3D-Druck – innovative Technologie für viele Anwendungen
Der 3D-Druck befasst sich mit verschiedenen additiven Technologien. Der Begriff additive Fertigung bezieht sich auf das Hinzufügen von Material, also auf den Schichtaufbau. Die heutigen 3D-Drucker können Komponenten aus Kunststoffen, Metallen und Keramiken generieren. Im Vergleich zu materialabtragenden Arbeitsverfahren ist die additive Methode sparsamer, außerdem profitierst Du von den vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten der zukunftsweisenden Technik.
Wichtige Anwendungen für den 3D-Druck
Die folgende Liste gibt Dir einen Überblick über die wichtigsten Anwendungen des 3D-Drucks.
- Prototypen
- Messemodelle
- Architekturmodelle
- Kleinserien und Werbegeschenke
- Produktdesign
- Ersatzteile
- medizintechnische Komponenten
- Hobby-Modellbau
- Computerfiguren
In der Industrie kommen die 3D-Drucker für die Fertigung von mechanischen Bauteilen wie Griffe, Gussformen und Gehäuseteile zum Einsatz. Als Beispiele sind Scharniere für Leichtbau-Türen zu nennen, Gehäuse für Hörgeräte und Strukturteile für Spezialmaschinen. Wenn du mehr über die Geschichte des 3D-Drucks erfahren möchtest, dann schau einfach mal hier vorbei.
Welche Möglichkeiten hast Du, wenn Du selber 3D-Drucken möchtest?
Um selber 3D-Drucke herzustellen, brauchst Du einen 3D-Drucker, der zu Deinen Bedürfnissen passt. Du kannst Dir die Hardware kaufen oder, wenn Du nur selten an gedruckten Objekten interessiert bist, einen 3D-Drucker leihen oder mieten.
Wenn Du einen 3D-Drucker kaufst, kannst Du diesen nach Belieben nutzen. Allerdings solltest Du vor dem Kauf die Produkte auf dem Markt vergleichen, um das richtige Modell zu finden. Die leistungsstarken 3D-Drucker sind recht kostspielig, umso wichtiger ist es, eine gute Auswahl zu treffen.
Einige Anbieter vermieten 3D-Drucker für einen bestimmten Zeitraum. Zu einem solchen Angebot gehört oft auch das Zubehör, das Du für Deine 3D-Drucke benötigst und direkt beim Hersteller bzw. Anbieter kaufen kannst. Bei dieser Mietoption solltest Du rechtzeitig prüfen, ob der 3D-Drucker zum gewünschten Zeitpunkt verfügbar ist.
Ein Fablab bietet die Möglichkeit, die hier vorhandenen 3D-Drucker zu nutzen. Das internationale Netzwerk von lokalen Labs fördert Erfinder und stellt ein umfassendes technisches Equipment zur Verfügung. Die Hardware und Programme kannst Du teilweise reservieren. Die Nutzung der Fablab Technik erfordert einen verantwortungsbewussten Umgang und einen Beitrag zur Dokumentation.
Wie entsteht ein 3D-Modell?
Damit Du ein Modell mit dem 3D-Drucker erzeugen kannst, brauchst Du erst einmal die digitale Vorlage. Diese stellt das physische Objekt in digitaler Form dar. Bei dem 2D Druck brauchst Du eine Bildvorlage oder eine Textdatei, die ausgedruckt wird. Beim 3D-Druck ist ein entsprechendes dreidimensionales Modell die Grundlage.
Du kannst das 3D-Modell mithilfe eines Programms (CAD) konstruieren oder einen 3D Scanner einsetzen, um dadurch das Originalobjekt zu digitalisieren. So entsteht Dein digitales 3D Modell. Verschiedene Formate sind möglich:
- Zu den Favoriten gehören CAD-Formate wie STP und IGES. Die CAD-Konstruktionsdaten beinhalten zahlreiche Detail-Informationen. Allerdings ist die Umwandlung (Reverse Engineering) der STL in STP recht anspruchsvoll.
- Meshformate oder Gitternetzlinienmodelle erlauben einen direkten Druck. Typische Mesh-Dateiformate sind STL für einfarbige Modelle, OBJ (einfarbig/farbig), WRL/VRML und PLY (beide farbig).
Wissenswertes zu CAD
CAD steht für computer-aided design, also rechnerunterstütztes Konstruieren. Die konstruktiven Aufgaben werden also von der elektronischen Datenverarbeitung unterstützt, um Objekte für Bauwerke, Maschinen, Fahr- und Flugzeuge oder auch Kleidung herzustellen. In CAD ist es möglich, zwei- und dreidimensionale Modelle zu generieren.
Für eine umfassende Funktionalität werden die Programme durch Berechnungen, Simulationen und CNC-Programmerstellung ergänzt. Auf der Basis des virtuellen Modells erzeugt Dein 3D-Drucker dann das reale Objekt.
Details zu CAM
CAM-Programme haben beim 3D-Druck die Aufgabe, wichtige Informationen bezüglich Drucktemperatur, Füllmengen und stützenden Strukturen zur STL Datei hinzuzufügen. CAM steht für computer-aided manufacturing. Im Zusammenhang mit dem 3D-Drucker und dem Schichtaufbau spricht man auch von dem Slicer. Dieser zerlegt das Werkstück, unter der Einflussnahme deiner eingestellten Parameter, in einzelne Schichten, diese dann zu einem G-Code umgewandelt werden. Das Slicer-Programm muss mit Deinem 3D-Drucker kompatibel sein, damit sie perfekt funktionieren. Oft erhältst Du diese Software kostenlos zum Drucker dazu.
Ansichtsmodus in Cura: Schichten
Ansichtsmodus in Cura: Solide
G-Code
Beim G-Code handelt es sich um eine ältere Programmiersprache, die auch für CNC-Maschinen verwendet wird. Er liefert dem Drucker genaue Anweisungen, wo das Material hinzugefügt werden soll. Das G steht für den Befehl „go to“: Der 3D-Drucker bekommt also die Anweisung, zu einer bestimmten Position zu fahren.
G-Code Beispiel
Beispiel Satznummer 25:
G1 X97.154 Y82.720 E2.09541 F1800
G1: Linearinterpolation Bewegung (Geradlinige Bewegung)
Der Druckkopf bewegt sich zu den Koordinaten (X97.154, Y82.720), und extrudiert 2.09541 mm Filament. Das "F" in dieser Satzzeile sagt dem 3D-Drucker was für eine Vorschubgeschwindigkeit er benutzen soll. In diesem Fall wäre es 1800mm/min.
Der G-Code ist nicht vollständig standardisiert, deswegen kann es passieren das jeder 3D- Drucker darauf anders reagiert. Deshalb sollte jeder G-Code entsprechend dem 3D-Drucker neu generiert werden, um Komplikationen oder größere Schäden zu vermeiden.
Druckvorbereitung und Nachbearbeitung
Der 3D-Druck ist inzwischen über drei Jahrzehnte alt und es gibt mehrere Verfahren. Abhängig von der Größe und Geometrie des Modells zieht sich der Druck oft über einige Stunden hin oder dauert sogar mehrere Tage lang. Die schnellsten 3D Verfahren bauen mehrere cm in der Stunde auf, wie es beispielsweise bei CLIP von Carbon 3D der Fall ist. Bei anderen Drucksystemen liegt die Leistung bei nur wenigen mm in der Stunde.
Vor jedem 3D-Druck ist eine gewisse Vorbereitung zu treffen. Dadurch können wir unvorhergesehen Probleme ausschließen oder zumindest minimieren. Das hängt natürlich von dem Druckverfahren und der Qualität des 3D-Druckers ab. Hier mal ein paar Beispiele die ich persönlich bei FDM-Drucker als Vorbereitung mache.
- Ausrichten des Drucktisches in der Z-Achse (Nivellierung)
- Düsenreinigung vor jedem Druck
- Druckplatte säubern bzw. mit Tapband bekleben
- Spannung der Zahnriemen überprüfen
- Leichtgängigkeit der X- und Y-Achse
- Parallelität der Bewegungswellen überprüfen
- Probedruck bei neuem Material
Bei den meisten 3D-Druckverfahren ist eine Nachbearbeitung unverzichtbar. Wie umfangreich diese Arbeit ist, hängt vom Verfahren und von der Beschaffenheit des Bauteils ab.
Kategorisierung der 3D-Drucker
Für den Hobby-Einsatz bieten sich FDM/SLA/DLP 3D-Drucker an. Teilweise kosten diese 3D-Drucker nur ein paar hundert Euro, doch die Preise können auch bis zu 4.000 Euro hochgehen. Die Qualität der Druck-Erzeugnisse ist recht ordentlich, auch wenn die einfacheren 3D-Drucker nicht so zuverlässig und präzise arbeiten wie eine industrielle Druckerausstattung.
Günstiger FDM-Drucker
Günstiger DLP-Drucker
Günstiger SLA-Drucker
Bei den 3D-Druckern für die semi-professionelle Nutzung findest Du ebenfalls FDM und SLA/DLP Drucker. Hier gibt es außerdem Lasersinteranlagen(SLS). Die Preise beginnen bei 5.000 Euro und gehen hoch bis zu 25.000 Euro.
3D-Drucker für die Industrie sind besonders leistungsstark. Sie haben einen hohen Durchsatz, arbeiten sehr genau und schaffen Spitzenleistungen. Hier findest Du Spezialanlagen für Sub-Nanostrukturen, Lasersinteranlagen sowie Großraum-Metalldrucker. Abhängig von der Größenordnung liegen die Kaufpreise zwischen 150.000 und 500.000 Euro oder sogar noch höher.
Welche Materialien lassen sich mit dem 3D-Drucker bearbeiten?
Die aktuellen 3D-Drucker können eine Vielzahl von Materialien verarbeiten. Zu den vorwiegend eingesetzten Materialien zählen Kunststoffe, Metalle sowie Keramiken. Im Folgenden erhältst Du einen kurzen Überblick über die wichtigsten Baustoffe.
- Thermoplaste wie ABS, Polycarbonat, Polyamid usw. eignen sich als beständige Kunststoffe für die industrielle Nutzung. Die typischen Druckerverfahren für Thermoplaste sind HP Jet Fusion sowie SLS und FDM.
- Im Modellbau und der Musterfertigung sind Kunstharze die Favoriten. Hier kommen Druckerverfahren wie Polyjet und Stereolithografie zum Einsatz.
- Der 3D-Druck von Metallen befasst sich mit der Herstellung von Objekten aus Stahl, Titan und Aluminium. Auch Legierungen sind möglich.
- Keramik kann ebenfalls als 3D-Druck entstehen, allerdings ist der Keramikdruck noch relativ neu.
Die Möglichkeiten des 3D-Drucks erweitern sich kontinuierlich. Inzwischen können auch Spezialstoffe wie Gips und Beton, Nudelteig und Schokolade in 3D gedruckt werden. Sogar Biomaterialien und lebende Zellen lassen sich dreidimensional drucken. Die additive Fertigung ist damit eine zukunftsträchtige Technologie, die sich für ein umfassendes Anwendungsgebiet eignet.
Hier findest du eine Übersicht mit den aktuell gängigsten Filamenten für das FDM-Druckverfahren.
