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3D-Druck bzw. die additive Fertigung von dreidimensionalen Körpern ist die Bezeichnung für Fertigungsverfahren, bei denen Material unterschiedlichen Ursprungs (Kunststoffe, Metalle, Zement, Harze, Keramik, Holz, etc.) Schicht für Schicht aufgetragen wird, bis das Zielobjekt vollständig erzeugt wurde. Dies erfolgt in der Regel computergestützt und -gesteuert.
3D-Druck im Allgemeinen geht auf Erfindungen aus den 1980er Jahren zurück, und das erste Patent für das sogenannte SLA-Verfahren (Erfindung durch Charles Hull) wurde im Jahr 1986 vergeben. Es folgten weitere Patente für die heute bedeutenden SLS- und FDM-Verfahren, womit die wichtigsten Technologien erfunden waren, welche auch heute noch den Markt dominieren.
In den 1990er Jahren erschienen die ersten CAD-Applikationen für den 3D-Druck, so dass sich auch diese Lücke allmählich schloss.
Die 2000er Jahre waren vor allem davon geprägt, dass wichtige FDM Patente im Jahr 2009 ausliefen und die Technologie plötzlich Drittanbietern wie auch einem breiten Publikum von Endanwendern zur Verfügung stand. Innovationen waren die Folge, und eine Reihe von neuen Hardware-Anbietern konnte sich in den drauffolgenden Jahren etablieren und insbesondere den Endanwendermarkt für sich erobern.
Erwähnenswert ist ebenfalls das im Jahr 2005 gestartete RepRap Projekt, eine Open-Source-Initiative des Gründers Adrian Bowyer mit dem Ziel, einen Drucker zu entwickeln, der sich (in Teilen) selbst herstellen bzw. drucken kann.
In 2010er Jahren reifte die Technologie weiter und hat mittlerweile in allen denkbaren Industrien Fuß gefasst. Die Industrien umfassen den Automobilsektor, die Medizintechnik, die Lebensmittelindustrie, die Luft- und Raumfahrttechnik, den Bausektor, Schmuckherstellung und viele mehr. Angespornt unter anderem durch positive Berichterstattung in den Medien hat sich 3D-Druck einen Platz in den Köpfen der Menschen erobert, und FDM-Drucker sind für Endanwender mit kleinem und größerem Budget erschwinglich geworden.
3D-Druck wird nun nicht mehr nur im Bereich “Rapid Prototyping” verwendet, sondern findet ebenfalls seinen Einsatz in Kleinserien und hochpreisigen Bauteilen, deren Geometrie eine konventionelle Herstellungsweise nicht zulässt.
Es gibt eine Vielzahl von unterschiedlichen Druck-Verfahren, wobei der Begriff „Druck“ irreführend ist, da es sich bei den meisten Verfahren nicht um Drucken im eigentlichen Sinne handelt, sondern vielmehr das additive (schichtweise) Aufbringen von Material gemeint ist, um ein Zielobjekt zu erstellen.
Hier ist eine kleine Auswahl von gängigen Verfahren, die Einsatz in der Praxis finden:
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Kürzel |
Name |
Beschreibung |
Materialien |
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SLA |
Stereolithography Apparatus |
Schichtweise Lichtaushärtung von lichtempfindlichen flüssigen Kunststoffen durch einen Laser im UV-Bereich. |
Epoxidharze Acrylharze |
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DLP |
Digital Light Processing |
Schichtweise Lichtaushärtung von lichtempfindlichen flüssigen Kunststoffen durch einen Projektor im UV-Bereich. |
Epoxidharze Acrylharze |
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SLS |
Selective Laser Sintering |
Schichtweises Sintern von pulverförmigen Ausgangsstoffen durch einen Laser. |
Kunststoffe (PA, PS, PEK) |
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SLM |
Selective Laser Melting |
Schichtweises Schmelzen von pulverförmigen Ausgangsstoffen durch einen Laser. |
Metalle Keramik |
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FDM, FLM, FFF |
Fused Depositing Modeling, Fused Layer Modeling, Fused Filament Fabrication |
Schichtweises Schmelzen von Ausgangsstoffen durch Erhitzung in einem Heizelement. |
Metalle Holz Kunststoffe (PLA, ABS, PET, TPU, PC) |
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LOM |
Laminated Object Manufacturing |
Schichtweiser Aufbau von Papier durch Laminieren und anschließendes Schneiden. |
Papier |
Das üblichste Verfahren im Heimbereich ist aktuell das FDM-Verfahren (auch „FLM“ oder „FFF“ genannt), auf welches ich aktuell meinen Schwerpunkt lege.
Die Bezeichnung FDM ist markenrechtlich geschützt und gehört der israelischen Firma Stratasys. Eine weitere gängige Bezeichnung für das Verfahren ist FFF. Wir werden uns in diesem Dokument der Einfachheit halber auf FDM beschränken.
Beim FDM-Verfahren werden Ausgangsstoffe mit Hilfe eines Heizelements und einer Düse auf einem Druckbett aufgebracht und schichtweise aufgebracht, bis das Zielobjekt vollständig erstellt worden ist. Diese Art der Aufbringung wird Extrusion (oder Extrudieren) genannt, wobei die anschließende Erhärtung durch Abkühlung der Schicht ihre gewünschte Stabilität an der gewünschten Stelle verleiht.
Die Schichtstärken im Heimanwenderbereich betragen in der Regel zwischen 50 Mikrometer (0,05mm) für feine und 200 Mikrometer (0,2mm) für gröbere Drucke. Werte darüber wie auch darunter sind ebenfalls denkbar, können aber nicht mit jeder Hardware realisiert werden. Günstige Drucker bieten in der Regel eine minimale Schichtstärke (bzw. maximale Auflösung) von 100 Mikrometer, was in der alltäglichen Praxis auf mehr als ausreichend ist.
In Abhängigkeit von der Geometrie des Zielobjekts können Stützstrukturen notwendig sein, die Neigungen von über 45° unterstützen und sicherstellen, dass Drucke gelingen und die Oberflächenstruktur der Objekte gleichmäßig ist.
FDM ist für den Heimanwenderbereich besonders geeignet, weil hierbei in der Regel Kunststoffe verwendet werden, die für die menschliche Gesundheit unkritisch sind, die Verletzungsgefahr gering ist und inzwischen günstige Drucker zur Verfügung stehen.
Folgende Eigenschaften wirken sich positiv für den Endanwender aus:
- günstige Einsatzstoffe
- günstige Hardware
- geringer Wartungsaufwand für Hardware
- breite Verfügbarkeit von Information
- große Nutzergemeinschaft
- große Verfügbarkeit von druckbaren Objekten und Vorlagen (z.B. www.thingiverse.com)
- geringes Verletzungsrisiko und chemisch unbedenkliche Einsatzstoffe
Details zum Kapitel sind hier zu finden.
Um einen Überblick über die einzelnen Schritte zu bekommen, kann man am folgenden Schaubild orientieren. Auf die einzelnen Schritte werde ich in den kommenden Kapiteln eingehen und genauer erklären, wie man zum Ziel gelangt.
Das erste Lernvideo zum gesamten Druckprozess findest du hier.
Im nächsten Schritt widmen wir uns dem Produkt-Design mit Hilfe eines CAD Programms.
CAD steht für “Computer-Aided Design” und dient dazu, das geometrische Modell eines Produkts mit Hilfe eines Computers zu konstruieren. Um drucken zu können, benötigt ein 3D-Drucker eine Vorlage für dein Modell, und diese Aufgabe erfüllt eine Software.
Es gibt in der CAD Welt eine große Reihe von Lösungen, die zum Teil unterschiedliche Schwerpunkte setzen und in vielen Fällen kommerziell angeboten werden. Ich stelle hier ausschließlich kostenlose Lösungen vor und werde mich jedoch im Folgenden auf FreeCAD konzentrieren. FreeCAD ist “open source” und kostenlos auf der verlinkten Internetseite heruntergeladen werden.
Das zweite Lernvideo für die ersten Schritte mit FreeCAD findest du hier.
Ein sog. Slicer bezeichnet eine Software, deren Aufgabe es ist, ein 3D-Modell in spezifische Anweisungen für einen 3D-Drucker zu übersetzen. Das Modell wird in Form einer STL-Datei in den Slicer importiert, dann werden die Einstellungen vorgenommen, und anschließend wird eine neue Datei erzeugt, der sog. G-Code, der alle Anweisungen für ein gewünschtes Druckerergebnis enthält.
Dazu wird das Modell zuallererst durch die Software in Schichten unterteilt, um diese dann in lineare Bewegungen im dreidimensionalen Raum (X-Y-Z) umzuwandeln.
Weiterhin werden in der G-Code-Datei folgende Einstellungen beschrieben und auf diese Weise an den Drucker übermittelt. Diese ist eine unvollständige Liste und dient nur als erste Orientierung:
- Art des Kunststoffs
- Höhe der einzelnen Druckschichten
- Druckgeschwindigkeiten
- Füllgrad des Objekts
- Temperatur der Düse und des Druckbetts
- Wandstärke
Das ist eine Liste der gängigsten und frei verfügbaren Slicer Programme:
Das dritte Lernvideo für die ersten Schritte mit Cura findest du hier.
Es gibt eine unzählige Menge von anderen Programmen, die beim 3D-Druck behilflich sein können. Besonders hervorstellen möchte ich an dieser Stelle Meshmixer.
Neben vielen anderen Dingen kann Meshmixer dabei helfen, Modelle im dreidimensionalen Raum auszurichten, zu zerschneiden bzw. zu aufzuteilen, auszuhöhlen und Stützstrukturen zu erstellen.
Vermutlich werden viele dieser Funktionen anfänglich nicht gebraucht werden, aber es ist sinnvoll, Meshmixer im Hinterkopf zu behalten, sobald man etwas Erfahrung mit dem Thema 3D-Druck gesammelt hat und sich komplizierteren Problemen stellen muss.
Sobald der Slicer seine Aufgabe erledigt hat und der G-Code generiert wurde, kann der Druck beginnen. Eine ausführliche Erklärung findest du in diesem letzten Lernvideo.
Am Ende des letzten Videos wird dieses Objekt entstanden sein:
Viel Spaß beim Lernen! Das ist erst der Anfang einer spannenden Reise.
