Leitfaden für alles, was Sie über den 3D-Druck wissen sollten

 Dieser Artikel dient als Nachschlagewerk für angehende Praktiker der additiven Fertigung, die sich an den 3D-Druck heranwagen möchten. Verstehen Sie die Grundlagen von Desktop-3D-Druckern, eine grundlegende Unterscheidung zwischen zwei Formen, FDM- und SLA-Druckern, Design-Software und ihre Funktion, den Prozess der Kalibrierung, einige häufige Probleme während des 3D-Druckprozesses, erfolgreiche Ergebnisse und die Verwendung in verschiedenen Bereichen wie Gesundheitswesen, Automobilindustrie, Bildung und viele mehr. Lernen Sie die Grundlagen des 3D-Drucks kennen, um in dieser vielversprechenden Branche mitmischen zu können.

Ein Leitfaden für Anfänger in Sachen 3D-Druck: Hier finden Sie alles, was Sie wissen sollten

Diese Technologie ist in vielen Bereichen von Nutzen, denn der 3D-Druck ist ein einzigartiges Werkzeug, mit dem sich Objekte effektiv herstellen lassen. Durch den Spritzguss und andere additive Fertigungsverfahren wie FDM, SLS und SLA hat sie das Design von Produkten und die Entwicklung von Prototypen revolutioniert. Es hat sich insbesondere in Bereichen wie Prototyping, Bildung, Medizin und anderen bewährt, was seine Vielseitigkeit zeigt.

Damit der Leitfaden auch für Neulinge in der Welt der 3D-DruckDieser Leitfaden wird versuchen, alle notwendigen Faktoren und Bedingungen zu beschreiben, die eine Person zu Beginn berücksichtigen muss. Dabei geht es um die Grundlagen des 3D-Drucks, um Druckertypen wie FDM, SLS und SLA, um Dinge, die Sie bei der Gestaltung beachten müssen, wenn Sie neu in Sachen 3D-Druck sind, und um einige der Dinge, auf die Sie wahrscheinlich stoßen werden. Außerdem werden die Möglichkeiten des Einsatzes von 3D-Druckern im Automobilbau, in der Luft- und Raumfahrt und in weiteren Bereichen erörtert. Am Ende dieses Leitfadens werden die Leser über das grundlegende Wissen verfügen, um ihre Reise in den 3D-Druck anzutreten.

Grundlagen des 3D-Drucks

Was ist 3D-Druck?

Der 3D-Druck wird im Allgemeinen als Stapelformung oder additive Fertigung bezeichnet. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten aus finanziellen oder digitalen Archiven. Im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der Material entfernt wird und die konventioneller ist, werden beim 3D-Druck Schichten eines Materials nach einem vorgegebenen 3D-Entwurf aufgetragen.

Geschichte des 3D-Drucks

Der 3D-Druck lässt sich bis in die 1980er Jahre zurückverfolgen, als Chuck Hull den ersten kommerziellen Ansatz für die Entwicklung eines Objekts, die Stereolithographie, entwickelte. In den 1990er Jahren wurden weitere Verfahren entwickelt, darunter das Fused Deposition Modeling und das selektive Lasersintern, um nur einige zu nennen. Obwohl die 3D-Drucktechnologie in den 2000er Jahren Aufmerksamkeit erregte, begann sie in den 2010er Jahren einen Aufschwung zu erleben, als Patente erteilt wurden, wodurch die 3D-Drucker Kosten.

Wie funktioniert der 3D-Druck?

Für den 3D-Druck ist ein 3D-Modell erforderlich, das von der entsprechenden 3D-Drucksoftware in dünne Schichten zerlegt wird, bevor es verarbeitet wird. Der Drucker synthetisiert dann diese Struktur, indem er diese aufeinanderfolgenden Schichten aus dem gegebenen Material mit verschiedenen Formen der additiven Fertigung bearbeitet und verfestigt. Sie werden schichtweise aufgetragen, z.B. durch Extrudieren von erhitztem thermoplastischem Material (Fused Deposition Modeling/FDM), Aushärten von flüssigem Photopolymerharz durch ultraviolette Laser (Stereo-Lithographie/SLA) oder Verschmelzen von Partikeln, die aus Kunststoff, Metall oder einer beliebigen Zusammensetzung bestehen können, mit Hilfe einer Energiequelle wie einem Laser (Selective Laser Sintering/SLS oder Selective Laser Melting/SLM).

3D-Drucker-Typen

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM ist der am weitesten verbreitete und kostengünstigste 3D-Drucker auf dem Markt unter allen verfügbaren Optionen. Unter FDMwerden recycelte Polymere wie PLA, ABS, HIPS und so weiter in Form von Filamenten über eine beheizte Extrudiernadel in den Drucker eingeführt. Danach bewegt der Drucker die Düse mit Hilfe des G-Codes sehr vorsichtig, um dünne Schichten geschmolzenen Kunststoffs zu extrudieren und das Objekt schichtweise von der Basis aus aufzubauen.

Selektives Laser-Sintern (SLS)

SLS arbeitet wie andere AM-Technologien mit einem Pulverbettmechanismus, bei dem ein Hochleistungslaser selektiv bestimmte Bereiche eines pulverförmigen Materials - Nylon, Metalle, Sand oder sogar Zellen - zu einer festen Form eines entsprechenden 3D-Druckobjekts schmilzt. Vielfältige Konfigurationen, bei denen sich bestimmte Bereiche im Inneren bewegen, können ganz einfach entwickelt werden. SLS-Drucker sind in der Regel teurer als andere, können aber schneller funktionale, voll funktionsfähige Prototypen und Endproduktteile herstellen.

Stereolithographie (SLA)

SLA verfestigt flüssiges Photopolymerharz mit Hilfe eines UV-Lasers schichtweise zu festen Teilen nach dem digitalen Modell und produziert präzise Prototypen mit glatter Oberfläche, die sich für Anwendungen mit kleinen, komplizierten Details eignen, wie z.B. Schmuck, Dentalmodelle usw. SLA Der Kunstharzguss liefert Prototypen, die für das Gießen und die Herstellung bereit sind.

Andere Druckertypen

Andere gängige 3D-Druckverfahren sind Digital Light Processing (DLP), Pulverbettschmelzen, Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Polyjetdruck usw. DLP hat eine digitale Projektion, härtet aber ganze Schichten zusammen aus, während EBM Metallpulver vollständig aufschmilzt. Beim 3D-Tintenstrahldruck werden verschiedene Materialtröpfchen aufgetragen, um Modelle zu bauen. Die zunehmenden Materialoptionen wie Kohlenstoff, Glas usw. ermöglichen einzigartige Anwendungen in verschiedenen Branchen.

Design für 3D-Druck

3D-Modellierungssoftware

Software für computergestütztes Design (CAD) ist unerlässlich, um Objekte für den 3D-Druck zu modellieren. Beliebte kostenlose Softwareoptionen sind TinkerCAD, Autodesk Fusion 360 und Blender. Zu den kommerziellen Paketen gehören SolidWorks, AutoCAD und Inventor. CAD-Programme ermöglichen die Erstellung digitaler Prototypen und die Visualisierung von Designs.

Faktoren für einen erfolgreichen 3D-Druck

Bestimmte Faktoren sorgen für einen erfolgreichen Ausdruck. Die richtige Objektgröße unter Berücksichtigung der Materialwissenschaft wie Festigkeit, Flexibilität und Temperaturbeständigkeit von Polymeren, Metallen, Keramiken, Verbundstoffen usw. ist wichtig. Die richtige Wandstärke, Dichte, Oberflächenbeschaffenheit, Detaillierung und der Umgang mit Überhängen zur Vermeidung von Fehlern sind entscheidend.

Gängige Dateitypen

Der am häufigsten verwendete Dateityp für den 3D-Druck ist STL (Standard Tessellation Language), da er nur die Oberflächengeometrie definiert. STL muss für die Ausrichtung der einzelnen Ebenen, die von G-Code erkannt wird, in Scheiben geschnitten werden. Slic3r und CURA sind Beispiele für Slicing-Programme, die Drucke ausrichten, bei Bedarf Stützen hinzufügen und die Schichthöhen für beste Ergebnisse optimieren. Andere Formate sind OBJ, 3MF, AMF usw. Die richtige Skalierung des Modells, die richtige Ausrichtung und die richtigen Slice-Einstellungen sind wichtig für eine reibungslose Prozessoptimierung.

Modellierungssoftware, Slicing-Programme und das Wissen um die Faktoren, mit denen Modelle erstellt werden können, die sich gut drucken lassen, helfen dabei, das volle Potenzial der verfügbaren Materialien für kreative und funktionale Anwendungen in den oben genannten Branchen zu nutzen. Mit dem Aufschwung der persönlichen Fertigung und verteilten Fertigungskonzepten wächst die Nachfrage nach benutzerfreundlichen Werkzeugen für den 3D-Druck mit der Zeit stetig.

Tipps für Anfänger

Kalibrierung und Testdrucke

Die Kalibrierung ist wichtig für einen konsistenten Druck. Nivellieren Sie die Bauplatte, um eine gute Haftung der ersten Schicht zu erreichen. Kalibrieren Sie die Extruderstufen, um einen präzisen Materialauftrag zu gewährleisten. Führen Sie Testdrucke mit einfachen 3D-Druckmodellen durch, um die Einstellungen des Geräts vor komplexen Drucken zu überprüfen.

Auswahl und Lagerung von Filamenten

Wählen Sie Filamente, die zu Ihrem Drucker und den geplanten Anwendungen passen. PLA ist umweltfreundlich, aber ABS ist stärker. Bewahren Sie Filamente in feuchtigkeitsfreien Behältern auf, da die Umgebungsfeuchtigkeit den Kunststoff mit der Zeit korrodiert. Feuchtigkeit führt zu Fehlern während des Druckens und macht einen Austausch erforderlich.

Häufige Probleme und Lösungen

Verformungen entstehen durch schnelles Abkühlen, schlechte Haftung oder intensive Heizzyklen. Fügen Sie ein beheiztes Bett, einen Rand oder eine Einfassung hinzu. Schlechte Maßhaltigkeit kann durch uneinheitliche Temperaturen, Geschwindigkeitsänderungen oder falsch geschnittene Modelle entstehen. Rückzug und Ausrollen verhindern Kleckse. Überhänge erfordern ein gedrucktes Gerüst oder optimale Schichteneinstellungen, um ein Durchhängen zu vermeiden. Die Nivellierung des Druckbetts, die Neukalibrierung und die richtigen Druckbedingungen lösen in der Regel die Probleme und sorgen für zuverlässige Ergebnisse.

Einsteigerfreundliche Drucker, ein paar gute Filamentspulen, eine Kalibrierungsroutine, erste Testdrucke und das Vertrautwerden mit häufigen Herausforderungen vor fortgeschrittenen Projekten machen das 3D-Drucken zu einer angenehmen Lernerfahrung im eigenen Tempo. Geduld, das Lernen aus Fehlern und die Hilfe der Gemeinschaft machen aus dem Hobby ein lebenslanges Vergnügen.

3D-Druckanwendungen und zukünftige Aspekte

Schnelles Prototyping

3D-Druck beim Prototyping ermöglicht es Herstellern, Prototypen schneller und kostengünstiger als mit herkömmlichen Methoden zu erstellen. Dies beschleunigt die Produktentwicklungszyklen erheblich. Komplexe interne Strukturen sind realisierbar.

Bildung

Makerspaces, die den STEAM-Unterricht revolutionieren, nutzen den 3D-Druck, um abstrakte Konzepte durch praktisches Lernen zu veranschaulichen. Die Schüler drucken ihre eigenen Kreationen und erwerben so Fachwissen in verschiedenen Disziplinen.

Medizinische Anwendungen

Im Gesundheitswesen helfen 3D-gedruckte anatomische Modelle bei der präoperativen Planung und maßgeschneiderte Prothesen verbessern die Patientenversorgung. Zukünftige Bioprinting-Techniken könnten lebendes Gewebe und sogar ganze Organe drucken und so die Beschränkungen für Spender umgehen.

Andere Industrien

Die Automobil-, Luft- und Raumfahrt- und Verteidigungsindustrie stellt spezielle Komponenten her, die auf herkömmliche Weise nicht gefertigt werden können. Die Massenindividualisierung durch 3D-Druck auf Anfrage kommt den Wünschen der Verbraucher in den oben genannten Branchen entgegen.

Mit den Fortschritten in der Materialwissenschaft, die Nanotechnologie und neue Biomaterialien einbezieht, werden die Möglichkeiten des 3D-Drucks die Nachhaltigkeit durch abfallminimale Präzisionsfertigung für verschiedene Sektoren von der Infrastruktur bis zur Raumfahrttechnik fördern. Die Integration von Robotik, künstlicher Intelligenz und Blockchain mit additiven Techniken wird die Fabrikhallen weltweit verändern. Während technische Herausforderungen bleibt, erscheint die Zukunft des 3D-Drucks zweifellos rosig.

Fazit

Der 3D-Druck hat die Bereiche Design und Fertigung durch die Einführung digitaler Fertigungsmethoden revolutioniert. Dieser Leitfaden behandelt die Grundlagen des 3D-Drucks, die für Anfänger unerlässlich sind, um zu verstehen, wie sie das Potenzial des Drucks ausschöpfen können. Von der Navigation durch die verschiedenen 3D-Druckertechnologien und -materialien bis hin zur Gestaltung optimierter Modelle - für einen erfolgreichen Druck müssen die hier besprochenen Prinzipien angewendet werden.

Mit einer ordnungsgemäßen Maschinenkalibrierung und der Kenntnis von Lösungen zur Fehlerbehebung lassen sich die meisten üblichen Probleme vermeiden. Da die Technologie in Verbindung mit anderen Innovationen voranschreitet, werden sich die Anwendungen weiter diversifizieren. Der Kern des 3D-Drucks wird jedoch erhalten bleiben - die Fähigkeit, abstrakte Ideen in greifbare Objekte zu verwandeln, deren Anwendungen der Menschheit über alle Grenzen hinweg zugute kommen. Mit dem grundlegenden Wissen aus diesem Leitfaden können Sie sich auf eine spannende Reise in Sachen 3D-Druck begeben.

FAQs

Ist 3D-Druck anfängerfreundlich?
Desktop-3D-Drucker werden immer erschwinglicher und sind auch für Anfänger leicht zu bedienen. Das Einrichten des Geräts und das Verstehen der Design-Software sind jedoch mit einem gewissen Lernaufwand verbunden. Aber viele Online-Ressourcen helfen, den Prozess zu vereinfachen.

Wie lange dauert es, ein Objekt in 3D zu drucken?
Die Druckzeit hängt von der Objektgröße, dem Material, der Schichtdicke und der Druckergeschwindigkeit ab. Als grobe Schätzung kann man sagen, dass kleine Objekte 1-8 Stunden benötigen, während der Druck größerer Funktionsteile 1-5 Tage in Anspruch nehmen kann.

Ist PLA oder ABS besser für einen Anfänger?
PLA ist preiswert und erzeugt weniger schädliche Emissionen. Es ist für Anfänger einfacher zu drucken als flexibles ABS. Allerdings sind ABS-Teile stärker und halten höheren Temperaturen stand. PLA eignet sich also gut für erste Lernprojekte.

Wie kann ich einen verpfuschten 3D-Druck reparieren?
Probleme, die zu fehlerhaften Drucken führen, wie z.B. Verformung oder Delaminierung, können manchmal mit Acetondampf oder Ultraschallreinigung behoben werden. Schwer beschädigte Drucke können möglicherweise von den Trägern aus neu gestartet werden. Und schließlich können Kalibrierungsmaßnahmen wiederkehrende Fehler verhindern.