3D Drucker

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Was ist ein 3D-Drucker?

3D-Drucker drucken schichtweise dreidimensionale Werkstücke. Der 3D-Druck erfolgt aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Während des Drucks finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe die in 3D-Druckern verwendet werden sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.


Beim Drucken mit 3D-Druckern handelt es sich um ein generatives beziehungsweise additives Fertigungsverfahren. Das bedeutet, dass das Werkstück auf Basis der rechnerinternen Datenmodelle schichtweise aufgebaut wird. Gussformen oder andere Werkstücke, die die Geometrie des Objekts gespeichert haben, sind nicht erforderlich.

Druckreife 3D-Scans von Menschen für Fotofiguren zu erstellen, ist für die Betreiber von 3D-Print-Stores oft ein zeitraubender Prozess. Zum einen ist die verwendete Scanner-Technologie häufig nicht schnell genug. Zum anderen müssen die Scanergebnisse oft langwierig manuell nachbearbeitet werden, bevor ein 3D-Druck möglich ist. Dieser Prozess, der mitunter Stunden in Anspruch nimmt, lässt sich mit dem professionellen 3D-Bodyscannern deutlich verkürzen.

Geschichte des 3D-Druckers

1983 wurde der 3D-Druck vom US-Amerikaner Chuck Hull erfinden. Er bezeichnete seine 3D-Druck Technologie als Stereolithografie und publizierte im Jahr 1986 seine erste Patentanmeldung.

Obwohl der 3D-Druck bereits seit 30 Jahren existiert, erlebte die Branche erst in den letzten Jahren einen Boom. So verdoppelten sich beispielsweise die Patentanmeldungen von 2011 bis 2013 auf über 550 im Jahr. 2001 lagen die Anmeldungen noch bei 50 Stück im Jahr.

3D-Druck Techniken

Beim 3D-Druck wird ein 3D-CAD-Körper in einzelne Schichten unterteilt und beispielsweise Vektoren eines Laserstrahls für jede Schicht errechnet.
Die Schichtstärke liegt in der Regel zwischen 15 und 150 µm.

Selektives Laserschmelzen

3D-Drucker - Selektives Laserschmelzen

Beim Laserschmelzen wird eine Pulverschicht des Werkstoffes (Metall) aufgetragen und durch den Laser umgeschmolzen. Anschließend wird das Werkstück um eine Schichthöhe abgesenkt und das Pulver neu verteilt. Dies wird wiederholt, bis jede Schicht aufgetragen und so das Werkstück hergestellt wurde. Um den Werkstoff nicht mit Sauerstoff zu kontaminieren, wird der 3D-Druck in einer Schutzatmosphäre mit Argon oder Stickstoff ausgeführt.
Sowohl Kunststoff als auch Metalle, Keramiken und Sand können mit diesem Verfahren verarbeitet werden.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

3D-Drucker - Elektronenstrahlschmelzen

Ähnlich dem selektiven Laserschmelzen wird bei diesem 3D-Druck Verfahren das Werkstück durch das Schmelzen von Pulverschichten erstellt. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass beim Elektronenstrahlschmelzen ein Elektronenstrahl statt eines Lasers verwendet wird um das Metallpulver zu schmelzen. Dieser Strahl wird durch eine megnetisch gelagerte Feder gelenkt.

selektives Lasersintern

3D-Drucker - Selektives Lasersintern

Ebenfalls dem selektiven Laserschmelzen ähnelnd ist das selektive Lasersintern (kurz SLS/SLM). Der Unterschied dieser 3D-Druck Verfahren liegt darin, dass kein reines Metallpulver verwendet wird. Dem Kunststoff oder dem Metall wird ein Binder zugesetzt. Dieses Spezialsinterpulver wird nur partiell aufgeschmolzen, wodurch ein Flüssigphasensinterprozess stattfindet - das Druckmaterial wird verklebt.

Der Vorteil dem Schmelzverfahren gegenüber ist, dass kein geschmolzenes Material abtropfen kann. Dadurch entstehen weniger Ungenauigkeiten.

Fused Deposition Modeling

(auch Fused Filament Fabrication - FFF)

3D-Drucker - Fused Depositoin Mmodeling

Beim Fused Deposition Mmodeling (FDM) wird ein Kunststoff erhitzt und das Werkstück in Bahnen aufgebaut. Dabei wird das Material über eine Spüle zur Düse transportiert. Da es nur knapp über den Verflüssigungspunkt gebracht wurde, erstarrt es sofort nach dem Auftragen. Das Ergebnis dieser kostengünstigen Technik sind relativ detailgenaue Einzelstücke. Durch die raue Oberfläche müssen diese allerdings häufig nachbearbeitet werden. Die Präzision auf der X- und Y-Ebene ist meist gut, auf der Z-Ebene allerdings nur befriedigend. Zudem wir hier meist mit Stützmaterial gearbeitet. Dieses muss nach dem Druck entfernt werden.

Verwendete Thermoplaste sind unter anderem: ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Nylon und PLA (Polylactat)

Laserauftragschweißen

3D-Drucker - Laserschweißen

Beim Laserauftragschweißen wird mittels eines Dioden- oder Faserlasers ein Metallpulver oder -draht über eine Düse auf dem Werkstück aufgetragen. In der Industrie wird das Laserauftragschweißen mit Pulver größtenteils vollautomatisch eingesetzt, wohingegen die Verwendung von Draht manuell erfolgt.

Das Verfahren wird zur Reparatur von teuren und großen Bauteilen oder zur Herstellung von Prototypen verwendet.

Stereolithografie

Stereolithografie an der Hochschule Aalen

Bei der Stereolithografie (kurz STL/SLA) werden flüssige Kunststoffe durch Licht ausgehärtet. Dazu wird das Werkstück in einem Flüssigkunststoffbad hergestellt. Ein Laser härtet die Schichten, während die Arbeitsplatte immer weiter abgesenkt wird. Danach werden Stützkonstruktionen entfernt und das 3D Objekt gehärtet. Mit diesem 3D-Druck Verfahren hergestellte Produkte können sehr genau hergestellt werden, sind aber nicht belastbar.

Film Transfer Imaging (FTI)

3D-Drucker - FTI

Bei dieser Technik wird ein dünner Film des Materials auf einer Transportfolie auftragen. Durch Belichtung an den zu härtenden Stellen wird die Schicht erzeugt. Anschließend wird das Werkstück angehoben, ein neuer Film verteilt und der Vorgang wiederholt. Das FTI bietet eine sehr hohe Genauigkeit, als Werkstoff werden lichtempfindliche Kunststoffe verwendet.

Digital Light Processing (DLP)

3D-Drucker - DLP

Beim DLP handelt es sich um eine Mischung aus den 3D-Drucktechniken FTI und STL. Zugrunde liegt die gleiche Technik wie bei FTI, mit dem Unterschied, dass sich das Werkstück in einem Kunststoffbad befindet.

Multi (Poly)Jet-Modeling

3D-Drucker - PolyJet

Das Multi (Poly)Jet-Modeling ähnelt dem Verfahren von Tintenstrahldruckern. Das Modell wird durch einen Druckkopf mit einer oder mehreren linear angeordneten Düsen schichtweise aufgebaut. Die durch dieses System erzeugten Tröpfchen ermöglichen feine Details bei einer Druckauflösung von bis zu 450 dpi.
Der Druck von Überhängen erfolgt mit Hilfe eines niedriger schmelzenden Wachs oder durch nadelartige Stützen aus dem gleichen Werkstoff.

Als Modellwerkstoff zum 3D-Druck werden häufig UV-empfindliche Photopolymere verwendet. Diese werden nach dem Aufdrucken durch UV-Licht polymerisiert (gehärtet).

3D-Drucker die diese Technik nutzen sind sehr kompakt und können in einer Büroumgebung genutzt werden.

Übersicht - Arten von 3D-Druckern

Extruson: FDM, FFF und sonstige Extrusionsverfahren

Pulver: Pulverbasierter 3D-Druck, EBM, SL, SLM, SLS und 3DP

Jetting: Farb-3D-Druck mittels CJP und MJ (plus Mcor´s Papier 3D-Druck)

Resin: SLA, DLP, LCM und SLT

Spezial: Essens-Drucker, Bio-Plotter und andere speziellere Anwendungen

3D-Drucker Weiterentwicklungen

Glass 3D Printing (G3DP)

3D-Drucker - Glass 3D Printing (G3DP)

In Zusammenarbeit mit dem Department of Mechanical Engineering und dem Glas Lab entwickelte die Mediated Matter Group das G3DP Verfahren. Mit diesem gelang es erstmals transparentes Glas im 3D-Druck zu drucken. Der Druck erfolgt im Brennofen, einer auf 500 Grad Celsius erhitzten Keramikkammer, mit Kalk-Natron-Glas. Dieses wird in einen, über dem Brennofen sitzenden, Schmelztiegel eingefüllt, dessen Temperatur ca. 1100 Grad Celsius beträgt. Durch eine behitzte Düse läuft das Glas in den Brennofen. Der 3D-Drucker verschiebt beim Druck stets den gesamten Schmelztiegel.


Dieses neue Verfahren besitzt noch einige Nachteile. Viele Schritte müssen von Hand erfolgen. Der Druck kann nicht automatisch gestartet oder beendet werden und durch regelmäßiges Nachfüllen verursachte Unterbrechungen sind später am Werkstück sichtbar. Zudem ist eine starke Nachbearbeitung nötig um scharfe Kanten zu entfernen und den Boden zu polieren.

MultiFab - 3D-Drucker und Scanner

3D-Drucker - MultiFab

Der neue 3D-Drucker der im Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) ­des MIT entwickelt wurde, kombiniert Photopolymer-3D-Drucktechnik mit 3D-Scantechniken. Dies ermöglicht es dem Drucker sich selbst zu korrigieren um die Druckgenauigkeit zu erhöhen. Zudem erlaubt das System den Druck um Objekte herum und die Nutzung von zehn verschiedenen Materialien gleichzeitig. So können beispielsweise Sensoren direkt im Objekt integriert oder bewegliche Systeme in einem Zug mit einer Auflösung von 0,04 Millimetern angefertigt werden.

Vorteile von 3D-Druckern

Die Verwendung von 3D-Druckern gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren bietet folgende Vorteile;

  • Keine Herstellung und kein Auswechseln von Formen notwendig
  • Geringer Materialverlust
  • Energetisch günstigere Fertigung
  • Komplexere Formen werden realisierbar
  • Geringe Lagerkosten, Teile werden erst dann gefertigt wenn sie gebraucht werden.
  • Genauigkeit von +- 0,2%
  • Keine Werkzeuge nötig.

Verwendung von 3D-Druckern

3D-Drucker werden zur Herstellung von Prototypen und Modellen verwendet. Auch zur Herstellung von Werkstücken geringer Anzahl werden sie genutzt. Beispielsweise nutzt Boing zur Herstellung ihres Kampfjets F-18 Hornet über 80 Teile die durch das Lasersinter Verfahren erstellt wurden.
Zukünftig möchte auch Airbus zehn Prozent seiner Bau- und Ersatzteile selbst herstellen und hat dazu bereits erste 3D-Drucker angeschafft. Ab 2016 wird mit der Serienproduktion von Bauteilen aus Titan und Edelstahl, zudem ab 2017 von Bauteilen aus Aluminium, begonnen. Airbus erhofft sich dadurch Materialersparnisse von bis zu 90 Prozent sowie filigranere Strukturen die leichter und stabiler sind.

3D-Drucker werden in folgenden Bereichen zur Prototypenentwicklung eingesetzt:

  • Kunst und Design
  • Architektur
  • Modellbau
  • Maschinenbau
  • Automobilbau
  • Bauverfahren (Contour Crafting)

3D-Drucker werden zur Serienfertigung in folgenden Bereichen eingesetzt:

  • Luft- und Raumfahrtindustrie
  • Medizin- und Zahntechnik
  • Verpackungsindustrie
  • Bioprinting

Mass Customization

Die Mass Customization (MC, kundenindividuelle Massenproduktion) beschreibt die Massenproduktion eines Produkts, dass auf die Kundenwünsche angepasst wird. Was früher ein Widerspruch war, kann heute durch den 3D-Druck realisiert werden. Besondern im Bereich des kundenindividualisierten Schmucks ist die MC durch den 3D-Druck bereichts zu beobachten.

Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP) bezeichnet die schnelle Produktion dreidimensionaler Modelle mit Hilfe digital erstellter CAD-Daten durch 3D-Drucker. Die Prototypen werden zur Überprüfung der CAD-Daten und 3D Modelle genutzt. Betrachtet werden dabei Aspekte wie Maße, Passgenauigkeit sowie thermische und mechanische Belastbarkeit.

Somit dient RP zur Senkung der Fehlerquote im tatsächlichen Produktionsprozess und durch Beschleunigung der Entwicklung. Dies wird allgemein auch als Rapid Product Development bezeichnet.

Durch den Einsatz von 3D-Druckern zur Anfertigung maßgeschneiderter Prototypen-Komponenten konnte beispielsweise der Schiffbau- und Marinezulieferer HSVA die Durchlaufzeiten um 70% und die Kosten zum 30% senken.

Inzwischen gibt es weitere Anwendungsgebiete des RP:
Das Rapid Tooling bezeichnet die Herstellung von Werkzeugen, das Rapid Manufacturing beschreibt die Produktion von Klein- und Kleinstserien.

3D-Drucker Hersteller

Hersteller von 3D-Druckern sind:

  • selektives Lasersintern/Selektives Laserschmelzen: Concept Laser, EOS, MTT Technologies, SLM Solutions, ReaLizer
  • Elektronenstrahlschmelzen: Arcam
  • Stereolithografie: 3D Systems, Huntsman
  • Digital Light Processing Modeling: Envisiontec, Rapidshape, Z Corporation
  • Polyjet-Modeling: Objet, Voxeljet
  • Fused Deposition Modeling: Stratasys, Reprap Austria, Bits from Bytes, Makerbot Industries, German RepRap, 3D Systems, iRapid GmbH, Membino GmbH, Multec GmbH, Ultimaking
  • 3D-Sanddruck, -Metalldruck: ExOne

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