Grundlagen des 3D-Drucks

Der 3D-Druck ist ein Prozess, indem man physische Objekte auf Basis einer digitalen Unterlage erzeugt, indem man verschiedene Schichten an Material mit einem 3D-Drucker übereinanderstapelt. Durch die Verwendung eines additiven Verfahrens ist 3DP das Gegenteil eines herkömmlichen subtraktiven Herstellungsverfahrens, bei dem Materialien nacheinander von einem festen Block heruntergeschnitten werden. Der Unterschied zwischen einem subtraktiven und additiven Prozess wird am Bild unten gezeigt.

Subtraktiver Prozess (oben) vs. additiver Prozess. Quelle: http://ludoreng.com/

Verfügbare 3D-Druchtechnologien

Heutzutage existieren viele verschiedene 3DP-Technologien, die die unterschiedlichsten Materialien (fest (Platten, Fasern, Kügelchen), flüssig, Pulver, breiig) sowie verschiedene Zugänge benutzen.

Die Stereolithografie (SLA) erzeugt Objekte indem ein Harz Schicht für Schicht unter Verwendung einer Lichtquelle (Laser oder Projektor) ausgehärtet wird. Die Digitale Lichtbearbeitung (DLP) ist ähnlich der SLA, jedoch verwendet die DLP einen digitalen Lichtprojektor, um ein einzelnes Bild in jeder Schicht gelichzeitig anzuzeigen. Die Methode des selektiven Lasersintern (SLS) verwendet einen Laser, der selektiv die Verschmelzung zwischen Pulverpartikeln innerhalb eines Baubereiches induziert und dadurch ein festes Objekt erschaffen wird. Außerdem gibt es viele andere 3DP-Technologien. Neue Technologien sind noch immer in deren Entwicklung.

Die meisten Technologien sind jedoch zu kompliziert und zu teuer, sodass sie im Bereich der Ausbildung von geringqualifizierten Personen nicht berücksichtigt werden können. Die am häufigsten angewendete 3DP-Technologie ist das Fused Deposition Modelling (FDM). FDM ist nebenbei auch noch einfach zu verwenden und daher für die Erwachsenenbildung sehr geeignet. Daher wird sich dieses Modul mit der FDM-Technologie beschäftigen.

Beim FDM werden mehrere Materialschichten bei hohen Temperaturen aufeinandergelegt. Die jeweils benachbarten Schichten kühlen ab und können sich so miteinander verbinden, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird.

FDM technology. Quelle: http://ludoreng.com/

3DP Arbeitsprozess

Beim 3DP benötigt man einen Computer, ein digitales 3D-Modell, eine Software zur 3D-Modellierung sowie einen 3D-Drucker und Rohmaterial.

Zuerst benötigt man das zu druckende 3D-Modell z.B. als .jpg Datei. Dieses muss verarbeitet werden, damit man Daten bekommt, die vom 3D-Drucker verwendet werden. Das bedeutet, dass das 3D-Modell in eine .stl Datei umgewandelt werden muss, welche wiederum unter Verwendung einer Schnittsoftware in 2D-Abschnitte unterteilt wird. Die Schnittsoftware stellt auch die Parameter des 3D-Druckprozesses ein und generiert am Ende eine Datei, die alle Anweisungen enthält, die der 3D-Drucker benötigt, um das Modell zu drucken. Diese Datei (normalerweise eine .gcode Datei, z.B. eine Datei die Befehle in G-Code enthält, was wiederum eine Sprache ist, die der 3D-Drucker lesen kann) wird in den 3D-Drucker eingespeist, der dann wiederum mehrere Schichten von geschmolzenem Material zur Herstellung des Teils benötigt. Ein typischer 3D-Arbeitsprozess wird im untenstehenden Bild gezeigt.

Typischer 3D-Arbeitsprozess. Quelle: Ludor Engineering

3DP Modelle erhalten

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um ein 3D-Modell für den 3DP zu erhalten: durch 3D-Modellierung, indem man eine geeignete Software dazu verwendet, durch 3D-Scannen oder durch einen Download von einem spezialisierten Online-Depot.

Es existiert viel Software für die Erstellung von 3D-Modellen. Dabei gibt es kostenlose für alle Stufen, vom Beginner bis zum Experten. Einige davon sind in der Tabelle unten angeführt. Zusätzlich dazu gibt es viele Lehrunterlagen und Tutorials, die dazu verwendet werden können, damit man sein eigenes 3D-Modell erstellen kann. 3D-Modellierung ist eine unverzichtbare Fähigkeit, sollte man sein eigenes Objekt erstellen wollen.

*gratis für SchülerInnen und Lehrpersonen

3D-Scannen ist eine Methode, die zum Erfassen der Form eines Objekts mithilfe eines 3D-Scanners oder eines Smartphones mit einer geeigneten App verwendet wird. 3D-Scan Apps basieren auf der Fotogrammmetrie. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die 3D Modelle aus 2D-Fotos erstellt, die aus verschiedenen Winkeln aufgenommen wurden und dann von einer Software zusammengefügt werden. Einige 3D-Scan-Apps sind in der folgenden Liste angeführt:

Der einfachste Weg, ein 3D-Modell für den 3DP zu erhalten, ist, dass man es aus den zahlreichen Online-Depots herunterlädt. Viele dieser Modelle sind kostenlos verfügbar. Einige der besten Depots werden in der Tabelle unten angeführt:

3D Druck Schnittsoftware

Eine Schnittsoftware unterteilt das 3D-Modell (meistens als .stl Datei verfügbar) in mehrere Schichten und berücksichtigt dabei die 3D-Druckeinstellungen (wie z.B. Temperatur, Schichthöhe, Druckgeschwindigkeit, etc.). Sie generiert die G-Code Datei, die die Anweisungen enthält, die der 3D-Drucker zum Erstellen des Objekts benötigt. Es existiert eine große Anzahl an Schnittsoftware und viele sind kostenlos verfügbar:

FDM 3D Drucker

Ein FDM 3D-Drucker verwendet Endlosfasern, die über einen Getriebemechanismus in eine Heizung geleitet werden, die die Fasern aufheizt und zum Schmelzen bringt. Die geschmolzenen Fasern werden aus einer Düse in der gewünschten Form ausgeschieden. Nach jeder Schicht bewegt sich das Druckbett (oder die Düse) um die vertikale Achse und die nächste Schicht entsteht. Dieser Prozess wird solange fortgesetzt bis das gewünschte Objekt vollständig hergestellt ist. Der Prozess ist in der untenstehenden Abbildung ersichtlich.

FDM Prozess. Quelle: Ludor Engineering

Die Hauptbestandteile eines FDM 3D-Druckers sind:

• Rahmen – hält alle Teile des 3D-Druckers zusammen. Er besteht entweder aus Blech, Aluminium, Plastik, Sperrholz oder stammt sogar schon aus einem 3D-Druck.
• Druckbett – die Oberfläche, auf der die Objekte gedruckt werden. Sie kann aufgeheizt werden. Dies kann hilfreich sein, um zu verhindern, dass sich die Objekte während des Druckvorgangs nicht verformen oder abblättern.
• Abziehvorrichtung – ein wichtiger Bestandteil, der aus 2 Teilen besteht: das kalte Ende mit dem Motor, das die Fasern hineinzieht und durch den Motor drückt sowie das heiße Ende wo die Fasern geschmolzen werden und ausgeworfen werden.
• Bewegungen des “Kopfes” – hier gibt es verschiedene Arten. Die am häufigsten vorkommenden sind:
  • Kartesische: Drucker haben einen rechteckigen Rahmen, in dem jede Bewegung entlang einer der drei senkrechten Achsen stattfinden kann: X, Y und Z
  • Delta: die Abziehvorrichtung wird von drei Armen in einer dreieckigen Anordnung gehalten und das Druckbett ist normalerweise kreisförmig und bewegt sich nicht.
  • Polar – hierbei wird ein Koordinatensystem verwendet, bei dem die Positionierung durch einen Winkel und durch die Länge bestimmt wird.
  • Roboterarm
• Schrittmotoren – werden zur genauen Lageregelung verwendet
• Elektrische Komponenten: Netzteil, Motherboard, Stepper Treiber, SD-Kartenlost, User Interface.

Hauptbestandteile eines FDM 3D-Druckers. Quelle: Ludor Engineering

FDM 3D-Drucker lassen sich in zwei Hauptgruppen einteilen: Industrielle und Desktop 3D-Drucker. Desktop FDM-3D-Drucker sind fürs Drucken von Prototyen und fürs Drucken von kleinen Mengen geeignet, während industrielle FDM hochqualitative Teile erstellen, die größer und genauer gedruckt werden können und erhöhte Materialeigenschaften besitzen. Eine der Hauptunterschiede zwischen diesen beiden Druckerarten sind die damit verbundenen Kosten, die man in der untenstehenden Tabelle gut ablesen kann:

Quelle: https://www.3dhubs.com/knowledge-base/industrial-fdm-vs-desktop-fdm/

Industrieller FDM 3D Drucker. Quelle: Ludor Engineering

Desktop FDM 3D Drucker. Quelle: Ludor Engineering

3DP Materialien

FDM 3DP verwenden Endlosfasern aus Thermoplastik. Dieses Material schmilzt, wenn es auf eine bestimmte Temperatur aufgeheizt wird und verfestigt sich beim Abkühlen. Die Fasern gibt es in verschiedenen Arten. Meistens bekommt man sie jedoch auf Spulen in verschiedenen Größen und Gewichten. Zwei Faser-Durchmesser werden am meisten verwendet: 1,75mm (am häufigsten) und 3mm/2,85mm.

3D- Druckfasern die im Bereich des FDM-Drucks verwendet werden. Quelle: Ludor Engineering

Viele verschiedene Fasern können im Bereich des 3D-Drucks verwendet werden. Die bekanntesten sind PLA und ABS. PLA wird von Hobby-3D-Druckern verwendet, da es gute Eigenheiten sowie einen niedrigen Preis hat. ABS ist ebenso preisgünstig und kann zur Erstellung funktioneller Teile verwendet werden. Für anspruchsvollere Sachen empfiehlt es sich Polycarbonat (PC), Nylon sowie PETG zu verwenden. PC ist für den Einsatz bei hohen Temperaturen gut geignet und ist außerdem robuster als PLA und ABS, jedoch nicht weniger flexibel. Nylon bietet hingegen eine hohe Flexibilität und ist sehr robust, gleichzeitig jedoch extrem leicht. Gedruckte Nylonteile sind nicht so spröde, wie jene mit ABS oder PLA. Sie sind in etwa 10-mal so stark ohne zu zerbersten oder zu zerbrechen. PET wird am häufigsten in Plastik weltweit verwendet. PETG und PETT kommen häufig im 3D-Druck zur Anwendung. PETG vereint die Robustheit, Temperaturbeständigkeit und Haltbarkeit von ABS mit dem Bedienkomfort von PLA. PETT ist hingegen sehr robust und kann als lebensmittelsicher und transparent beschrieben werden.

Andere Faserarten können wiederum in Wasser oder in anderen Substanzen aufgelöst werden und werden zur Erzeugung von Strukturen verwendet, die zur Anwendung kommen, wenn das gedruckte Teil Überhänge oder Merkmale aufweist, die in der Luft schweben. Ein Beispiel dafür ist auf dem untenstehenden Bild ersichtlich.

Unterstützende Strukturen (in rot) sowie der 3D-gedruckte Teil (in blau). Quelle: Ludor Engineering

Ein 3D-Drucker besitzt in der Regel zwei Düsen. Eine Düse wird für den Druck der Fasern verwendet, die andere Düse zum Druck der unterstützenden Strukturen. Dieser Teil wird dann in eine Substanz gegeben, die diese Strukturen auflöst. Zum Einsatz kommen hierbei Materialien wie PVA (wasserlöslich, wird als Unterstützung für PLA-Materialien verwendet) und HIPS (löst sich in einer Limonenlösung auf und wird als Unterstützung für ABS Materialien verwendet).

PVA wird zur Unterstützung verwendet. Quelle: filamentguide.net

Thermoelastischer Kunststoff (TPE) kann verwendet werden, um bewegliche Objekte wie Schuhe oder Antriebsriemen herzustellen. TOU (thermoelastisches Polyurethan) wird am häufigsten im Bereich der TPEs verwendet.

3D-gedruckte Schuhe in TPE. Quelle: Adidas

Verbundfasern aus Polyester die mit Metall, Glas, Karbon, Keramik, etc. verstärkt werden, werden ebenso im Bereich der FDM verwendet.

PEEK und PEI sind Materialien die extrem hohe mechanische, thermische und chemische Beständigkeitseigenschaften aufweisen, die selbst bei hohen Temperaturen ihre Eigenschaften nicht verlieren. Jedoch müssen sie auch von leistungsstarken 3D-Druckern gedruckt werden (für Temperaturen über 400°C).

Die große Anzahl an Fasern, die im Bereich der FDM verfügbar sind, können in 3 Hauptgruppen eingeteilt werden: standardisiertes Thermoplastik, technische Materialien und hochleistungsfähiges Thermoplastik.

Die Pyramide der FDM-Materialien. Quelle: Ludor Engineering

Die am häufigsten verwendeten Materialien im 3DP werden in der Tabelle unten mit Angaben zu ihren Eigenschaften zusammen zusammengefasst.

3DP Vorteile und Einschränkungen

3DP hat einige wichtige Vorteile:

• Fertigung in einem Schritt: Im Gegensatz zu einigen traditionellen Technologien, die normalerweise eine Vielzahl an Produktionsschritten benötigen, benötigt man beim 3DP nur einen Schritt.
• Kein Bedarf an Werkzeugen – keine Gussformen, Vorrichtungen oder andere Werkzeuge werden benötigt; die Produktion einzelner Teile und kleiner Serien ist so sehr einfach.
• Effiziente Anpassungen – für die Anpassung eines Produkts mittels 3DP benötigt man lediglich die 3D-Datei. Es existieren daher so gut wie keine Kosten.
• Entwurfs- und Komplexitätsfreiheit – sehr komplexe Formen, Geometrien, die manchmal mit anderen Methoden unmöglich oder nur sehr teuer herzustellen wären, können mittels 3DP produziert werden.
• Druck nach Auftrag – indem man die digitalen 3D-Modell der Teile online verfügbar hat und sie nur dann druckt, wenn sie benötigt werden, werden die Lagerkosten reduziert.
• Schnelle Produktion – abhängig vom Entwurf und von der Komplexität, ist es meistens viel schneller etwas in 3D zu drucken als es mit herkömmlichen Maschinen oder durch Gießen herzustellen.
• Abfallvermeidung – da es sich um eine Additivtechnologie handelt, fällt beim 3D-Druck kein oder nur sehr wenig Abfall an.

Jedoch muss man beim 3D-Druck auch einige Einschränkungen beachten:

• Es können nur eine begrenzte Anzahl an Materialien, meistens aus Plastik, ausgedruckt werden.
• Die Objekte dürfen nur eine gewisse Größe aufweisen.
• Für die Herstellung einer großen Anzahl ist der 3D-Druck sehr teuer – die Kosten pro gedrucktem 3D-Teil ändern sich nicht, unabhängig davon, wie viele Teile man produziert. Im Gegensatz dazu sinken die Kosten für herkömmliche Produktionsmethoden je mehr man produziert. Es kann daher für eine kleine Mengenanzahl der 3D-Druck wirtschaftlicher sein, aber gleichzeitig steigen für größere Mengen die Kosten stärker als bei herkömmlichen Methoden.
• Geringe Festigkeit und Lebensdauer – die 3D gedruckten Objekte sind meistens schwächer als herkömmlich hergestellte Teile.
• Geringe Genauigkeit und schlechte Oberflächenbeschaffenheit
• 3D-Drucker sind sehr langsam.

Anwendung von 3DP

3DP ist eine sehr einfach durchzuführende, preisgünstige und schnelle Methode, um Prototypen herzustellen. Somit kann die Produktentwicklung damit schneller passieren.

Ein Prototyp, der mittels 3DP hergestellt wurde.  Quelle: Ludor Engineering

Durch 3DP und hier vor allem durch FDM können Prothesen zu geringen Kosten und in sehr kurzer Zeit hergestellt werden.

Eine mittels 3D-Drucker ausgedruckte Hand. Quelle: StarWarsRey, Star Wars Bionic hand,
CC BY-SA 4.0

FDM-3D-Drucker werden vor allem in allen Stufen der Ausbildung, angefangen von Kindergärten bis hin zur Erwachsenenbildung, eingesetzt.

Eine Roboterhand zu Lehrzwecken, die mittels 3D-Druck erstellt wurde. Quelle: Ludor Engineering

3D-gedruckte Architekturmodelle können relative rasch und zu einem Bruchteil der Kosten der traditionellen Verfahren hergestellt werden.

Ein Architekturmodell, das mittels 3D-Druck hergestellt wurde. Quelle: Ludor Engeneering

Durch FDM können stabile und praktische Teile für eine Vielzahl an industriellen und heimischen Anwendungsmöglichkeiten hergestellt werden

Ein mittels 3D-Drucker hergestelltes funktionelles Teil. Quelle: Ludor Engineering

FDM eignet sich sowohl für die Anwendung in der Industrie als auch für zuhause. Haushaltsanwendung umfasst das Erstellen von Objekten, Reparaturteilen und Werkzeugen, die man zuhause benötigt.

Ein mittels 3D-Druck erzeugtes Werkzeug. Quelle: Ludor Engineering