3D-Druck

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck ist der Prozess des schichtweisen Aufbaus dreidimensionaler Objekte. Auch bekannt als additive Fertigung, ist es das Gegenteil der subtraktiven Fertigung, bei der ein fertiges Design aus einem größeren Materialblock herausgeschnitten oder geschnitzt wird, ähnlich wie bei einer Skulptur.

Häufig verwendete 3D-Druckmaterialien sind Thermoplaste wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Metalle, Harze und Keramiken.

3D-Modellierungssoftware macht den 3D-Druck möglich. Sie ermöglicht mehr Kreativität und Experimentieren, indem Prototypen schnell, einfach und kostengünstig erstellt werden. Da sie detaillierte, komplizierte Designs mit weniger Material als subtraktive Techniken wie Bohren, Schweißen und Spritzgießen herstellen kann, reduziert der 3D-Druck Materialabfall.

Sobald das Design fertig ist, baut die 3D-Drucksoftware Schichten von Material auf, um ein tatsächliches dreidimensionales Objekt zu formen.

3D-Druck Software

Software, die 3d-druck als Funktion oder Begriff erwähnt.

Autodesk Fusion

DigiFabster

Ultimaker Cura

Solid Edge

Tinkercad

Shapr3D

Komponenten eines 3D-Druckers

Um die Arten des 3D-Drucks besser zu verstehen, werden einige wichtige Komponenten von 3D-Druckern unten erläutert.

• Die Steuerplatine ist das Herz eines 3D-Druckers, da sie Anweisungen an alle anderen Komponenten überträgt. Sie bestimmt auch die richtige Schmelztemperatur für die Formgebung des zu druckenden Objekts.
• Das Filament ist das Rohmaterial, das zum Drucken von Objekten benötigt wird. Es handelt sich um einen Kunststoff, der beim Erwärmen schmilzt, anstatt zu verbrennen.
• Der Rahmen beherbergt alle elektrischen und mechanischen Elemente eines 3D-Druckers. Er hält sie in Position und bietet eine Oberfläche zum Drucken von Gegenständen.
• Das Druckbett ist der Ort, an dem das endgültige 3D-Objekt erstellt wird.
• Der Druckkopf ist die Komponente, durch die das Filament eintritt, schmilzt und schließlich die Form des zu druckenden Objekts annimmt.
• Gewindestangen ermöglichen es dem 3D-Druckkopf, sich nach oben, unten und in Zickzack-Formationen zu bewegen.
• Schrittmotoren in einem 3D-Drucker helfen beim Aufbau eines Objekts in mehreren kleinen Schritten. Sie helfen auch, andere Komponenten wie den Druckkopf, das Bett, die Stangen und Schrauben zu bewegen.
• Riemen sind eine weitere Bewegungskomponente des 3D-Druckers. Der Schrittmotor ist über Riemen mit den Antriebsrädern verbunden, die über die Räder passen und es ihnen ermöglichen, sich reibungslos mit dem Motor zu bewegen.
• Endanschläge geben dem Drucker seine Position an und verhindern, dass er die zulässigen Grenzen überschreitet. Sie helfen dem Drucker, seine Achse zu halten und Entgleisungen zu vermeiden.
• Das Netzteil (PSU) versorgt alle anderen Komponenten des Druckers mit Strom.

Arten des 3D-Drucks

Die internationale Organisation für Normung (ISO) klassifiziert dreidimensionale Drucktechnologien in sieben Klassen. Alle 3D-Drucktechniken fallen unter eine der folgenden Kategorien.

• Binder Jetting trägt eine dünne Schicht aus pulverförmigem Material, wie Metall, Polymer-Sand oder Keramik, auf die Bauplattform auf, woraufhin ein Druckkopf Klebstoffe abgibt, die die Partikel binden. Binder Jetting druckt 3D-Metall, vollfarbige Prototypen und großformatige Keramikformen.
• Direkte Energieabscheidung verwendet einen Laser, Elektronenstrahl oder elektrischen Lichtbogen, um Draht- oder Pulvermaterial zu verschmelzen. Die Technik baut Schichten horizontal auf und stapelt sie vertikal, um Teile zu erstellen.
• Materialextrusion oder Fused Deposition Modeling (FDM) liefert eine Spule aus Filament, die einem Extrusionskopf mit einer beheizten Düse zugeführt wird. Der Extrusionskopf erhitzt, erweicht und legt Material an vorbestimmten Positionen ab, um abzukühlen und eine Schicht zu erstellen. Die Bauplattform gleitet dann nach unten, um zur nächsten Schicht zu wechseln.
• Material Jetting trägt flüssiges Material von einem oder mehreren Druckköpfen auf eine Oberfläche auf, anstatt Tinte auf eine Seite. Jede Schicht wird vor dem Stapeln ausgehärtet. Material Jetting benötigt Stützstrukturen aus wasserlöslichem Material, die nach Abschluss abgewischt werden können.
• Pulverbettfusion (PBF) ist eine Technik, bei der Wärmeenergie, wie ein Laser oder Elektronenstrahl, verwendet wird, um selektiv Bereiche eines Pulverbetts zu verschmelzen, um Schichten zu erzeugen, die dann gestapelt werden, um eine Komponente zu bauen.
• Schichtlaminierung hat zwei unterschiedliche Technologien: Laminated Object Manufacturing (LOM) und Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). LOM verwendet abwechselnde Schichten von Material und Klebstoff, um Produkte mit visueller und ästhetischer Anziehungskraft herzustellen, während UAM dünne Metallschichten durch Ultraschallschweißen kombiniert.
• Vat-Polymerisation umfasst Stereolithographie (SLA) und Digital Light Processing (DLP). Diese Techniken erzeugen Komponenten schichtweise, indem ein Laser verwendet wird, um das flüssige Harz in einem Behälter selektiv zu härten. SLA verwendet einen Einzelpunktlaser oder eine ultraviolette (UV) Quelle zur Aushärtung, während DLP ein einzelnes Bild jeder vollständigen Schicht auf die Oberfläche des Behälters projiziert.

3D-Drucktechnologien

Sintern, Schmelzen und Stereolithographie sind die drei Hauptformen der 3D-Drucktechniken.

1. Sintern ist ein Prozess, der hochauflösende Objekte durch Erhitzen des Materials ohne Schmelzen erzeugt. Metallpulver wird für das direkte Metallasersintern verwendet. Thermoplastische Pulver werden für das selektive Lasersintern verwendet.
2. Schmelzmethoden des 3D-Drucks umfassen Pulverbettfusion, Elektronenstrahlschmelzen und direkte Energieabscheidung. Diese Techniken verwenden Laser, elektrische Lichtbögen oder Elektronenstrahlen, um Dinge durch Verschmelzen von Materialien bei hohen Temperaturen zu drucken.
3. Stereolithographie verwendet Photopolymerisation zur Herstellung von Teilen. Diese Methode härtet und verfestigt selektiv einen Querschnitt eines Objekts, indem die richtige Lichtquelle mit dem Material kombiniert wird.

Vorteile des 3D-Drucks

Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungstechniken hat die 3D-Drucktechnologie mehrere Vorteile. Zu diesen Vorteilen gehören diejenigen, die mit Design und Kosten verbunden sind.

• 3D-Druck erstellt komplexe, maßgeschneiderte geometrische Teile, die einfach und kostengünstig sind. Es verwendet weniger Material als subtraktive Produktionsprozesse, was es billiger macht. Darüber hinaus sind die Kosten eines Teils direkt proportional zum Material, zur Zeit und zu den Nachbearbeitungsverfahren, was es zu einem kosteneffektiven Prozess macht.
• Computer-Aided Design (CAD)-Systeme, die im 3D-Druck verwendet werden, machen Produktänderungen einfach und wertvoll.
• Dieses Verfahren ist ideal für Prototyping-Tools, da es kleine Chargen und Inhouse-Produktion ermöglicht, was zu schnelleren Produktionsprozessen führt, die weniger von Lieferketten abhängig sind.
• 3D-Druck verwendet oft Kunststoffe und Metalle, aber Komponenten können aus kundenspezifischen Materialien hergestellt werden. Zum Beispiel können Materialien mit hoher Hitzebeständigkeit, Wasserdichtigkeit oder Festigkeit verwendet werden, um spezifische Anforderungen zu erfüllen.
• Es reduziert drastisch die Vorlaufzeiten durch Just-in-Time (JIT) und On-Demand-Produktion. Bei JIT werden Produkte direkt vom Lieferanten an das Unternehmen geliefert, wobei das Lager umgangen wird. On-Demand-Fertigung bedeutet, einem Kunden das richtige Produkt zu liefern, wenn er es benötigt.

Einschränkungen des 3D-Drucks

Obwohl die Vorteile der 3D-Drucktechnologie zahlreich sind, können Benutzer auf einige dieser häufigen Einschränkungen stoßen.

• Bestimmte 3D-gedruckte Artikel, wie solche aus Metall, sind stark, aber die meisten anderen neigen dazu, zerbrechlich zu sein. Der schichtweise Aufbau verringert die Festigkeit um 10–50 % im Vergleich zur subtraktiven Konstruktion.
• Der Mangel an Skaleneffekten im 3D-Druck macht große Produktionsläufe teurer. Darüber hinaus ist der 3D-Druck für die Massenproduktion noch nicht wettbewerbsfähig.
• Die Genauigkeit der gedruckten Teile wird durch die verwendete Maschine und die Methoden bestimmt. Herkömmliche Drucker mit weniger Toleranz für Abweichungen können erheblich unterschiedliche Komponenten von den Entwürfen produzieren.
• Die meisten 3D-gedruckten Artikel erfordern Nachbearbeitung. Dies kann Schleifen oder Glätten umfassen, um ein gewünschtes Finish zu erzielen, das Entfernen von Stützstreben, um Materialien in die gewünschte Form zu bringen, Wärmebehandlung, um bestimmte Materialeigenschaften zu erreichen, oder Endbearbeitung.
• Da der 3D-Druck als Technologie wächst, ist eine große Herausforderung, die seine Einführung verlangsamt, der Mangel an Fähigkeiten und Fachwissen auf diesem Gebiet.

3D-Druck vs. Spritzguss vs. Harzdruck

3D-Druck ist eine additive Druckmethode, die Material schichtet, um Objekte zu formen. Während der 3D-Druck insgesamt ein langsamerer Prozess ist, ist er schneller einzurichten und erlaubt häufige Designänderungen. Er eignet sich besser für komplizierte Designs.

Spritzguss verwendet eine Form, die mit geschmolzenem Material gefüllt wird, das beim Abkühlen aushärtet, um Teile zu erzeugen. Der Spritzgussprozess ist überlegen für die Massenproduktion mit geringem Materialabfall.

Harz-3D-Druck ist allgemein bekannt als Vat-Polymerisation. Hier wird ein flüssiges Photopolymerharz in einem Behälter aufbewahrt. Die meisten Harzdrucker enthalten das, was als Vat bekannt ist, ein Behälter mit einem transparenten, flexiblen Bodenblatt, gefüllt mit lichtempfindlichem Harz, das aushärtet oder erhärtet, wenn es UV-Licht ausgesetzt wird.

Harz führt zu feineren Details als jeder normale 3D-Drucker, und das fertige Produkt erfordert oft weniger Nachbearbeitungsarbeit. Der Nachteil ist, dass die Bauplatten oft kleiner sind, was die Erstellung größerer Objekte verhindert.

Jeder Produktionsprozess hat seine eigenen Vorzüge, und sie können in Kombination verwendet werden.

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