Wie funktioniert 3D-Druck?

Ein additives Fertigungsverfahren ist der 3D-Druck. Additiv bedeutet, dass Materialschichten einfach gestapelt und verschmolzen werden, um Objekte zu erzeugen, ohne dass ein Materialblock oder eine Form benötigt wird. 3D-Druck ermöglicht die Herstellung komplexerer Geometrien als konventionelle Technologien, ist oft schnell, hat niedrige Fixkosten und funktioniert mit einer ständig wachsenden Materialpalette. Der Maschinenbau nutzt 3D-Druck in großem Umfang, insbesondere beim Prototyping und der Entwicklung von Leichtbaugeometrien.

Additive Fertigung und 3D-Druck

Der Begriff „3D-Druck“ wird häufig mit der Maker-Kultur, Amateuren und Enthusiasten, Desktop-Druckern, zugänglichen Drucktechniken wie FDM und kostengünstigen Materialien wie ABS und PLA in Verbindung gebracht. Dies liegt zum Teil an den erschwinglichen Desktop-Druckern, die aus der RepRap-Bewegung hervorgingen, wie dem ursprünglichen MakerBot und Ultimaker, die zur Demokratisierung des 3D-Drucks und dem 3D-Druck-Boom 2009 beitrugen.

3D-Drucktechnologie: Die Zukunft der innovativen Fertigung

3D Drucken Geschichte

Die ersten 3D-Druck-Konzeptprodukte entstanden in den 1970er Jahren. 1981 versuchte sich der japanische Wissenschaftler Dr. Kodama, der als Erster das schichtweise Druckverfahren beschrieb, am 3D-Druck und entwickelte persönlich die SLA-3D-Drucktechnologie (Stereolithographie) – lichtempfindliches Harz, das durch ultraviolettes Licht polymerisiert wird.

Einige Jahre später führte auch der amerikanische Wissenschaftler Charles Hull eingehende Forschungen zur SLA-Technologie durch und reichte 1986 das erste SLA-Patent ein. Er gründete 3D Systems und brachte 1988 sein erstes kommerzielles Produkt, den SLA-1, auf den Markt. (Bild unten)

SLA kann als die am frühesten entwickelte 3D-Drucktechnologie bezeichnet werden. Wann wurden also SLS (Selective Laser Sintering) und FDM (Fused Deposition Modeling) später entwickelt?

1988 patentierte der Amerikaner Carl Deckard an der University of Texas die SLS-Technologie, ein weiteres 3D-Druckverfahren, bei dem ein Laser Pulverpartikel lokal miteinander verschmilzt. Im selben Jahr meldete Scott Crump, einer der Gründer von Stratasys, ein Patent für Fused Deposition Modeling (FDM) an. Von 1980 bis 1990 wurden alle drei Haupttechnologien des 3D-Drucks patentiert, was den Beginn einer Phase rasanter Entwicklung in dieser Branche markierte.

In Europa hat die EOS GmbH ein Designsystem für den 3D-Druck entwickelt: das „Stereos“-System. Heute werden ihre 3D-gedruckten Modelle im industriellen Bereich weltweit für die SLS-3D-Drucktechnologie (Selective Laser Sintering) für Kunststoffe und Metalle eingesetzt.

Im Jahr 1992 wurde das Patent für die 3D-Drucktechnologie FDM (Fused Deposition Modeling) von Stratasys genehmigt. Das Unternehmen entwickelte 3D-Drucker, um den unterschiedlichen Anforderungen vieler Fachleute und Privatpersonen gerecht zu werden.

Von 1993 bis 1999 entstanden in der 3D-Druckindustrie verschiedene Technologien. Gleichzeitig wurden immer mehr neue CAD-Software und 3D-Modellierungssoftware entwickelt, beispielsweise Sanders Prototype (heute Solidscape), das zu den ersten Teilnehmern gehörte.

3D-Druck von Mehrfeldanwendungen

2008 kam die erste 3D-gedruckte Prothese auf den Markt, was die Medienpräsenz des 3D-Drucks weiter steigerte. Man erkannte, dass 3D-Druck nicht nur herkömmliche Teile drucken, sondern auch zur Reparatur des menschlichen Körpers eingesetzt werden kann. Dieses erstaunliche medizinische 3D-Druckprojekt kombiniert alle Teile einer biologischen Gliedmaße und kann ohne anschließende Montage „so wie sie sind“ gedruckt werden. Dank 3D-Scanning werden 3D-gedruckte medizinische Prothesen und Orthesen heute günstiger und schneller hergestellt, um den Bedürfnissen der Patienten gerecht zu werden. Darüber hinaus werden diese Prothesen zunehmend optimiert und an die Morphologie des Patienten angepasst. 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten für die Massenpersonalisierung. (Bild hinzufügen)

2009 war das Jahr, in dem FDM-Patente den Massenkonsum eroberten, was einen neuen Weg für umfassende Innovationen bei FDM-3D-Druckern eröffnete. Als die Preise für Desktop-3D-Drucker sanken, konnten immer mehr Menschen die Entwicklung der 3D-Druckbranche verfolgen.

US-Präsident Barack Obama bezeichnete den 3D-Druck 2013 in seiner Rede zur Lage der Nation als wichtigste Produktionsmethode der Zukunft und machte ihn damit zu einem absoluten Schlagwort. Heute ist er in der Öffentlichkeit sehr präsent. Immer mehr kleine und mittelständische Unternehmen nutzen die Vorteile des kostengünstigen Prototypings durch 3D-Druck und integrieren ihn vollständig in ihre Iterations-, Innovations- und Produktionsprozesse.

3D-Druck-Konzeptauto

Im Bauwesen sind 3D-gedruckte Häuser mittlerweile Realität. 2018 zogen erstmals Menschen in 3D-gedruckte Häuser ein. Das Haus hat eine Fläche von 90 Quadratmetern und ist somit sehr bewohnbar. Der Druck dauerte insgesamt zwei Tage.

Das Klassifizierungssystem des 3D-Drucks zu den Gemeinsamkeiten und Unterschieden zwischen Fertigung und 3D-Druck

Nehmen wir als Beispiel einen ausgehöhlten Ball. Auf seiner Oberfläche befinden sich über ein Dutzend Blumen. Die Bearbeitung mit herkömmlicher spanender Bearbeitung ist sehr aufwendig, da die Muster einzeln geändert werden müssen. Beim 3D-Druck entsteht kein Materialverlust. Daher wird dieser Prozess auch als additive Fertigung bezeichnet. Dabei wird Material schrittweise zur Herstellung physischer Teile verwendet. Bei der herkömmlichen Methode wird zunächst ein Embryo hergestellt, dann das überschüssige Material entfernt und das verbleibende Material erhält die gewünschte Form. Bei Problemen muss die Form geöffnet und geändert werden. Beim 3D-Druck hingegen wird Material schrittweise angesammelt, sodass das fertige Produkt schnell sichtbar ist.

Realisierung der 3D-Drucktechnologie

3D-Drucktechnologie wird in der industriellen Produktion eingesetzt. 3D-Druck benötigt kein physisches Objekt, sondern ein digitales Modell. Um ein reales Objekt vor Ihnen 3D-drucken zu können, müssen Sie es am Computer modellieren oder mit einem 3D-Scanner digitalisieren. So können Sie in nur 15 Minuten drucken. Derzeit wird die 3D-Drucktechnologie in vier Hauptkategorien unterteilt: FDM, DLP/SLA und SLS.

SLS – Lasersinter-Formverfahren

SLS ist ein hochtechnologisches Pulver, das bei hohen Temperaturen durch Laserbestrahlung schmilzt. Verteilen Sie eine dünne Schicht Pulver auf der Werkbank und scannen Sie den Querschnitt der Schicht mit dem Laserstrahl ab, um die Temperatur bis zum Schmelzpunkt zu erhöhen. So wird das Sintern und Verbinden erreicht. Wiederholen Sie das Pulververteilen, Sintern, Schleifen und Trocknen, bis das Modell geformt ist. 3D-Druck ist im Grunde genommen 2D-Druck. Wenn Sie ein Objekt sehr dünn schneiden, werden Sie feststellen, dass jedes Stück eine Form hat. Wenn Sie alle Formen zusammenfügen, erhalten Sie ein dreidimensionales Strukturobjekt. Daher verwenden wir Laser zum Zeichnen von Grafiken. Die Beständigkeit von SLS-Formteilen gegenüber Umwelteinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit und chemischer Korrosion) ist ähnlich wie die von thermoplastischen Materialien. Die Beständigkeit von SLA-Formteilen ist hingegen relativ gering. Beispielsweise sind SLA-Werkstücke, die mit Epoxidharz gegossen werden, anfällig für Feuchtigkeit und Chemikalien. Korrosion, es wird weich und verzieht sich bei Temperaturen über 38 °C, die Formgenauigkeit ist jedoch hoch.

SLA – Stereolithographie-Formverfahren

SLA ist eine lichthärtende Technologie, die in China derzeit relativ weit entwickelt ist. Bei der Stereolithographie wird mit einem Laserstrahl die erste Schicht des Objekts auf die Oberfläche des flüssigen Harzes aufgetragen. Anschließend wird die Produktionsplattform um eine bestimmte Distanz (0,05–0,025 mm) abgesenkt und die erstarrte Schicht in das flüssige Harz eingetaucht. Das verwendete Harz ist lichtempfindlich und verfestigt sich nach der Bestrahlung mit dem Laserstrahl. Das Modell entsteht schnell und präzise.

DLP – Stereolithographie-Formverfahren

DLP-Digitallichtverarbeitung, auch bekannt als Laserformungstechnologie, hat viele Ähnlichkeiten mit der SLA-3D-Drucktechnologie. Vergleicht man die Produktion mit dem Zeichnen eines Kreises mit einem Bleistift, so entspricht die SLA-Technologie dem schichtweisen Zeichnen, während DLP dem direkten Stanzen entspricht. Die von uns angestrebte Massenproduktion hat zwei sehr wichtige Aspekte: Effizienz und Materialkosten. Es gibt einen 3D-Drucker, der hundertmal schneller drucken kann als herkömmliche Fertigungsverfahren, nämlich die Face-to-Face-Technologie, die von Light Prism Technology, einem Unternehmen in Shenzhen, entwickelt wurde. Mit herkömmlichem FDM-3D-Druck dauert das Drucken einer Hohlkugel zwei bis fünf Stunden, im schnellsten Fall eine Stunde, mit der neuesten Face-to-Face-Technologie hingegen nur etwa zehn Minuten. Die Druckgeschwindigkeit ist erstaunlich. Sobald dieser 3D-Druck auf dem Markt ist, wird er das traditionelle Handwerk stark beeinflussen.

FDM – Fused Deposition Molding Process

Im Vergleich zu DLP- und SLS-Technologien ist die FDM-Technologie relativ einfach, sodass sie ein breites Publikum anspricht und leichter in die Branche einsteigt. Der Prototyp wird direkt aus den 3D-CAD-Daten erstellt, indem thermoplastisches Material zu einem halbgeschmolzenen Filament extrudiert und dieses Schicht für Schicht aufgetragen wird. Die Vorteile der FDM-Technologie sind ihre einfache mechanische Struktur, ihr unkompliziertes Design, niedrige Herstellungs-, Wartungs- und Materialkosten sowie die geringe Umweltbelastung. Daher ist FDM auch die am weitesten verbreitete Technologie bei Desktop-3D-Druckern für den Heimgebrauch. Es handelt sich um ein relativ traditionelles Druckverfahren, das ohne Laser auskommt und kostengünstig ist, jedoch nicht über eine hohe Genauigkeit und eine sehr geringe Druckgeschwindigkeit verfügt. Es ist die für jedermann zugänglichste Methode und wird hauptsächlich im Bildungsbereich eingesetzt.

Der Einfluss des 3D-Drucks auf die Fertigung und das traditionelle Handwerk

Vorteile des 3D-Drucks

(1) Individualisierung

Nehmen wir die Zahnmedizin als Beispiel: Jeder Mensch hat andere Zähne, aber der 3D-Druck kann den Widerspruch zwischen kundenspezifischer Produktion und Massenproduktion auflösen und kundenspezifische Implantate, Zahnspangen usw. in Massenproduktion herstellen.

(2) Probe in Echtzeit

Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des 3D-Drucks entwirft der Designer morgens eine Version des Produkts, und der Leiter kann das fertige Produkt mittags sehen. Um 18 Uhr entwirft er dann eine weitere Version und kann das fertige Produkt am nächsten Morgen sehen, was die Entwicklung neuer Produkte erheblich beschleunigt. Wenn es nicht besonders kompliziert ist, kann der 3D-Druck fertige Produkte in 3 Stunden produzieren, während herkömmliche Proofs jedes Mal 4-6 Wochen dauern, sodass auch die Gesamtgeschwindigkeit des Industriedesigns verbessert wird.

(3) Keine Verschmutzung

 Da die produzierten Rohstoffe alle umweltfreundlich sind, erfolgt der gesamte Produktionsprozess schadstofffrei. Es kommt weder zu einer Verschmutzung durch Abgase und Abwässer noch zu einer Verschwendung von Reststoffen.

(4) Dataisierung

Mit der Weiterentwicklung der digitalen Zahnmedizin werden die technischen Anforderungen an die Ärzte deutlich geringer. Patienten müssen im Krankenhaus nur zwei Minuten lang mit dem Gerät scannen und erfahren dann die Ursachen und Lösungen aller Zahnprobleme.

Darüber hinaus kann der 3D-Druck auch in der Kieferorthopädie eingesetzt werden, um personalisierte und individuell angepasste transparente Zahnspangen zu drucken. Sollten sich die Zähne bei einer plastischen Operation nach links oder nach vorne bewegen? Um wie viele Millimeter sollten sie sich bewegen? Früher stützte sich die Zahnchirurgie ausschließlich auf die persönliche Erfahrung des Arztes. Die digitale Zahnmedizin hat jedoch die Stabilität der Operation erhöht und die technischen Hürden für Ärzte gesenkt.

(5) Schnell

 Im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Verfahren sind für den 3D-Druck keine Vorbereitungen wie Personal und Transport erforderlich. Es werden lediglich Maschinen und Rohstoffe benötigt und die Produktion kann schnell aufgenommen werden.

(6) Automatisierung

 Man kann sagen, dass zwischen der virtuellen Vorstellung und der Realität nur ein 3D-Drucker steht. Die Ein-Tasten-Produktion des 3D-Drucks spart eine Menge Arbeitskosten und menschliche Fehler.