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Die Welt der Schichten – Alles über 3D Drucker
Interesse an Themen rund um den 3D Druck? Dann ist dies hier die richtige Adresse! threedom vereint 3D Druck Wissen, Tipps zum Kauf von 3D Druckern, Informationen zu 3D Druck Vorlagen etc. mit vielen anderen relevanten Themen.
Was ist 3D Druck?
Der 3D Druck wird in der Literatur zu den urformenden Fertigungsverfahren gezählt. Das heißt, dass hierbei aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, welcher eine geometrisch definierte Form besitzt. Beim 3D Druck werden physische Objekte aus digitalen Dateien erzeugt. Diese „digitale Basis“ lässt sich auf mehrere Arten generieren:
- CAD Modellierung
- 3D Scan
- 3D Modellierung
Wie ist ein 3D Drucker aufgebaut?
3D Drucker unterscheiden sich nicht nur durch ihre Technologie voneinander. Auch innerhalb einer Technologie gibt es verschiedene Bauweisen. Im Prinzip sind sie sich aber alle ähnlich. Nachfolgend wir der Aufbau eines Fused Deposition Modeling (FDM) 3D Druckers mit zwei Düsen (Nozzles) gezeigt.
Wie funktioniert ein 3D Drucker?
Im Falle des oben gezeigten 3D Druckers sind die Schritte folgendermaßen:
- Aufheizen des Heizbetts und der Düse bzw. Düsen
- Das Druck- bzw. Heizbett fährt hoch zum Druckkopf
- Es wird geschmolzenes Filament auf das Heizbett aufgetragen bis die erste Schicht vollendet ist
- Anschließend fährt das Heizbett einen Weg von einer Schichthöhe (Gemessen in Mikrometer) herunter
- Die nächste Filament-Schicht wird auf die vorherige aufgebracht und mit ihr verschmolzen
- An Stellen mit einem Überhang kann entweder eine Stützstruktur aus demselben Material oder - wie in der Abbildung - aus einem anderen Material verwendet werden. Idealerweise lässt sich dieses Material im Wasser oder einer anderen Lösung auflösen (siehe PVA-Filament und HIPS-Filament).
- Wiederholen der letzten Schritt bis das Druckobjekt vollendet ist
Wer war der Erfinder des ersten 3D Druckers?
Wusstest du, dass es den 3D Druck bereits seit über 30 Jahren gibt? „Wie bitte, was?“ Ja. Ein Erfinder Namens Chuck W. Hull, Anfang der 80er Mitarbeiter eines Unternehmens, welches Möbel und Papier mit Kunststoffbeschichtungen versah, war der Erfinder des 3D-Drucks und somit auch des ersten 3D Druckers. Er kam auf die Idee, Schicht für Schicht Harz per UV-Licht aushärten zu lassen, um feste Körper zu erzeugen. Das war die Geburtsstunde der Stereolithographie. Die heute bekanntesten 3D Desktopdrucker dieser Art sind die Drucker des Unternehmens FormLabs (bspw. der Form 1 und Form 2).
Warum sehen wir jetzt erst so viele 3D Drucker?
Patente waren der Grund dafür, weshalb die Allgemeinheit die 3D Drucktechnologie nicht nutzen konnte. Jedoch lief im Jahr 2009 das Patent für das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren aus, welches heutzutage als Sinnbild für 3D Druck gilt. Vor allem in den Medien wird fast immer nur dieses Verfahren gezeigt, wenn es um den 3D-Druck geht. Das Auslaufen des Patentes ermöglichte somit einen günstigen Start in die 3D Druckwelt. Das bekannte RepRap Projekt trug dazu bei, indem es das Ziel verfolgte, eine Maschine zu bauen, die sich selbst replizieren kann. Unternehmen wie Ultimaker und MakerBot gründeten sich aus ehemaligen Makergruppen und so passierte das, was passieren musste: 3D Drucker, die vor wenigen Jahren noch Hunderttausende von Euro kosteten, wurden nun für einen Bruchteil dessen zu erwerben. Der Endkundenmarkt für 3D Drucker war geboren.
Welche 3D Druck Verfahren gibt es?
Um keine Patente von anderen Unternehmen zu verletzen, haben im Laufe der Zeit viele Unternehmen neue 3D Druck Verfahren entwickelt. Diese Verfahren erlauben bestimmte Funktionsweisen oder sind nur für bestimmte Zwecke sowie Materialien geeignet.
Fused Deposition Modeling (FDM)
Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird Kunststoff in Drahtform (genannt Filament) im Hotend des 3D Druckers geschmolzen und auf das Druckbett schichtweise aufgetragen. So entsteht additiv das gewünschte 3D Druck Objekt.
Stereolithographie (SLA)
Bei der Stereolithographie (SLA) dient Flüssigharz (auch Resin genannt) in einem Behälter als Ausgangsmaterial. Das Harz wird mithilfe eines Lasers beleuchtet und härtet an diesen Stellen aus.
Digital Light Processing (DLP)
Beim Digital Light Processing (DLP) wird Licht verwendet, um Flüssigharz auszuhärten. Im Gegensatz zum SLA Verfahren (Lichtquelle=Laser) dient bei DLP ein Projektor oder ein LCD Display als Lichtquelle.
Selektives Laserschmelzen (SLM)
Beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) besteht das Ausgangsmaterial aus Metallpulver. Dieses Pulver wird mit einem starken Laser geschmolzen und erzeugt das gewünschte 3D Druckobjekt.
Selektives Lasersintern (SLS)
Das Selektive Lasersintern (SLS) unterscheidet sich im Prinzip wenig vom Laserschmelzen. Es wird jedoch eine Hitzequelle verwendet, die den Innenraum des SLS Druckers mitsamt Material und Bauraum erhitzt. Anschließend wird mit einem Laser Kunststoffpulver schichtweise geschmolzen, um das 3D Druck Objekt zu erhalten.
Binder Jetting
Beim Binder Jetting wird das pulverförmige Ausgangsmaterial im Bauraum mithilfe eines Klebstoffes – dem Binder – geklebt. Schichtweise entsteht so das gewünschte Objekt.
Material Jetting
Beim Material Jetting dienen Photopolymere als Ausgangsmaterial. Das Material wird erhitzt und in den Druckkopf geleitet. Dieser arbeitet in ähnlicher Weise wie ein Tintenstrahldrucker aus dem Büro oder Zuhause. Das erwärmte Material wird in feine Tröpfchen zerstäubt und schichtweise aufgetragen.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) erfordert leitfähiges Material in Pulverform als Ausgangsmaterial. Dieses Metallpulver wird mit einem Hochenergiestrahl aus Elektronen beschossen und geschmolzen. Jede vorherige Schicht schmilzt mit der neuen zusammen und erzeugt so einen festen Körper.
Welche Materialien können mit einem 3D Drucker gedruckt werden?
Beim 3D Druck hängt die Auswahl des Materials auch vom verwendeten 3D Druck Verfahren ab. Während manche eine breite Palette an Materialien drucken können, sind andere Verfahren stark beeinträchtigt. Auch gibt es 3D Drucker – ähnlich heute erhältlicher Tintenstrahl- und Laserdrucker – die nur das Material des jeweiligen Herstellers verarbeiten können. Meist erfolgt die Umsetzung beim 3D Druck auch mit einem Chip. Auf diesem ist beispielsweise der Materialtyp und die Menge des Materials gespeichert.
Wie beschreiben bereits viele Materialien mit ihren Vor- und Nachteilen sowie auch mit diversen Tipps zu Druckereinstellungen. Darüber hinaus zeigen wir dir auf, wie das beschriebene Material im 3D Druck (und im Alltag ohne den 3D Druck) zum Einsatz kommt.
Über folgendes 3D Drucker Filament für das FDM-Verfahren kannst du dich näher informieren:
- ABS Filament
- ASA Filament
- HIPS Filament
- Nylon Filament
- PC Filament (Polycarbonat)
- PETG Filament
- PLA Filament
- PMMA Filament
- POM Filament
- PVA Filament
Welche Vorteile hat der 3D Druck?
Weniger Abfall
Wenn du dir schon einmal angeschaut hast, wie eine Fräse funktioniert, kannst du diesen Punkt sicherlich am ehesten nachvollziehen. Das Fräsen ist, wie viele andere konventionelle Fertigungsverfahren subtraktiv. Das heißt, dass ein Materialblock als Ausgangsbasis dient. Dieser Block wird durch Vorgänge wie Schneiden, Fräsen, Bearbeiten in die gewünschte Form gebracht. Bei vielen Produkten entstehen im Rahmen dieser Prozesse viele Abfallprodukte. Natürlich können diese wieder aufgesammelt, geschmolzen und wiederverwendet werden. Doch dies führt wiederum zu neuen Prozessen, die Kosten nach sich ziehen.
Der 3D-Druck ist dagegen ein additives Verfahren. Das bedeutet, dass mithilfe des Rohmaterials Schicht für Schicht das gewünschte Objekt erzeugt wird. So wird nur soviel Material eingesetzt, wie für die Herstellung des jeweiligen Objektes auch nötig ist. Hier besteht ebenfalls die Möglichkeit des Recyclings von Material.
Keine Werkzeugkosten
Beim Spritzgussverfahren wird beispielsweise ein Werkzeug (also die Form, in die der Kunststoff gespritzt wird) benötigt, welches die anfänglichen Herstellungskosten in die Höhe treibt. Dadurch ist es für das Spritzgießen wichtig, dass direkt tausende Produkte damit hergestellt und auch verkauft werden.
Beim 3D Drucken ist dies aber nicht nötig. Es sind somit keine Vorarbeiten in dem Sinne zu erledigen und auch keine speziellen Werkzeuge herzustellen, um ein komplexes oder einfaches Objekt herzustellen. Dadurch sinken die Fixkosten erheblich, denn ein Werkzeug für das Spritzgießen kann direkt mehrere Tausend Euro kosten.
Hohe Prozessgeschwindigkeit
Wie bereits erwähnt, werden für den 3D Druck keine Werkzeuge benötigt. Diese müssen nicht aufwendig hergestellt werden, was viel Zeit einspart. Zudem sind schnelle Änderungen nicht mal so eben durchführbar. Du bräuchtest für jede kleine Änderung eigentlich ein neues Werkzeug. Aus diesem Grund eignet sich die additive Fertigung für Produktdesigns, Marktanalysen oder kleine Serien.
Individuelle Produkte – „Losgröße 1“
Jeder will seine Individualität ausleben, aber im Endeffekt tragen viele ähnliche Klamotten oder haben in ihren Wohnungen und Häusern die ähnlichen Dekoartikel beziehungsweise Möbel. Das liegt daran, dass die Produktion von standardisierten Produkten auf Basis der konventionellen Fertigungsmethoden schneller und günstiger ist. Wie bereits erwähnt, ist jedoch jede noch so kleine Änderung teuer und zeitaufwändig.
Hier setzt der 3D Druck an. Es ist möglich, für jeden Kunden individuell ein Produkt anzupassen und ihm zur Verfügung zu stellen. Dabei muss das CAD-Modell geändert werden und schon kann die Produktion beginnen.
Komplexe Designs
Der 3D Druck ermöglicht es Konstrukteuren, Maschinenbauern, Produktdesignern etc. Strukturen herzustellen, die bisher so nicht herstellbar waren. Dabei ist es dem 3D Drucker relativ egal, ob er komplexe oder einfache Strukturen herstellt. Die Kosten für komplexe Strukturen aus dem 3D Drucker sind mit einfachen Produktdesigns vergleichbar, die mit traditionellen Methoden hergestellt wurden.
Welche Nachteile hat der 3D Druck?
Auch wenn das hier ein 3D Druck Blog ist, verschließe ich meine Augen nicht, wenn es um die Nachteile der Technologie geht. Es sind gewiss einige vorhanden und manche werden auch in vielen Jahren nicht unbedingt verschwinden.
Hohe Kosten bei großen Stückzahlen
Während die Kosten beim Spritzguss zum Beispiel anfangs hoch sind (siehe oben – Werkzeug), sinken die Stückkosten mit wachsenden Stückzahlen erheblich. So können zehntausende Produkte zu relativ günstigen Stückkosten hergestellt und somit konkurrenzfähig verkauft werden.
Beim 3D Druck sieht die Sache dagegen anders aus. Es ist nämlich egal, ob du eine Vase oder hundert Vasen für deinen Kunden produzierst. Die Kosten pro Stück bleiben für dich gleich, es sei denn, du kaufst so viel Material, dass dir dein Händler Vergünstigungen gibt.
Eingeschränkte Material- beziehungsweise Farbauswahl
Obwohl die Materialauswahl groß ist, kommt diese noch nicht an die Auswahlmöglichkeiten der herkömmlichen Produktmaterialien, Farben und Oberflächenbehandlungen heran. Jedoch gibt es in diesem Bereich eine rasante Entwicklung, die es dir inzwischen ermöglicht, verschiedenste Farben und Materialien auszudrucken. Kaum ein Tag vergeht ohne Produktankündigung eines Herstellers. Hier können wir noch gespannt sein.
Genauigkeit
Natürlich ist die Genauigkeit der 3D Druck Objekte super und heutzutage können wir selbst Zuhause genaue Objekte anfertigen. Doch stell dir vor, wir müssten kleine Objekte, präzise und in einer hohen Stückzahl mit gleichbleibender Qualität und Genauigkeit produzieren. Das ist mit manchen Verfahren kaum möglich und wieder anderen aufwendig und teuer.
Begrenzte Stabilität
Der schichtweise Aufbau bedingt, dass die Stabilität von 3D gedruckten Objekten nicht einem Objekt entsprechen kann, das gegossen wurde. Je nachdem, wie die Kräfte auf ein gedrucktes Objekt wirken, wird dieses früher oder später zwischen den Schichten auseinander „brechen“. Es gibt Materialien, bei denen dies immer weniger der Fall ist und das Objekt so bricht wie ein gegossenes Teil. Zudem ist die Reproduzierbarkeit von 3D gedruckten Objekten nicht immer gegeben. Wenn du eine Halterung druckst, die eine Menge aushält – die Datei einem Freund sendest und er sie an einem ähnlichen 3D Drucker ausdruckt – wird er nicht unbedingt genauso glücklich sein wie du. Diese Prozesssicherheit wird in Zukunft verbessert und auch die Stabilität wird mit neuen Materialien und 3D Druck Verfahren zunehmen.
3D Druck Einsatzgebiete
Eine kurze Antwort auf die Frage „Wo wird der 3D Druck eingesetzt“ wäre „fast überall“. So einfach will ich es mir aber nicht machen.
Aktuell werden 3D Drucker in folgenden Bereichen beziehungsweise Branchen eingesetzt:
Architektur und 3D Druck
Früher war die Erstellung von maßstabgetreuen Modellen in der Architektur ein langwieriger Prozess. Hier mal weniger Farbe oder da mal eine Wand weniger kannst du deinem Kunden natürlich nicht vorstellen und deswegen wurden solche Modelle bis ins kleinste Detail in mühevoller Handarbeit gebaut. Was passierte, wenn der Kunde noch Änderungen wünschte? Das wollen wir uns jetzt gar nicht erst vorstellen. Heutzutage können sowohl große Architekturbüros als auch unabhängige Architekten schnell und einfach mithilfe des 3D Drucks Modelle anfertigen. Dazu benötigen Sie nur die CAD Daten und können auch bei Änderungen schneller neue Modelle herstellen als nach der traditionellen Methode. Es ist je nach 3D Druck Verfahren ja auch möglich, diverse Fassadenfarben etc. zu kommunizieren.
Additive Fertigung in der Automobilindustrie
3D Druck in der Automobilindustrie – Ein möglicher Einsatzzweck
Während andere Branchen den 3D Druck gerade erst kennen lernen, gehört die Automobilindustrie zu den „Early Adoptern“ dieser Technologie. Beispielsweise wurden relativ früh Prototypen und Fertigteile im Motorsport verwendet. Heute werden Bauteile aus mehreren Einzelteilen per 3D Druck hergestellt, um Gewicht zu sparen und dadurch letztendlich auch die Kraftstoffkosten zu senken. Der deutsche Autohersteller Porsche nutzt den 3D Druck auch, um Ersatzteile für Oldtimer herzustellen. Dadurch senken sie ihre Lagerhaltungskosten und produzieren nur auf Abruf.
Weitere Infos: Porsche Classic Programm
Einsatz des 3D Drucks in Luft- und Raumfahrt
3D Druck in Luft- und Raumfahrt – Leichtere Bauteile sind ökologisch und ökonomisch wertvoll
Wie auch die Automobilindustrie sind Unternehmen der Luft- und Raumfahrt Branche früh dazu über gegangen, den 3D Druck in der Herstellung von Prototypen und Fertigteilen einzusetzen. Mein Lieblingsraumfahrtunternehmen SpaceX von Elon Musk hat mit Hilfe des 3D Drucks die Triebwerkskammern für das SuperDraco-Triebwerk hergestellt. Der SuperDraco wird auf der Dragon Raumsonde installiert. Diese Entscheidung verkürzte die Durchlaufzeit drastisch. Die Motorräume wurden aus Inconel, einer Hochleistungs Superlegierung, gedruckt und haben sich bereits mehrere Male in Tests bewährt.
Medizin & 3D Druck – Ein Dream-Team?!
3D Druck in der Medizin – In der Zahnmedizin werden 3D Drucker immer häufiger eingesetzt
Kaum ein anderer Bereich profitiert so stark vom 3D Druck wie die Medizin. Dieser Fachbereich ist riesig und deswegen sind auch die Möglichkeiten nahezu unendlich.
Ein möglicher Bereich der Medizin, der durch den 3D Druck beschleunigt wird, ist die Dentaltechnik. So können zum Beispiel Schienen oder Bohrschablonen heute mit 3D Druckern hergestellt werden. Bohrschablonen werden für Implantate genutzt. Es ist dort wichtig, dass der Winkel, mit dem der Bohrer eingeführt wird, perfekt eingestellt ist. Wird ein 3D Bild des Kiefers erstellt, kann die Schablone passend dazu konstruiert werden. Der Zahnarzt muss dann „nur“ noch den Bohrer bedienen. Weiterhin geht die Technologie soweit, dass auch Kronen damit inzwischen produziert werden können. Auch Hörgeräte sind zu erwähnen, die immer kleiner und leistungsstärker werden. Diese sind auch schon seit langem das Ergebnis des 3D Drucks. Angepasst an das jeweilige Ohr sind nicht nur passgenaue Hörgeräte möglich, sondern auch in allen möglichen Farben. Besonders bei Kindern kann dies die Akzeptanz erhöhen, wenn sie Hörgeräte in ihrer Lieblingsfarbe haben.
Produktdesign mit Additiver Fertigung
3D Druck im Produktdesign – Durchlaufzeit reduzieren und dadurch Kosten sparen Produktdesigner nutzen den 3D Druck um Testprodukte zu drucken, die sie dann einer Testgruppe von potenziellen Kunden zeigen. So nutzt ein Hersteller von Keramikbädern den BigRep, um mehrere Designvarianten einer Wanne zu erstellen. Diese werden dann verschiedenen Gruppen gezeigt. Die beliebtesten Varianten kommen weiter und so kann ein Design optimiert und an die Bedürfnisse der Zielgruppe angepasst werden, ohne den Einsatz von teuren Werkzeugen.
3D Druck im Maschinenbau – Wie werden 3D Drucker dort eingesetzt?
3D Druck im Maschinenbau – Bis zu Perfektion können mehrere Iterationen benötigt werden. Der 3D Druck verringert die Kosten. Wie beim Produktdesign können Ingenieure verschiedene Lösungen für ein Problem designen und 3D drucken. Durch das haptische Feedback und auch das Betrachten von Bewegungsabläufen bei mechanischen Teilen sind viele Probleme weit vor der Produktion der Endprodukte zu ermitteln und zu beseitigen.
Modellbau – Ein Traum wird wahr
Modellbauer dürften sich über die Erfindung des 3D Drucks oder besser über die erschwinglichen 3D Drucker Bausätze gefreut haben. Es gibt derzeit keine andere Technologie, die es dem Menschen ermöglicht, die eigene Kreativität auszuleben wie der 3D Druck. Über das Internet können die 3D Drucker Vorlagen untereinander getauscht und auch bearbeitet werden. Es werden heute nicht nur „Zubehörteile“ für den Modellbau gedruckt, wie zum Beispiel Ampelanlagen, Brücken und Rampen. Daniel Norée beispielsweise hat 2013 das Projekt Open R/C ins Leben gerufen und in dessen Rahmen diesen Formel 1 Wagen kreiert. Die Daten stehen jedem kostenlos zur Verfügung. ➡ Zu Daniels Homepage
Wie geht es weiter mit dem 3D Druck?
Jährlich werden schätzungsweise 300.000 3D Drucker im Endkundenmarkt verkauft. Wer den Markt etwas verfolgt, weiß, dass diese Zahl sich stetig vergrößert. 3D Hubs geht von einer Verdopplung dieser Zahl pro Jahr aus. Das ist schon eine Ansage. Um durch den Dschungel an verschiedenen Typen der 3D Drucker zu gehen, sind Blogs wie meins ja da.
Was kosten 3D Drucker?
Eine pauschale Antwort auf diese Frage ist nicht möglich. Es hängt von den verschiedensten Faktoren ab, wie zum Beispiel vom eingesetzten 3D Druck Verfahren. Günstige FDM 3D Drucker Bausätze gibt es heutzutage bereits ab ca. 100€. Diese werden mit der Zeit besser und eignen sich als 3D Drucker zum Selberbauen inzwischen auch für Einsteiger.
3D Drucker, die eher im höheren Preissegment anzusiedeln sind, müssen nicht aufgebaut werden und eignen sich nicht nur für Kleine und Mittlere Unternehmen (KMU) sowie Prosumer, sondern auch für Großunternehmen und Privatanwender mit hohen Ansprüchen an einer gleichbleibenden Druckqualität. Ultimaker 3 werden zum Beispiel ab ca. 3500€ gehandelt und bieten neben einer erhöhten Prozesssicherheit auch weitere Features wie den Support durch den Hersteller oder ihren Distributoren in Deutschland.
Stereolithografie 3D Drucker können im Preissegment ab 3600€ eher gefunden werden, wobei im benachbarten DLP Verfahren (Digital Light Processing) heutzutage erste 3D Drucker wie der Wanhao Duplicator 7 auch schon um die 500€ inkl. Versand aus China kosten und auch gute Ergebnisse liefern.
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Ich wünsche dir viel Spaß auf der Seite und viel Spaß mit deinem 3D Drucker!