3D Druck

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Was ist 3D-Druck?

Mit dem 3D-Druck werden 3-dimensionale Objekte mit einem 3D-Drucker gedruckt. Er wird häufig als Synonym für die Additive Fertigungverwendet, obwohl der 3D-Druck streng genommen nur ein Teilbereich ist. Obwohl wir von "Druck" reden, versteht man unter 3D-Druck mehr als nur das aufbringen von Material auf ein Trägermaterial. Kombiniert mit Lasertechnologie, lässt sich Aluminium-Pulver z. B. zu einem Aluminium-Gegenstand schmelzen.


3D-Druck wird in den nächsten Jahren unsere gesamte Produktion so massiv ändern, dass man von einer Revolution sprechen kann. Schon heute wurden erste Häuser und Autos gedruckt.

Mit dem 3D-Druck können Objekte entstehen, die zu deutlich geringeren Kosten hergestellt werden können. Da Konstruktionen auch einfacher sein können, sind die gedruckten Objekte leichter als über den konventionellen Weg. Auch die Umwelt wird aufgrund geringerer Schadstoffemissionen im Produktionsprozess weniger belastet.

Geschichte des 3D-Drucks

1984 entwickelte Chuck Hull die Stereolithografie und kommerzialisierte diese als Gründer von 3D Systems nur wenige Jahre später. Kurz darauf wurde das FDM und der 3D-Druck mit Pulver (3DP) patentiert. Die Technologie wurde Anfangs für das Rapid Prototyping genutzt um Modelle für die Produktentwicklung anzufertigen. Im Laufe der Zeit erreichten die Anschauungsobjekte durch die Weiterentwicklung der Maschinen, Materialien und Computer die Qualität von Endprodukten. Das Rapid Manufacturing bzw. das Direct Manufacturing war geboren.

Heute ist der Markt stark umkämpft. In großem internationalen Wettkampf streiten sich Hersteller um Patente und kaufen sich untereinander auf. Der 3D-Druck ist sowohl für die Industrie, als auch für Privatanwender, Universitäten und Regierungen interessant. Dies hat große Investitionen in der Wissenschaft und im Bildungsbereich zur Folge um die Technologieführerschaft zu sichern.

Zukunftsprognose für den 3D-Druck

Analysten sagen dem Markt ein starkes Wachstum voraus. Lag der Marktwert des Additive Manufacturing 2013 noch bei 2,2 Milliarden Euro, soll er bis 2023 auf 7,7 Milliarden anwachsen. Gründe dafür sind die immer weiter sinkenden Fertigungskosten für AM mit Metall. Diese sollen um zwei Drittel sinken, und die Fertigungsgeschwindigkeit soll sich erhöhen. Brauchte man 2013 zum Drucken von 10 cm³ noch eine Stunde, soll Prognosen zufolge 2023 in der gleichen Zeit der Druck von 80 cm³ möglich sein - eine Steigerung um 800%.

Mit 3D-Modellen 3D-Objekte drucken

Der 3D-Drucker muss mit 3-dimensionalen Daten gefüttert werden. Die 3D Modelle müssen im Vergleich zum 3D Rendering zusätzliche Kriterien erfüllen, wie z. B. eine gesicherte Wandstärke. Software für die Erstellung von 3D Modellen, erhalten oft eine Zusatzkomponente für den 3D-Druck. Solch eine Software ist z. B. Blender.

Software die zum 3D-Druck benötigt wird

3D-Modellierung
Mit einem Programm zur 3D Modellierung werden die 3D Modelle für das Werkstück erstellt. Dieses Modell wird für den 3D-Druck mit Hilfe eines Slicers und Host-Programms verwendet.

  • MeCube
  • 3DCreative.ly
  • Art of Illusion
  • Autodesk
  • Blender
  • Cinema 4D
  • Cubify
  • Tinkercat
  • Maya

Slicer

Slicer (engl. slice für Scheibe) sind Programme mit denen 3D-Modelle für den 3D-Druck vorbereitet werden. Sie "schneiden" das Modell in Scheiben und generieren die Befehle für den 3D-Drucker. Die meisten Slicer sind Open Source und somit kostenlos.

  • Repetier Host
  • KISSlicer
  • Slic3r
  • Zortax Z-Suite
  • Cura

Host-Programm

Das Host Programm steuert den Drucker. Dazu nutzt es die vom Slicer generierten Befehle. Ein Großteil der 3D-Drucker kommt heute mit einem eigenen Controller, was Host-Programme oft überflüssig macht. Dies gilt allerdings nur, wenn die Daten aus dem Slicer über eine SD-Karte direkt am Drucker eingelesen werden. Wer den 3D-Druck über einen Computer steuer möchte, braucht auch weiterhin ein Host-Programm.

  • Repetier Host
  • Cura
  • MakerBot MakerWare
  • ReplicatorG

3D-Druck im industriellen Umfeld

Die Industrie hat den 3D-Druck schnell für sich entdeckt.
Da durch den 3D-Druck Bauteile hergestellt werden können, die so vorher nicht möglich waren, bildete er schnell seine eigene Nische. Inzwischen wird das Verfahren aber auch noch umfassender eingesetzt. Nachfolgend finden sich ein paar typische Einsatzgebiete für den dreidimensionalen Druck.

Mit dem Rapid Prototyping haben Unternehmen die Möglichkeit unkompliziert und schnell Prototypen anzufertigen. So müssen nicht Teile speziell für den Prototypen angefertigt werden, was viel Zeit und Geld in Anspruch nehmen würde.

Ein weiteres Einsatzgebiet ist die Herstellung von Einzelteilen, deren Lagerung auf herkömmliche Weise nicht wirtschaftlich wäre. Durch den 3D-Druck ist es möglich, diese Teile bei Bedarf herzustellen. Siemens nutzt dies für die Herstellung von Brennerspritzen kleiner Gasturbinen. Der Brennerkopf wird einfach direkt auf den Brennerrumpf aufgedruckt. Dadurch war es möglich die Reparaturzeit um 90% und die Kosten um 40% zu senken.

Auch für Legierungen ist der 3D-Druck geeignet. Es ist beispielsweise möglich, ein Werkstück aus Stahl herzustellen und nur mit einer dünnen Chrom-Nickel-Legierung zu beschichten um eine Korrosionsbeständigkeit gegen Meerwasser zu gewährleisten.

Ebenfalls interessant ist die Nutzung Anwendung für das Rapid Modeling. Hier werden mit Hilfe des 3D-Drucks Layoutentwicklungen und Produktionsplanungen vorgenommen. Die modellierte Fertigungs- bzw. Bürowelt kann anschließend wieder erfasst und in CAD Systemen aufgenommen werden.

Für die Elektronik bietet der 3D-Druck neue Möglichkeiten. Zukünftig kann die Elektronik direkt in das Teil integriert werden.

3D-Druck im Bau

Mit riesigen Druckern lassen sich auch Häuser drucken. Innerhalb weniger Stunden kann so ein Haus zu einem Bruchteil an Zeit und kosten gedruckt werden. Beispielsweise soll so bis 2017 eine 222 Quadratmeter großes Anwesen mit Swimmingpool in den USA mit einem 3D-Drucker realisiert werden. Auch in China werden erste Häuser mit Hilfe des 3D-Drucks gebaut. Eine 24 Quadratmeter Wohnung wird für 4800 US Dollar in nur 24 Stunden gedruckt.

3D-Druck von Häusern

Auch die ESA ist am 3D-Druck von Gebäuden interessiert. Sie plant eine Mondbasis zu errichten, die aus lockerem Sedimentmaterial (Regolith) in einem 3D-Druckverfahren mit Hilfe von Robotern gebaut werden soll.

3D-Druck einer Mondbasis

3D-Druck in der Automobilindustrie

Schon seit mehr als einem Jahrzehnt wird das Rapid Prototyping mit 3D-Druck sowie Lasersintern und -schmelzen für die Automobilindustrie immer bedeutender. Bei der Erstellung von Einzel- oder Kleinserienteilen ist die Technologie kaum zu schlagen. Dies liegt vor allem daran, dass sie keine zusätzlichen teuren Maschinen braucht, ein hohes Maß an Individualisierung mit komplexen Geometrien möglich ist und der ganze Vorgang vergleichsweise schnell geht. Besonders bei kleinen und kleinsten Stückzahlen und im Leichtbau bietet der 3D-Druck Chancen für die Automobil- oder auch Luftfahrtindustrie. so werden beispielsweise jetzt schon für die Formel-1 Turbinenschaufeln mit Hohlraum gedruckt um Gewicht zu sparen. Die Herstellung solcher Teile wäre mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich.

3D-Druck Materialien

Nachfolgend werden die wichtigsten Materialen zur Verarbeitung im 3D-Druck aufgeführt. Nicht jedes Material lässt sich mit jedem Drucker verwenden.

ABS

ABS – Acrylnitril Butadien Styrol ist ein Thermoplastik. Es wird zur Herstellung von Haushaltsgeräten verwendet. Nach der Verarbeitung hat es eine glatte Oberfläche, ist sehr steif und belastbar. Temperaturen von bis zu 80 °C hält das Material aus. Es eignet sich zur Herstellung von beweglichen mechanischen teilen und wird durch das Schmelzverfahren gedruckt.

Carbon

Kohlefaser wird voraussichtlich zukünftig viele Aufgaben des Metalls übernehmen. Besonders in der Raumfahrt, Automobilindustrie und der Rüstungstechnik kommen bereits 3D gedruckte Teile zum Einsatz. Dies liegt besonders an den besonderen Eigenschaften des Carbons: Es ist zwanzig Mal so Stabil wie Stahl, wiegt aber ur einen Bruchteil.

Gips

Gips wird in der Regel mit einem Sintern Verfahren verarbeitet. Gemischt mit Harzen wird es zur Herstellung dekorativer Modelle verwendet.

Holz

Mischt man pulverisiertes Holz mit einem Polymer lassen sich sehr gute 3D-Drucke erzielen. Die dadurch hergestellten Bauteile oder Skulpturen fühlen sich wie Holz an und riechen sogar danach.

Bioprinting

Durch Bioprinting soll es zukünftig möglich sein, Gewebe aus gezüchteten Zellen mit 3D-Druckern herzustellen. Aus diesen Zellen sollen Organe oder künstliches Fleisch für die Lebensmittelindustrie entstehen. So sollen Spenderorgane durch die künstlichen Organe ersetzt und die Schlachtung von Tieren durch künstliches Fleisch verhindert werden.

Metall (Aluminium, Chrom, Edelmetalle, Nickel, Stahl)

Metalle werden vor allem mittels des selektive Lasersintern, des selektive Laserschmelzen und des Elektronenstrahlschmelzen verarbeitet. Die werden zur Herstellung von Prototypen hergestellt. Nach der Verarbeitung sind sie stabil, besitzen das Gewicht des Endprodukts und verhalten sich für Tests so wie das finale Produkt.

Die Metallverarbeitung mit 3D-Druckern wird auch im Modedesign, beispielsweise zur Schmuckherstellung, genutzt.

Polyamide

Hierbei handelt es sich um eine Gruppe von Thermoplastiken. Verarbeitet wird es in der Regel mit der Lasersintern Technik. Nach der Verarbeitung hat es eine glatt oder leicht raue Oberfläche. Temperaturen von bis zu 70 °C hält das Material aus.

Polymethylmethacrylate

Polymethylmethacrylate (PMMA) sind auch unter dem Namen Acrylglas bekannt. Es ist ein harter Kunststoff, der sich wie Glas anfühlt. PMMA eignet sich zur Herstellung von Modellen mit hoher Detailvielfalt. Nach der Verarbeitung hat es eine raue Oberfläche. Da PMMA zwar hart aber nicht flexibel ist, eignet es sich nicht zur Herstellung von Bauteilen.

Silikon

Zur Herstellung von Prothesen wird in der Medizin Silikon durch 3D-Druck verarbeitet. Der 3D-Druck ermöglicht das exakte Herstellen und Prothesen für Patienten.

Literatur 3D-Druck

  • Gebhardt, Andreas: Generative Fertigungsverfahren | Dieses Buch für Fortgeschrittene beschreibt von Grund auf in 6 Kapiteln wie (industrielle) Fertigungsverfahren im 3D-Druck funktionieren.
  • Hausmann, Kalani Kirk; Horne, Richard: 3D-Druck für Dummies | Die Grundlagen des 3D-Drucks so wie der Bau eines RepRap 3D-Druckers erklärt. 2014
  • A. Kindtner, M. Kindtner, W. Kollenberg: Realisierung keramischer Prototyping mittels 3D-Druck und Heißgießen. In: Werkstoffzentrum Rheinbach
  • Lipson, Hob; Kurman, Melba: Die neue Welt des 3D-Drucks | Dieses Buch beleuchtet verschiedene Facetten der 3D-Drucks und wirft einen Blick in die Zukunft. 2014

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