Was ist 3D -Druck?

3D-Druck – fachlich "additive Fertigung" – baut ein physisches Objekt Schicht für Schicht aus einem digitalen CAD-Modell auf, das Gegenteil von subtraktiven Verfahren wie Fräsen oder Drehen, die Material abtragen. Die häufigste Art, FDM, schmilzt ein thermoplastisches Filament und trägt es Schicht für Schicht auf.

Der 3D-Druck fällt auch unter die "digitale Fertigung": die Herstellung physischer Objekte mit computergesteuerten Werkzeugen. Die digitale Fertigung erfordert ein CAD-Modell des herzustellenden Teils und eine CNC-Maschine. Ihr Gegenteil, die subtraktive Fertigung, trägt Material mit Maschinen wie Drehmaschinen und Fräsen ab.

Geschichte

Der Ursprung des 3D-Drucks reicht zurück in die 1980er-Jahre, als Dr. Kodama am Nagoya Municipal Institute of Industrial Research eine Technik zur Herstellung eines Objekts Schicht für Schicht entwickelte. Schließlich meldete der Gründer von 3D Systems, Chuck Hull, 1984 das erste kommerzielle Patent für eine Technik namens "Stereolithografie" an, heute SLA genannt. Bei dieser Technik wird ein Objekt Schicht für Schicht erstellt, indem ein lichthärtendes Harz mit einem gerichteten Lichtstrahl ausgehärtet wird.

Stereolithografie (SLA)

Zwei Jahre später meldete Professor Carl Deckard von der University of Texas ein Patent für das selektive Lasersintern oder SLS an, das ein Kunststoffpulver mithilfe eines Lasers verschmilzt, um die verschiedenen Schichten des Teils zu bilden. Zur gleichen Zeit entwickelte Scott Crump, Gründer der Stratasys-Gruppe, einen der ersten 3D-Drucker mit geschmolzenem Filament. Diese Technik wurde FDM genannt und ist derzeit die weltweit am häufigsten verwendete Technik.

Selektives Lasersintern (SLS)

Schmelzschichtung (FDM)

Die additive Fertigung wuchs weiter, und seit den 1990er-Jahren sind neue Fertigungstechniken aufgetaucht, etwa das Binder Jetting und PolyJet. In den 2000er-Jahren erschien das Neueste der additiven Fertigung: der 3D-Druck von Metallteilen, der eine Abwandlung des bereits bekannten SLS wäre, jedoch mit Metall statt Kunststoff, sowie das Elektronenstrahlschmelzen, das dem vorherigen sehr ähnlich ist, aber den Laser durch einen Elektronenstrahl ersetzt und so das Metall kontrollierter schmilzt.

FDM vs FFF

Wie bereits erwähnt, trägt diese Art der additiven Fertigungstechnologie ein thermoplastisches Material Schicht für Schicht auf, um ein Objekt herzustellen. Diese Arbeit beruht hauptsächlich auf dieser Technologie, da sie die einfachste und daher weltweit am weitesten verbreitete ist.
Es gibt mehrere Maschinentypen innerhalb dieser Technologie; der grundlegende Unterschied zwischen ihnen ist das verwendete Koordinatensystem. Wir können sie wie folgt klassifizieren:

Kartesisch

Das am weitesten verbreitete Koordinatensystem auf dem Markt. Es verwendet 3 orthogonale Achsen für die Bewegung.

Kartesischer 3D-Drucker MKS3 von Prusa

Delta

Ein Delta-Drucker nutzt zylindrische Koordinaten für seine Bewegung und benötigt mindestens zwei synchronisierte Motoren, um eine gerade Linie zu erzeugen. Das gebaute Teil bleibt während des gesamten Fertigungsprozesses statisch.

Delta-3D-Drucker von Anycubic

Polar

Polare verwenden, wie der Name schon sagt, Polarkoordinaten für die Positionierung. Der Unterschied zu Delta-Druckern besteht darin, dass sich das Teil um seine vertikale Achse drehen kann.

Polarer 3D-Drucker von Polar 3D

Roboterarme

Roboterarme, an deren Ende der Kopf montiert ist und die daher mehrere Freiheitsgrade haben können.

3D-Drucker mit Roboterarm

Hybride 3D-Drucker

Hybriddrucker, die verschiedene Druckköpfe sowohl für die additive als auch für die subtraktive Fertigung aufnehmen können. Diese Maschinen würden außerhalb dieser grundlegenden Klassifizierung liegen, da ihr Koordinatensystem jedes der oben genannten sein kann.

Hybrider 3D-Drucker von Snapmaker

Innerhalb dieser Klassifizierung gibt es unzählige 3D-Drucker mit unterschiedlichen Eigenschaften und Kapazitäten.

Eine weitere Klassifizierung wäre nach dem Extrusionssystem, das Bowden oder direkt sein kann. Beim Bowden-System sind Extruder und Hotend durch einen PTFE-Schlauch getrennt; beim Direktsystem sind beide Teile verbunden und der PTFE-Schlauch ist nicht erforderlich.

Extrusionssystem des 3D-Drucks

Beide Extrusionssysteme können die Fähigkeit haben, mit einem oder mehreren Materialien gleichzeitig zu drucken; das nennt man Multiextrusion. Es gibt zwei Typen: solche, die dasselbe Hotend teilen, und solche mit verschiedenen Extrudern, einem für jedes Material.

Diamond Hotend von RepRap

Doppelextrusion von Geetech

Unter denen, die das Hotend teilen, finden wir die vom Hersteller Prusa3d vorgeschlagene Multiextrusion, die einen Materialwähler und ein einziges Hotend hat. Dieses System verlangsamt den Druckprozess stark und fügt zudem eine zusätzliche Komplikation bei der Kalibrierung hinzu, da eine sehr sorgfältige Kalibrierung notwendig ist, damit es korrekt funktioniert.

MMU 2.0 von Prusa

Innerhalb der unabhängigen Multiextrusion wiederum finden wir ein System namens IDEX. Es hat die Besonderheit, dass sich seine Extruder unabhängig auf einer Achse bewegen, normalerweise der X-Achse, wodurch eine höhere Präzision und eine größere Fähigkeit zum Kombinieren verschiedener Materialien erreicht wird. Außerdem hat es die Fähigkeit, das gebaute Teil im selben Druck zu duplizieren, dank der Unabhängigkeit beider Extruder.

IDEX-3D-Drucker (Epsilon) von BCN3D

Zum Abschluss der Multiextrusion ist erwähnenswert, dass der britische Hersteller e3d den sogenannten "Toolchanger" auf den Markt brachte, einen 3D-Drucker, der seinen Kopf automatisch wechseln kann, als wäre er ein industrielles CNC-Bearbeitungssystem, wodurch verschiedene Materialien gedruckt und sogar Druckparameter geändert werden können.

Toolchanger von e3d

Häufig gestellte Fragen

Was ist 3D-Druck einfach erklärt?

3D-Druck ist eine Methode, ein festes Objekt herzustellen, indem es in dünnen Schichten aus einem digitalen Entwurf aufgebaut wird, statt es zu schneiden oder zu gießen. Da Material hinzugefügt statt entfernt wird, spricht man auch von additiver Fertigung.

Was ist der Unterschied zwischen FDM und FFF?

Sie beschreiben denselben Prozess: ein thermoplastisches Filament schmelzen und Schicht für Schicht auftragen. FDM (Fused Deposition Modelling) ist der von Stratasys markenrechtlich geschützte Begriff, während FFF (Fused Filament Fabrication) der markenfreie Name ist, der in der Open-Source- und Consumer-Drucker-Welt weit verbreitet ist.

Was sind die wichtigsten Arten des 3D-Drucks?

Am häufigsten ist FDM/FFF, das Filament schmilzt. SLA härtet flüssiges Photopolymerharz mit Licht aus, und SLS verschmilzt Pulver mit einem Laser. Es gibt auch Metallverfahren wie Metall-SLS und Elektronenstrahlschmelzen. FDM ist am weitesten verbreitet, weil es am einfachsten und günstigsten ist.

Mit welcher 3D-Druck-Technologie sollte ein Anfänger beginnen?

FDM ist der übliche Ausgangspunkt: Maschinen und Materialien sind erschwinglich, leicht zu handhaben und gut dokumentiert. Ein guter nächster Schritt ist die Wahl eines ersten Druckers und das Verständnis dafür, welches Filament zu Ihrem Projekt passt.

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Über den Autor
Sergio Peciña ist diplomierter Elektro- und Elektronikingenieur und technischer Konstruktionsingenieur bei Eolas Prints mit über 10 Jahren Erfahrung im 3D-Druck. Er gründete die Maker Spaces der Universität La Rioja und des IDIVAL in Santander. Alle Filamente von Eolas Prints werden im eigenen Werk in Kantabrien, Spanien, nach den Normen ISO 9001 und ISO 14001 hergestellt.

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