeit der Industrie traditionell in Massenproduktion hergestellt wurden.

Die meisten Kunststoff- oder Metallteile wurden mit so genannten "subtraktiven" Techniken hergestellt, d. h., man begann mit einem massiven Stück Material und reduzierte es durch Schneiden, Bohren, Fräsen usw., bis die endgültige Form übrig war.

Dabei fallen tonnenweise Späne und Reste an! Außerdem sind im Vorfeld viel mehr Planung, maßgeschneiderte Werkzeuge und spezielle Programmierung erforderlich, um die Fabriken auf neue Teilekonstruktionen vorzubereiten.

Doch dann kommt der 3D-Druck - er baut Objekte Schicht für Schicht auf und fügt nur das benötigte Material direkt aus einem 3D-Computermodell hinzu. Keine Formen, keine Spezialwerkzeuge - einfach direkt zum fertigen Produkt "drucken".

Dies bedeutet, dass Hersteller ultrakomplexe Formen mit wilden Anpassungen oder detaillierten Merkmalen erstellen können, die mit alten Fertigungsmethoden einfach unmöglich waren. Um Designs zu ändern oder zu verbessern, genügt es, das 3D-Modell zu optimieren und jederzeit eine neue, aktualisierte Version zu drucken - ohne teure Ausgaben für die Programmierung neuer Maschinen oder Probleme mit dem Stillstand der Fertigungslinie!

Außerdem fällt VIEL weniger Materialabfall an - wir sprechen hier von fast null Ausschuss, während früher bis zu 90 % verschwendet wurden. Das hilft Designern, umweltfreundlicher zu arbeiten, und macht teure Metalle/Kunststoffe viel erschwinglicher. Das ist Nachhaltigkeit UND Individualisierung auf der ganzen Linie!

Heutzutage können Sie komplizierte Figurendesigns herunterladen und sie für Tabletop-Spiele, anpassbare architektonische Hausmodelle für Kunden und sogar einzigartige künstlerische Formen wie 3D-Skulpturen von Sammlerdrachen verwenden. Oder Sie können völlig neue Ideen digital von Grund auf neu erfinden - und dann von zu Hause aus auf "Drucken" drücken.

3D-Druck Materialien

Die Anfänge des 3D-Drucks konzentrierten sich auf Prototypen und Konzeptmodelle, die hauptsächlich aus verschiedenen Kunststoffen durch FDM-Extrusion oder SLA-Fotopolymerisationsverfahren hergestellt wurden. Die Ausweitung der realen Nutzung führte dazu, dass neue Technologien und eine viel breitere Palette an druckbaren Materialien verfügbar wurden.

Mit Metallpulvern für das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) lassen sich nun hochpräzise Komponenten für den Einsatz in komplexen Maschinen und Werkzeugen in 3D drucken. Eigenschaften wie Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Härte können mit traditionell hergestellten Teilen mithalten. Selbst Edelmetalle wie Gold und Silber können für die Herstellung von Schmuck nach Maß gedruckt werden.

Andere fortschrittliche Druckmaterialien wie Glas, Kohlefaserverstärkungen und hochleistungsfähige technische Verbundwerkstoffe eröffnen den Designern neue Möglichkeiten.

Keramiken, die extrem hohen Betriebstemperaturen standhalten, können für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Verteidigungsbereich und in der Energieerzeugung additiv hergestellt werden. Die Liste der druckbaren Materialien wird immer länger und ist nur durch unsere Vorstellungskraft und die Kompatibilität mit bestehenden 3D-Druckverfahren begrenzt.

Branchenübergreifende Anwendungen

Der 3D-Druck wurde zunächst in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt, um maßgeschneiderte fluiddynamische und ergonomische Stützstrukturen zu entwickeln. Später wurden genaue anatomische Modelle und maßgeschneiderte Prothesen in der Medizin sowie maßgeschneiderte Kunst- und Modekleidung hergestellt.

Mit der Weiterentwicklung digitaler Fertigungsmethoden und der Markteinführung neuer Drucker und Materialien vervielfachten sich die Anwendungsfälle in nahezu allen Branchen:

• Automobilindustrie - Druck von kundenspezifischen Leichtbauteilen, Werkzeugen und Konzeptmodellen
• Luft- und Raumfahrt und Verteidigung - Starke, leichte Designs mit komplexen inneren Strukturen als Ersatz für herkömmlich hergestellte Metallteile
• Gesundheitswesen - Von kundenspezifischer Prothetik und Orthesen bis hin zum Druck von medizinischen Geräten, chirurgischen Instrumenten, anatomischen Modellen und Arzneimitteln
• Kunst und Mode - Einzigartige Schmuckstücke, Skulpturen, Kunstinstallationen und innovative Couture-Kleidung
• Produktdesign - Schnelles Prototyping, iteraktive Tests und Kleinserienproduktion direkt aus digitalen Dateien
• Bauindustrie - Druck von maßstabsgetreuen Modellen von architektonischen Strukturen, Brücken usw. sowie von Bauteilen
• Fertigung und Engineering - Herstellung von Vorrichtungen, Montagehilfen, Fertigungsstraßen und Sicherheitswerkzeugen
  

Und das ist nur die Spitze des Eisbergs, wenn es um die Anwendungen des 3D-Drucks in der realen Welt geht. Es werden immer noch Anwendungen in der Elektronik erforscht, bei denen leitfähige Schaltkreise gedruckt werden, menschliche Organe für Transplantationen durch Bioprinting hergestellt werden und sogar ganze Gebäude und andere Makrostrukturen gedruckt werden.

Die wichtigsten Vorteile

Es ist die Summe der nützlichen Eigenschaften, die die additive Fertigung einzigartig macht, die den 3D-Druck so vielseitig und branchenübergreifend einsetzbar macht:

• Komplexe und kundenspezifische Designs - keine Grenzen für komplizierte organische Formen, kundenspezifische Abmessungen oder komplexe innere/versteckte Strukturen
• Keine Montage erforderlich - Objekte werden vollständig geformt und in einem Stück gedruckt, ohne dass sie zusammengefügt werden müssen.
• Keine spezifischen Werkzeuge - ein 3D-Modell reicht aus, um ein Objekt zu drucken, ohne dass spezielle Formen, Vorrichtungen oder Maschinenprogrammierung erforderlich sind
• Rapid Prototyping - Design-Ideen  werden schneller und kostengünstiger als mit jeder anderen Methode hergestellt
• Kleinserienproduktion - auch bei kleinen Auflagen, kundenspezifischen Aufträgen und On-Demand-Fertigung wirtschaftlich tragfähig
• Weniger Abfall - im Gegensatz zur verschwenderischen subtraktiven Bearbeitung wird für jedes Objekt nur das exakt benötigte Material gedruckt
• Gewichtsreduzierung - komplizierte interne Waben- und Gitterstrukturen zur Gewichtsreduzierung bei Bedarf ohne Beeinträchtigung der Festigkeit
• Konsolidierte Baugruppen - Reduzierung der Teilezahl durch Drucken komplexer Mechanismen als eine integrierte Komponente
• Ausfallsicherheit der Lieferkette - durch die interne Produktion entfällt die Abhängigkeit von externen Zulieferern; Bestände können als digitale Dateien gespeichert werden

Diese einzigartige Kombination von Vorteilen bietet eine nie dagewesene Designfreiheit und Fertigungsflexibilität, die über die Möglichkeiten herkömmlicher Produktionsmethoden hinausgeht.

Und die ständigen Fortschritte bei Druckern, Softwarealgorithmen, Druckmaterialien und Nachbearbeitungsmethoden werden die Möglichkeiten des 3D-Drucks jedes Jahr weiter ausbauen.

Häufig gestellte Fragen

Es gibt viele Nuancen in diesem Prozess, daher ist es großartig, dass viele Enthusiasten aus der Branche ihr Wissen online teilen. Wir möchten das Gleiche tun und haben versucht, eine Liste von Fragen zusammenzustellen, die häufig gestellt werden. Vielleicht haben Sie sich genau diese Fragen schon einmal gestellt.

Welche Materialien können Desktop-3D-Drucker für die Modellierung und das Prototyping verwenden?

Desktop-3D-Drucker für den Heim- und Bürogebrauch unterstützen in der Regel gängige Materialien wie PLA-Kunststoffe, PETG, flexible TPU-Filamente und Photopolymerharze, die sich bei Lichteinwirkung aus der Flüssigkeit verfestigen.

Insbesondere Harzbehälter ermöglichen atemberaubend detaillierte Miniaturen wie die sehr beliebt sind, zu drucken

Wie genau sind die Toleranzen bei den meisten Desktopdruckern?

Desktop-Drucker der Einstiegsklasse können zuverlässig mit einer Genauigkeit von etwa 0,1 mm +/- drucken, wodurch feine Details gut erfasst werden.

Fortschrittlichere Modelle für Endverbraucher erreichen eine professionelle Druckpräzision von bis zu 0,025 mm für komplizierte Harzmodelle, die sich perfekt für die Bewertung des Fortschritts aus der Ferne eignen.

Können Desktop-FDM/FFF-Drucker mit Metallmaterialien arbeiten?

Während industrielle 3D-Metalldrucker mit Lasern oder Elektronenstrahlen arbeiten, verwenden Desktop-Drucker für den Endverbraucher hauptsächlich Fused-Filament-Fertigung und beschränken sich auf thermoplastische Baumaterialien, die als Filamentrollen geladen werden.

Einige Verbundwerkstoffmischungen, die Metall-, Holz- oder Kohlefaserpulver enthalten, sind jedoch für kleine Bauteile geeignet.

Welche Nachbearbeitungen sind nach dem Druck von Modellen in der Regel erforderlich?

Zu den üblichen Nacharbeiten nach dem Druck gehören das Entfernen der Stützstruktur, das Schleifen zur Verbesserung der Ebenheit bzw. zur Verringerung der Schichtlinien, Grundierung, Lackierung, Klarlacke oder glänzende Versiegelungen, je nach den Anforderungen an die Oberfläche.

Für die meisten dekorativen Kunstwerke ist nur eine geringe Bearbeitung erforderlich, aber bei Gebrauchsteilen kann es sein, dass die Toleranzen vor dem genauen Ausmessen verfeinert werden müssen.

Welche Software ist für Anfänger am besten geeignet, um druckbare 3D-Modelle zu entwerfen?

Für Einsteiger in die computergestützte Konstruktion gibt es mehrere intuitive 3D-Modellierungstools wie Tinkercad, Solidworks, Fusion360, Blender und Sketchup.

Diese Anwendungen bieten einfache Methoden zur Erstellung digitaler 3D-Dateien, die als Netzdaten oder Stereolithografie-Dokumente für den sofortigen Druck exportiert werden können.

Die Zukunft des 3D-Drucks

Wie jede wirklich bahnbrechende Technologie eröffnet auch der 3D-Druck neue Märkte und Möglichkeiten, die wir uns noch vor einem Jahrzehnt nicht hätten vorstellen können.

Da die Druckerkosten sinken und der Zugang für die breite Masse zunimmt, deuten die Wachstumstrends auf eine Zukunft hin, in der die digitale Fertigung sowohl die Industrie als auch das Verbraucherumfeld verändert.

Online-Shops für 3D-Modelle ermöglichen es jedem, einzigartige Produkte - von Möbeln bis hin zu Brettspielen, Werkzeugen oder Spielzeugfiguren - zu erwerben, die auf Wunsch speziell für ihn hergestellt werden.

Oder Einzelpersonen können Ersatzteile scannen und ausdrucken, um Haushaltsgeräte selbst zu reparieren, ohne auf die Unterstützung des Herstellers angewiesen zu sein.

Leistungsstarke und benutzerfreundliche CAD-Software mit fortschrittlichen Simulationswerkzeugen versetzt neue Generationen von Designern, Ingenieuren und Kreativen ohne traditionelle Fertigungskenntnisse in die Lage, ihre innovativen Ideen in die Realität umzusetzen.

Der 3D-Druck für Maker und Heimwerker macht die individuelle Produktion in kleinem Maßstab für jeden Hobbyisten oder unabhängigen Erfinder zugänglich, nicht nur für große Unternehmen. Dies ebnet den Weg für handwerkliche Maßanfertigungen und einzigartige handwerkliche Produkte.

Da die additive Fertigung die Druckqualität, die Präzision und die Materialstärke immer weiter verbessert, so dass sie mit traditionell in Massenproduktion hergestellten Produkten konkurrieren kann, wird die Akzeptanz in den meisten Branchen voraussichtlich weiter steigen.

Stellen Sie sich eine Zukunft vor, in der der 3D-Druck das Designdenken verändert, die Lieferketten revolutioniert, eine dezentrale, lokalisierte Produktion ermöglicht und kreative Innovationen in allen Branchen fördert.