Grundbegriffe des 3D-Drucks

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Da sich die meisten in meiner kleinen Umfrage auch für 3D-Druck interessiert haben, freue ich mich den ersten Beitrag meiner neuen Kategorie 3D-Druck mit euch zu teilen. Bevor wir uns ans Werk machen, möchte ich euch in diesem Beitrag die Basics des 3D-Drucks und grundlegende Begriffe erklären. Ein bisschen Theorie muss leider sein, aber dafür gibt es auch coole Fotos versprochen!

3D-Druck Stereolithografie Objekte von formlabs

Verschiedene Objekte hergestellt mit einem 3D-Drucker (Foto: formlabs)

Schmuck hergestellt mit dem 3D-Drucker

Auch Schmuck kann man mit Hilfe eines 3D-Druckers herstellen (Foto: formlabs)

Inhaltsverzeichnis

  1. Die Entstehung des 3D-Drucks
  2. Wie funktioniert das 3D-Drucken?
  3. 3D-Druckverfahren
  4. Wie erstelle ich ein digitales 3D-Modell?
  5. Brauche ich einen eigenen 3D-Drucker?

1. Die Entstehung des 3D-Drucks

Hättet ihr gedacht, dass der Grundstein für den 3D-Druck bereits im Jahr 1984 durch die Erfindung der Stereolithografie (SLA) von Charles Hull gelegt wurde? Die Methode: ein lichtempfindliches Harz wird mit Hilfe eines UV-Lasers punktuell ausgehärtet. Das generative Fertigungsverfahren (oder auch additive Fertigung, engl.: additive manufacturing), der 3D-Druck wie wir ihn heute kennen, wurde geboren. Damit werden alle Verfahren bezeichnet, die ein 3D-Modell durch schichtweises (additives) Hinzufügen, Auftragen und Ablagern von Material erzeugen. Der Stoffzusammenhalt der einzelnen Schichten wird dabei durch Schmelzen oder Aushärten des eingesetzten Materials geschaffen. Grundlage hierfür ist ein digitales 3D-Modell, das mit Hilfe eines CAD-Programms erstellt und vom Drucker eingelesen wird.

In den 1990er Jahren etablierte sich der 3D-Druck mehr und mehr in der Industrie und ermöglichte neue Wege des industriellen Prototypings. Anfang der 2000er wurden vermehrt medizinische Anwendungen wie zum Beispiel Prothesen entwickelt. Als schließlich 2009 das Patent für ein wichtiges 3D-Druck Verfahren (FDM) ablief, wurde die 3D-Technik plötzlich für die Öffentlichkeit zugänglich und der 3D-Druck erlebte eine kleine Revolution. Sowohl in der Industrie, als auch im Privatgebrauch wird der 3D-Druck seitdem vermehrt als Fertigungsmethode eingesetzt.

2. Wie funktioniert das 3D-Drucken?

Ein 3D-Drucker funktioniert ähnlich wie ein normaler Tintenstrahldrucker… nur eben dreidimensional. Das Material wird in einzelnen Schichten auf eine Plattform aufgetragen, was durch verschiedene Verfahren erfolgen kann. Genauso unterscheidet sich auch der Stoffzusammenhalt der einzelnen Schichten von Verfahren zu Verfahren. Meistens wird das Material aber geschmolzen oder durch UV-Licht ausgehärtet. Oft werden zum Aufbau der 3D-Objekte Stützstrukturen benötigt (um Überhänge im Modell zu ermöglichen), die dann in einem Nachbearbeitungsschritt wieder entfernt werden müssen.

Folgende Schritte sind notwendig, um ein Modell mit dem 3D-Drucker zu erstellen:

  1. Erstellung eines digitalen 3D-Modells mit Hilfe eines CAD-Programms
  2. Vorbereitung des digitalen 3D-Modells für den 3D-Druck (Ausrichtung und Erstellung von Stützstrukturen)
  3. Einlesen der Druckdatei vom 3D-Drucker
  4. Druckvorgang
  5. Nachbearbeitung des 3D-Modells (Säubern, Entfernung der Stützstrukturen, Finish)

3. 3D-Druckverfahren


Die drei gängigsten 3D-Druck Verfahren im Überblick:

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling Verfahren (FDM) für den Privatgebrauch

Fused Deposition Modeling Verfahren (Foto: Jonathan Juursema; Link, Lizenz)

Das wohl beliebteste und preiswerteste Verfahren für den Privatgebraucht ist das FDM-Verfahren (Schmelzschichtungsverfahren). Auf dem Foto ist schon gut zu erkennen wie es funktioniert. Das Material ist ein sogenanntes Filament, ein spezieller Kunststoffdraht, das bis zum Schmelzen erhitzt wird und dann mit Hilfe einer Düse schichtweise auf eine Plattform aufgetragen wird. Das Filament wird so Schicht für Schicht miteinander verbunden, bis ein fertiges 3D-Objekt entstanden ist. Zum Aufbau der Modelle werden Stützstrukturen benötigt, die nachträglich entfernt werden müssen. Ein großer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass sehr stabile Kunststoffe eingesetzt werden können. Nachteil ist allerdings, dass keine glatten Oberflächen durch dieses Verfahren entstehen. Die einzelnen Schichten bleiben ohne Nachbearbeitung  (z.B. Schleifen) im fertigen Objekt erkennbar.

Beispiel-Objekt über FDM-Verfahren gedruckt

Erkennt ihr die einzelnen Schichten des FDM-Drucks? (Foto: Creative Tools; Link, Lizenz)

Stereolithografie (SLA)

Stereolithografie Druckverfahren mit formlabs Drucker

Invertierte Stereolithografie Verfahren am Beispiel eines Formlabs Druckers (Foto: formlabs)

Die Stereolithografie ist das älteste 3D-Druckverfahren. Das 3D-Modell entsteht durch selektives Aushärten eines Photopolymers (Kunstharz) mit Hilfe eines UV-Lasers. Der Druckvorgang erfolgt bei den meisten Desktop-Maschinen umgekehrt (invertiert). Das bedeutet, die Druckplattform wird von oben in das flüssige Harz getaucht und Schicht für Schicht herausgehoben. Dabei härtet ein von unten durch den Tank strahlender Laser die einzelnen Harzschichten aus. Wie beim FDM-Verfahren auch werden für das SLA-Verfahren Stützstrukturen zum Drucken des Objekts benötigt. Zusätzlich müssen die Teile nach dem Drucken noch vom überschüssigen Harz befreit und unter UV-Licht nachgehärtet werden. Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Genauigkeit und gute Oberflächenbeschaffenheit der Drucke.

Selektives Lasersintern (SLS)
Druck mit Hilfe des SLS Verfahrens

3D-Modelle im losen Kunststoffpulver nach dem Selektiven Lasersintern (Foto: fdecomite; Link, Lizenz)

Beim Selektiven Lasersintern können komplizierte Formen durch Verschmelzen eines Kunstoffpulvers mit Hilfe eines Laserstrahls erzeugt werden. Das Pulver wird so Schicht für Schicht miteinander verbunden. Danach wird das lose Pulver entfernt und das fertige Modell freigelegt. Ein großer Vorteil dieser Methode ist, dass keine Stützstrukturen benötigt werden, weil das umliegende Pulvermaterial als Stütze dient. Somit spart man sich viel Nachbearbeitungszeit.

SLS 3D-Druckverfahren

Vom Pulver befreite Modelle hergestellt durch Selektives Lasersintern (Foto: fdecomite; Link, Lizenz)

4. Wie erstelle ich ein digitales 3D-Modell?

CAD-Software für den 3D-Druck

Erstellung eines 3D-Modells am Computer mittels einer CAD-Software (Foto: formlabs)

In diesem Zusammenhang fällt wieder der Begriff CAD-Modell. Unter CAD (engl.: computer aided design) versteht man eine dreidimensionale computergestützte Technologie, mit der 3D-Modelle erzeugt werden können. Man spricht von einer 3D-Konstruktion eines Bauteils bzw. Modells. Dieses digitale Modell wird benötigt um daraus dann ein echtes 3D-gedrucktes Objekt erstellen zu können. Hierzu gibt es verschiedene kostenpflichtige, aber auch viele kostenlose CAD-Softwareprogramme. Schritt für Schritt werde ich euch zeigen wie ihr mit einem CAD-Programm eure eigenen Ideen umsetzen und letztendlich auch drucken könnt. Man muss kein Ingenieur sein um solche Konstruktionen am Computer erstellen zu können, alles kein Hexenwerk! Alternativ kann man aber auch kostenlose bereits erstellte CAD-Datensätze für den 3D-Drucker im Internet herunterladen oder eigene 3D-Scans von Objekten erstellen.

5. Brauche ich einen eigenen 3D-Drucker?

3D-Drucker von Ultimaker

Brauche ich einen oder brauche ich keinen eigenen 3D-Drucker? (Foto: Creative Tools; Link, Lizenz)

Zu guter Letzt die Frage: brauche ich einen eigenen 3D-Drucker? Natürlich NICHT! Wer kauft sich schon einen eigenen 3D-Drucker? Zugegeben, ich hätte gerne einen… dabei sind die kleinen Desktop-Modelle für Zuhause gar nicht mal soo teuer. Zwischen 300 und 2000€ kosten kleine 3D-Drucker für den Privatgebrauch im Durchschnitt. Machbar also! Trotzdem gibt es genug Gründe sich nicht gleich einen eigenen 3D-Drucker anzuschaffen. Es gibt viele Online Services, wie besipielsweise i.materialiseShapeways und Sculpteo, die dich genau auf diese Branche spezialisiert haben. Einfach CAD-Daten hochladen, Material auswählen, 3D-Drucken und nach Hause schicken lassen. So einfach kann das Leben sein 😉

Ich hoffe ich konnte euch einen kleinen Einblick in die Welt des 3D-Drucks geben und vielleicht sogar das Interesse für meine neue Kategorie 3D-Druck wecken.

Grüße

Isabella

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