3D-Drucktechnologien verstehen

Vom Design-Prototyp bis hin zu prothetischen Körperteilen schafft der 3D-Druck neue Möglichkeiten in der Fertigung. 3D-Druckmaschinen produzieren derzeit alles von Sandguss über Titan-Zahnimplantate bis hin zu Turbinenschaufeln. Die oben abgebildete Ente Buttercup wurde mit einem schrecklich deformierten Fuß geboren, der sie nicht mehr laufen konnte. Mit Hilfe einer benutzerdefinierten 3D-gedruckten Prothese kann Buttercup jetzt normal gehen.

Bevor wir uns 3D-Druck oder, wie es formal als „Additive Manufacturing“ bezeichnet wird, genauer ansehen, betrachten wir die konventionelle oder manchmal auch als „subtraktive Fertigung“ bezeichnete Fertigung. Für diese Art der konventionellen Fertigung, was das Schneiden von Kunststoff angeht, ist Craftech bestens gerüstet. Bei der subtraktiven Fertigung werden Platten oder Stangen aus Kunststoff zerkleinert, um fertige Verbindungselemente herzustellen.

Das Schneiden von Metallen wie Stahl stellt eine größere Herausforderung dar. Wenn wir Stahl schneiden, verbringen die Verbindungselemente normalerweise einige Zeit in einer CNC-Fräse, wo sie von Hartmetall-Schaftfräsern in Form geschnitten werden. Die Maschine muss besonders steif sein, um enge Toleranzen einzuhalten. Beispielsweise wiegt eine unserer Mühlen, die nach Industriestandards klein ist, etwa 26.000 Pfund. Es verwendet einen 35-PS-Motor und hat starre Boxenwege. Wenn sich die Maschine im Kampftrimm befindet, kann sie problemlos ein Tausendstel Zoll halten. Das Halten von Zehnteln ist auch nicht ausgeschlossen, da die Spindel und die Kugelgewindetriebe auf eine konstante Temperatur gekühlt werden und Hochdruckkühlmittel durch die Spindel fließen kann, sodass wir beispielsweise das Tieflochbohren durchführen können. Eine solche Mühle würde, wenn sie heute gekauft würde, etwa 350.000 bis 400.000 US-Dollar kosten. Sein Arbeitsraum ist ungefähr 20"x40"x26" hoch. Jeder, der eines dieser Biester programmiert und betreibt, stellt sich am Ende immer die gleiche Frage:Warum kann eine Maschine nicht einfach Metallschichten auflegen oder zu einem fertigen Teil verschmelzen? Wäre das nicht viel einfacher? Hier kommt der 3D-Druck ins Spiel. 

Wenn man sich einem 3D-Druckprojekt nähert, benötigt man zunächst Zugriff auf ein 3D-Modellierungsprogramm wie Solidworks oder Inventor. Das von solchen Programmen erstellte Volumenmodell sowie teurere Programme wie Siemans NX oder Pro-E können dann im STL-Format (Stereolithographie) ausgegeben werden. Der Begriff „Stereolithographie“ wurde 1984 von Charles W. Hull, dem Erfinder der Sprache des modernen 3D-Drucks, patentiert. Der Begriff ist definiert als "ein System zum Erzeugen dreidimensionaler Objekte durch Erzeugen eines Querschnittsmusters des zu bildenden Objekts".

Das ursprüngliche Ziel des 3D-Drucks war es, extrem kleine Objekte mit enormer Genauigkeit herstellen zu können. Dieser Vorgang wird als Mikrofabrikation bezeichnet. In gewisser Weise ist der 3D-Druck das Ergebnis einer Kombination des CNC-Positioniersystems, das in Mühlen und Erodiermaschinen verwendet wird, mit der Technologie, die hauptsächlich aus der Halbleitergruppe stammt um 3D-Features zu erzeugen. Diese frühe 3D-Drucktechnologie war im Wesentlichen Lithografie.

Es dauerte nicht lange, bis verschiedene Verfahren, wie zum Beispiel das LIGA-Verfahren, mit großer Genauigkeit echte 3D-Strukturen aufbauen konnten. Beispielsweise wurde eine 70 µm hohe Wabenstruktur mit 8 µm dicken Zellwänden aufgebaut. Auch andere Artikel wie voll funktionsfähige Pumpen, Schleusen usw. wurden auf diese Weise gebaut.

Mit der Entwicklung dieser Technologien waren die Voraussetzungen für die Produktion größerer Artikel geschaffen. Lassen Sie uns nun die drei wichtigsten Technologien untersuchen, die für den Makrodruck oder den 3D-Druck von sichtbaren Objekten mit einer gewissen Masse entwickelt wurden.

1) Fused Deposition Modeling (FDM) 

Diese Methode ist wirklich eine Art Extrusion, die normalerweise zur Herstellung von ABS- oder anderen Kunststoffmodellen verwendet wird. Es kann auch mit eutektischen Metallen und sogar essbaren Substanzen verwendet werden. Maschinen, die FDM verwenden, können relativ kostengünstig sein. Es gibt sogar Do-it-yourself-Kits für diejenigen, für die Genauigkeit keine große Rolle spielt. Einige von Ihnen kennen vielleicht MakerBot, eine gängige FDM-Maschine.

2) Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)

Nahezu jede Metalllegierung kann verwendet werden, um mit dieser 3D-Drucktechnik Modelle herzustellen. Post-Build-Probleme schwächen die Wirksamkeit dieser additiven Verfahren, die auf dem Sintern durch einen Strahl beruhen, teilweise ab. Das heißt einfach, dass sie nach dem Bau aushärten müssen, um sicherzustellen, dass die Partikel des Modells so haften, dass sie der Festigkeit des tatsächlich verwendeten Metalls zumindest halbwegs nahe kommen. Dies bedeutet auch mehr Zeit nach dem Bau. Um eine nicht perfekte Bindung und/oder Dimensionalität auszugleichen, stellen einige Hersteller keine Produktionseinheiten her, die additive und subtraktive Technologien zu einem fertigen Teil kombinieren. Angenommen, Sie möchten ein Teil mit hoher Toleranz herstellen, z. B. einen mit Schmelz überzogenen Metallzahn oder eine Teilplatte. Der Metallgegenstand wird zuerst geformt. Dann, ohne physisch bewegt werden zu müssen, mit all dem damit verbundenen Genauigkeitsverlust, gleitet das Objekt einfach in die subtraktive (Fräs-)Einheit, wo die letzten Tausendstel entfernt und jegliches Polieren oder andere mechanische Endbearbeitungen vorgenommen werden. Zugegeben, dies ist eine zwischenzeitliche und umständliche Verschmelzung zweier Technologien. Schließlich werden Zellen für die additive Fertigung jede Schicht Atom für Atom ablegen, wodurch jede Art von Nachbearbeitung überflüssig wird.

3) Selektives Lasersintern (SLS)

Dieses Verfahren wurde ebenfalls Mitte der 1980er Jahre entwickelt. Es ist in der Lage, Metalle und Kunststoffe zu sintern. Selektives Laserschmelzen (SLM) hingegen basiert nicht auf Sintern. Vielmehr schmilzt es das Material bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um durch den Prozess ein vollständig geformtes, dichtes und starkes Objekt zu bilden. Dann gibt es EBM oder Electron Beam Melting. Dieser Prozess wird im Hochvakuum durchgeführt und wird hauptsächlich verwendet, um vollständig dichte, starke Titanteile zu formen. Sie schmilzt mit einem Elektronenstrahl einen dünnen Draht und legt so Schicht für Schicht Metall ab. Es ist auch eines der genauesten Verfahren. Der Kauf einer solchen, die groß und leistungsstark genug ist, um sogar kleine Formhohlräume und Kerne herzustellen, könnte den Käufer jedoch 500.000 USD oder mehr zurückwerfen. Was heute weitaus allgegenwärtiger ist, sind die kleinen Desktop-3D-Extrusionsdrucker.

Der 3D-Scanner ist auch als unverzichtbare Ergänzung zum 3D-Modellieren und Drucken zu erwähnen. Ähnlich wie Kamera und Digitalisierer in einem kann es ein Objekt so genau scannen, dass es sofort in ein Modell übersetzt werden kann. Früher war die einzige Möglichkeit, die Messungen eines Objekts genau zu scannen, die Verwendung eines Koordinatenmessgeräts oder KMG. Noch vor zehn Jahren kosteten diese Maschinen weit über 100.000 US-Dollar. Obwohl sie im Werkzeugbau und an anderen Orten, an denen Genauigkeiten im Zehntelbereich (0,0001 Zoll oder etwa ¼ Mikrometer) erforderlich sind, immer noch ihren Platz haben, können viele Modelle mit diesen neuen, relativ kostengünstigen 3D-Scannern gescannt werden. Zweifellos arbeitet auch jemand an einem Scanner, der dem Kaufinteressenten sagt, ob der Pullover, den er online kauft, passt! Auf jeden Fall ist der Bereich der additiven Fertigung und des 3D-Scannens ein Bereich, der derzeit uneingeschränkt vielversprechend ist.

Haben Sie Erfahrung mit einer dieser 3D-Druckmaschinen? Teilen Sie unten Ihre Erfahrungen!

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