Foto: Modell eines Arbeitsplatzes mit funktionierenden Schubladen, Rollen usw. aus dem 3D-Drucker
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3D-Druck – eine kurze Übersicht

Technologie

Der Begriff „3D-Druck“ hat sich als Oberbegriff für additive Fertigungsverfahren etabliert.
Mit additiven Fertigungsverfahren können Bauteile in der endgültigen Form in einem Arbeitsgang produziert werden. Weitere Bearbeitungsschritte sind unter optimalen Bedingungen nicht mehr nötig, sehr wohl aber ein Nachbereitung um z.B. Stützmaterial zu entfernen. Häufig wird das von der Firma Statasys entwickelte FDM®-Verfahren eingesetzt („Fused-Deposition-Modeling“). Hierbei wird Kunststoff mittels Hitze verflüssigt und durch eine feine Düse in dünnen Schichten auf ein – meistens – beheiztes Druckbett aufgetragen. Dieser Prozeß wird auch als Schmelzschichtverfahren oder FFF („Fused Filament Fabrication“) bezeichnet. Die hierfür verwendeten Drucker arbeiten ähnlich wie ein Zeichenplotter. Der Druckkopf wird in zwei Achsen (X- und Y-Achse) verfahren um eine Schicht zu drucken. Nach jeder Schicht wird das Druckbett - entsprechend der Dicke einer Schicht - abgesenkt (Z-Achse) und eine neue „Lage“ kann gedruckt werden. Das Material wird von einer Rolle abgespult und durch einen Motor in den beheizten Druckkopf gepreßt. Beim 3D-Druck ist es üblich, dass nur die äußere Hülle eines Bauteils „massiv“ ist. Im inneren werden lediglich Stützstrukturen gedruckt. Der Umfang an Stützstrukturen wird in Prozent angegeben. 0 Prozent bedeuten, das nur die äußere Hülle gedruckt wird, 100 Prozent stehen somit für ein massiv gedrucktes Bauteil.


3D Drucker

Das Angebot an 3D-Druckern wächst ständig. Es reicht vom einfachen Bausatz für den Schreibtisch (Schmelzschichtverfahren) bis zu großen tonnenschweren Anlagen für die industrielle Serienproduktion. Die Steuerung erfolgt, wie bei anderen Werkzeugmaschinen, über sogenannten G-Code.
Die Druckergebnisse der verschiedenen Drucker und Verfahren unterscheiden sich dabei nicht nur in der Genauigkeit oder in der Qualität der Bauteile sondern vor allem in den möglichen Abmessungen, den einsetzbaren Materialsorten, der Druckgeschwindigkeit oder z.B. der Möglichkeit ohne Unterbrechung in verschiedenen Farben drucken zu können. Welcher 3D Drucker und welche Technologie für eine bestimmte Anwendung geeignet ist hängt von vielen Faktoren ab, z.B.:
  • Material der zu fertigenden Bauteile
  • Benötigte Abmessungen, Formen und Toleranzen
  • Farben und Oberflächen
  • Eigenschaften der Bauteile, z.B. Hitzebeständigkeit, Flexibilität, bewegliche Teile, Lebensmittelechtheit
  • Prototypen oder gebrauchsfertige Serienteile
  • Losgröße und Druckgeschwindigkeit

Beispiel für einen 3D Drucker: Ultimaker 2

Das Foto zeigt einen Drucker des niederländischen Herstellers Ultimaker. Der Drucker kann Bauteile in einer Größe von bis zu 235 x 225 x 205 mm im Schmelzschichtverfahren (FDM) drucken. Die Genauigkeit ist sehr gut, eine Schichtauflösung von 0,02 mm ist möglich. Die Druckgeschwindigkeit liegt in Abhängigkeit von der geforderten Genauigkeit im Bereich von 30 bis 250 mm/s.

Hinweis: Ich verwende einen Drucker vom Typ Ultimaker 2. Der Drucker wurde von mir gekauft, ich stehe in keiner geschäftlichen Beziehung zur Firma Ultimaker.

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Quelle: Ultimaker

Beispiele für Druckmaterialien (Schmelzschichtverfahren)

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)
Beschreibung: Thermoplastischer Kunststoff auf Erdölbasis
Verarbeitungstemperatur: Ca. 250°C
Max. Bauteiltemperatur: < 80°C
Vorteile: Öl und säurebeständig,
Nachteile: Basiert auf Erdöl, beim Drucken entstehen schädliche Dämpfe, Verzug und Schrumpfung beim Abkühlen
Sorten: Viele Farben und lebensmittelechte Filamente erhältlich.

PLA (Pollyactid)
Beschreibung: Thermoplastischer Biokunststoff aus Milchsäuremolekülen
Verarbeitungstemperatur: Ca. 210°C
Max. Bauteiltemperatur: < 50°C
Vorteile: Biokompatibel, biologisch abbaubar, öl und säurebeständig, wasserabweisend
Nachteile: Wird schon bei relativ niedrigen Temperaturen weich
Sorten: Viele Farben, transparente, flexible und lebensmittelechte Filamente erhältlich

Das Angebot an Materialien wird ständig erweitert.

Das Druckverfahren, das Druckmaterial und das zu fertigende Bauteil hängen voneinander ab. Diese Abhängigkeit muss auch in der Konstruktion berücksichtigt werden.


Für den 3D Druck konstruieren

Für die Entwicklung von Bauteilen ist es von besonderer Bedeutung, ob die Teile in Serie gedruckt werden sollen, oder ob lediglich die Prototypen zu drucken sind und die Serienteile mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Nicht jedes traditionelle Fertigungsverfahren läßt sich mit 3D Druck abbilden. Umgekehrt ergeben sich durch den 3D Druck neue Möglichkeiten, welche mit den klassischen Methoden, wie z.B. Gießen, Bohren, Drehen oder Fräsen nicht machbar sind.
Ein wesentlicher Vorteil des Druckens liegt darin mit sehr komplexen Formen Gewicht und / oder die Anzahl der Einzelkomponenten reduzieren zu können. Die Komplexität hat praktisch keine Auswirkungen auf die Druckzeit. D.h. einen einfachen Würfel zu drucken dauert genau so lange wie ein hoch komplexes Teil mit Freiformoberflächen so lange das Volumen gleich ist.


Von der Idee zum Bauteil (Beispiel "Schlüsselanhänger")

Die Umsetzung einer Idee bis zum „Produkt“ folgt dem klassischen Entwicklungsprozess:
  • Produktidee
  • Anforderungsliste
  • Handskizze
  • Umsetzung mit 3D-CAD System
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  • Export der 3D-Daten als STL Datei
  • Erstellen der Druckdatei
  • Drucken
  • Testen
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Abhängig vom Ergebnis wird der Ablauf wiederholt, bis das gewünschte Ergebnis erzielt ist.


Nachbearbeitung

  • Lackieren, Kleben, Spachteln, Feilen und Schleifen sind Methoden zur weiteren Bearbeitung von gedruckten Teilen.
  • Der Zusammenbau von größeren Teilen aus Einzelteilen kann aber z.B. auch durch „Stecken“, wie bei den berühmten Bausteinen aus Dänemark erfolgen.
  • Eine weitere interessante Möglichkeit bietet sich durch Schraubenverbindungen. Hierbei kann die „Kernbohrung“ gedruckt werden. Das Gewinde wird anschließend in den Kunststoff geschnitten.


Beispiel für Anwendungen

  • Prototypen und Funktionsmodelle
  • Kleinserien
  • Verbindungselemente
  • Produktionshilfsmittel
  • Modelle zum Prüfen von Einbausituationen und / oder Montagemöglichkeiten
  • Modelle von Maschinen und Anlagen, z.B. um Arbeitsplätze zu optimieren oder die Belegung einer Halle zu planen
  • Architekturmodelle
  • Gußformen
  • Modelle für Messen und Ausstellungen
  • Modelle zur Ausbildung
  • Modell für Kunden, gegebenenfalls auch mit individueller Gestaltung in kleinen Serien
  • Ersatzteile, die am Markt nicht mehr erhältlich sind.