3D-Druck für die additive Fertigung – Was Sie wissen müssen

Es gibt viel Verwirrung um die Begriffe additive Fertigung und 3D-Druck bedeuten.

Und das ist kaum verwunderlich. Schließlich beziehen sich beide Begriffe auf sehr ähnliche Prozesse.

Sowohl die additive Fertigung als auch der 3D-Druck beschreiben einen Prozess zur Erstellung von Objekten durch den schrittweisen Aufbau dünner Materialschichten.

In diesem Artikel erklären wir genau, was additive Fertigung und 3D-Druck sind, wie sie zusammenhängen und wofür sie verwendet werden.

Wofür wird die additive Fertigung im 3D-Druck verwendet?

In der traditionellen Fertigung werden Teile oft aus größeren Materialblöcken bearbeitet. Mit anderen Worten wird Material vom Ausgangsblock abgezogen, um das Teil zu formen. Das verursacht natürlich viel Abfall. Wenn Sie jemals ein Video von einem Maschinisten gesehen haben, der einen massiven Metall- oder Holzblock in ein fertiges Teil verwandelt, waren Sie wahrscheinlich von der schieren Menge an verschwendetem Material überrascht.

Im Gegensatz dazu werden bei der additiven Fertigung Teile hergestellt, indem Materialschichten aufgebaut werden, um das fertige Teil zu bilden. Wie funktioniert es? Das hängt vom Typ ab der additiven Fertigung verwendet.

Laut der American Society for Testing and Materials (ASTM) gibt es sieben Kategorien der additiven Fertigung:

1. MwSt. Photopolymerisation — Objekte werden aus Schichten flüssigen Photopolymerharzes hergestellt, das mit ultraviolettem Licht ausgehärtet wird.
2. Pulverbettfusion — Objekte werden aus Schichten von Materialpulver aufgebaut und unter Verwendung von Hitze oder einem starken Laser geschmolzen (oder „verschmolzen“). Übliche Techniken umfassen selektives Lasersintern (SLS).
3. Materialstrahlen — Jede Schicht eines Objekts wird mit einem Druckkopf aufgebaut, der Tröpfchen eines flüssigen Materials auf eine Konstruktionsoberfläche aufträgt, wo sie sich schnell verfestigen. Nach Fertigstellung wird jede Schicht mit ultraviolettem Licht ausgehärtet.
4. Blattlaminierung — Objekte werden aus Blechen oder Bändern aus Metall hergestellt, die durch Ultraschallschweißen miteinander verbunden werden. Die Blechlaminierung ist keine vollständig additive Technik, da überschüssiges Material normalerweise mit traditionellen Fertigungstechniken wie der CNC-Bearbeitung entfernt werden muss.
5. Materialextrusion — Material wird durch eine Düse gezogen, wo es erhitzt und in Schichten auf einer Bauplattform abgelagert wird. In diesem Fall ist kein zusätzlicher Prozess erforderlich, um die Schichten zu härten, da jede Schicht in einem geschmolzenen Zustand abgeschieden wird.
6. Gezielte Energiedeposition — DED umfasst eine Reihe komplexer additiver Fertigungstechniken, die zum Reparieren oder Hinzufügen von Material zu bestehenden Komponenten verwendet werden. Bei den meisten Implementierungen wird ein geschmolzenes Material durch eine Düse auf die Zieloberfläche aufgebracht, wo es sich verfestigt. Der Prozess ähnelt im Prinzip der Materialextrusion, mit der Ausnahme, dass sich die Düse in mehrere Richtungen bewegen können muss, um unterschiedlich geformte Zieloberflächen zu berücksichtigen.
7. Binder-Jetting – auch bekannt als 3D-Druck .

Da sich dieser Artikel speziell auf den 3D-Druck für die additive Fertigung konzentriert, werden wir uns diesen genauer ansehen.

Was ist der additive Fertigungsprozess (3D-Druck)?

Beim 3D-Druck werden zwei Materialien verwendet:

1. Ein pulverbasiertes Material, normalerweise Kunststoff, Metall oder Keramik, und;
2. Ein Bindemittel, das als Klebstoff zwischen Pulverschichten wirkt. Die meisten Bindemittel liegen in flüssiger Form vor.

Der Begriff 3D-Druck kommt von der visuellen Ähnlichkeit des Binder-Jetting mit dem 2D-Druck. In einem Standard-Tintenstrahldrucker bewegt sich ein Druckkopf horizontal entlang der X- und Y-Achse, um Tintentropfen auf ein Blatt Papier aufzutragen.

Um ein Objekt mithilfe des 3D-Drucks zu erstellen, bewegt sich der Druckkopf auf ähnliche Weise horizontal entlang der X- und Y-Achse der Maschine und trägt abwechselnd Schichten des Baumaterials und des Bindematerials auf. Nachdem jede Schicht fertiggestellt ist, wird die Konstruktionsplattform, die das Objekt hält, geringfügig abgesenkt, damit die nächste Schicht gedruckt werden kann.

Abhängig von der Größe des zu druckenden Objekts können Hunderte, Tausende oder sogar Zehntausende dieser Schichten erforderlich sein, um fertig zu werden. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie der Prozess aussieht, sehen Sie sich dieses Zeitraffervideo eines 3D-gedruckten Eiffelturmmodells an.

Bedeutung von Software für additive Fertigung und 3D-Druck

Alle additiven Fertigungstechniken, einschließlich 3D-Druck, sind auf digitale Designtechniken wie Computer-Aided Design (CAD) angewiesen. Eigentlich der ganze Zweck des 3D-Drucks besteht darin, digitale Designs in reale Objekte zu verwandeln.

In der Vergangenheit verwendeten Ingenieure CAD-Software in Kombination mit rigorosen Simulationsmodellierungstechniken, um Objekte zu entwerfen, die in der realen Welt robust und effektiv waren. Aber es gab ein Problem. Herkömmliche Fertigungstechniken wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss sind mit gewissen Einschränkungen verbunden, die das Produzieren erschweren diese ansonsten „perfekten“ Objekte unmöglich.

Hier kommt die harmonische Beziehung zwischen CAD und 3D-Druck ins Spiel. Einer der wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks besteht darin, dass er es ermöglicht, digitale Designs in der realen Welt ohne zu produzieren die Beschränkungen traditioneller Fertigungstechniken.

CAD und 3D-Druck ermöglichen es, die Fertigung durch das Design voranzutreiben , während in der Vergangenheit der Designprozess von dem getrieben werden musste, was mit herkömmlichen Fertigungstechniken möglich war. Dies gibt Ingenieuren viel mehr Gestaltungsfreiheit als je zuvor und hat in einer Reihe von Branchen zu enormen Durchbrüchen geführt.

Während die meisten kommerziellen CAD-Programme ein Modul für die additive Fertigung eingeführt haben, ist das Erstellen Ihrer eigenen benutzerdefinierten CAD-Anwendung für die additive Fertigung mit den 3D-SDKs von Spatial ganz einfach. Besuchen Sie www.spatial.com, um mehr zu erfahren.

Erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen additiver Fertigung und 3D-Druck

1. Die 7 wichtigsten Arten der additiven Fertigung
2. 6 medizinische Durchbrüche im 3D-Druck
3. So nutzen Sie CAD im additiven Fertigungsprozess vollständig aus

Vorteile der additiven Fertigung im 3D-Druck gegenüber herkömmlichen Fertigungstechniken

Natürlich ist die Designfreiheit nicht der einzige Vorteil, den der 3D-Druck gegenüber herkömmlichen Fertigungstechniken hat. Zu den weiteren Top-Vorteilen gehören:

• Produzieren Sie komplexe und dennoch leichte Strukturen mit additiver Fertigung und 3D-Druckmaterialien.

Wir haben bereits festgestellt, dass der 3D-Druck es ermöglicht, Objekte zu bauen, die mit herkömmlichen Techniken nicht gebaut werden können. Es ist jedoch auch erwähnenswert, dass hochkomplexe Teile in einem einzigen Stück gebaut werden können, da sie Schicht für Schicht aufgebaut sind. Gleichzeitig können selbst komplexe 3D-gedruckte Teile aufgrund der verfügbaren Materialien sowohl ein geringes Gewicht als auch eine hohe Zugfestigkeit aufweisen.

• Es ist billiger für einmalige Builds.

Einer der großen Vorteile des 3D-Drucks besteht darin, dass keine Formen oder spezielle Montagevorrichtungen erforderlich sind. Dadurch können Kleinserien von Einzelstücken einfach und zu deutlich geringeren Kosten produziert werden.

• Weniger Abfall.

Wie bereits erwähnt, ist der 3D-Druck ein Additiv Herstellungstechnik, während viele traditionelle Techniken die Extraktion von Materialien beinhalten . Allein diese Tatsache bedeutet, dass beim 3D-Druck weitaus weniger Abfall anfällt als bei anderen gängigen Fertigungstechniken.

• Schnellere Time-to-Market.

Ganz einfach, keine andere Technik ermöglicht es Herstellern, Objekte so schnell zu entwerfen und zu bauen wie der 3D-Druck. Dies ist besonders wertvoll, wenn es darum geht, Prototypen zu bauen und zu testen. Aus diesem Grund ist der 3D-Druck zum Synonym für eine seiner häufigsten Anwendungen geworden:Rapid Prototyping.

3D-Druck für die additive Fertigung, die zum Bau von schnellen Prototypen verwendet wird

Rapid Prototyping ist ganz einfach die schnelle Herstellung eines physischen Objekts, Teils oder Modells.

Beim Rapid Prototyping kann jede Fertigungstechnik eingesetzt werden, von traditionellen Fertigungstechniken wie CNC-Bearbeitung bis hin zu moderneren Techniken wie 3D-Schweißen. Aus offensichtlichen Gründen werden jedoch am häufigsten additive Technologien wie 3D-Druck verwendet.

Wie der Name schon sagt, wird Rapid Prototyping hauptsächlich verwendet, um eine Reihe von Prototypen zu bauen, die schnell getestet und verworfen werden können, bis das beste Design gefunden ist. Dieser iterative Ansatz für Design und Fertigung war schon immer beliebt und wurde erst mit der Entwicklung additiver Fertigungsverfahren effektiver.

Rapid Prototyping hat drei deutliche Vorteile für Hersteller, wenn es mit 3D-Druck kombiniert wird:

• Es ist äußerst kostengünstig. Der Großteil des Prozesses ist automatisiert, sodass nur wenige Mitarbeiter für den Abschluss des Prozesses erforderlich sind. Ebenso sind die Materialien und Herstellungsverfahren kostengünstiger einzurichten, als dies bei alternativen Herstellungsverfahren der Fall wäre.

• Geschwindigkeit. Rapid Prototyping hilft Herstellern, Designs schneller als je zuvor zu produzieren und zu verwerfen, aus jeder Iteration zu lernen und dem Endprodukt immer näher zu kommen. Dies führt zu einer kürzeren Markteinführungszeit (TTM), was oft ein erheblicher Wettbewerbsvorteil ist.

• Reduziertes Risiko. Fehler in der Herstellung können sehr kostspielig sein. Aufgrund des geringen Kosten- und Zeitaufwands, der für die Herstellung zusätzlicher Prototypen erforderlich ist, reduziert Rapid Prototyping das Risiko kostspieliger Fehler während der Massenproduktionsphase drastisch.

Wofür wird 3D-Druck verwendet?

Abgesehen von der Fertigung hat sich der Hype und die Medienaufmerksamkeit für den 3D-Druck zu diesem Zeitpunkt hauptsächlich auf seine Verbraucheranwendungen konzentriert. Es ist unbestreitbar „nett“, dass jeder mit einem Laptop und unter tausend Dollar fast jedes Objekt entwerfen und bauen kann, das er sich vorstellen kann.

Der wahre Wert des 3D-Drucks liegt jedoch in seinen kommerziellen Anwendungen. Zu den führenden Branchen, die den 3D-Druck nutzen, gehören:

Luft- und Raumfahrt — Der 3D-Druck hat offensichtliche Vorteile für die Luftfahrtindustrie. Vor allem ermöglicht es Luftfahrtunternehmen, Prototypen schnell und kostengünstig zu bauen und gleichzeitig starke, leichte Materialien zu verwenden. Derzeit wird der 3D-Druck zur Herstellung von allem verwendet, von Innenverkleidungsteilen wie Rückenlehnentischen und Kopfstützen bis hin zu Motorkomponenten und Rüstungen.

Mit der Entwicklung immer größerer 3D-Drucker können wir davon ausgehen, dass in naher Zukunft noch mehr Komponenten im 3D-Druck hergestellt werden – vielleicht sogar ein ganzes Flugzeugtriebwerk.

Gesundheitswesen — In der Vergangenheit war die Verfügbarkeit von Implantaten und Prothesen eine erhebliche und kostspielige Hürde für die Patientenversorgung. Seit einigen Jahren wird der 3D-Druck jedoch bei der Entwicklung einer Vielzahl von chirurgischen Schnittführungen, Prothesen und sogar patientenspezifischen Implantaten eingesetzt.

Mit der Weiterentwicklung der Materialien konnte die Industrie den 3D-Druck nutzen, um immer leichtere, stärkere und sicherere Produkte herzustellen und gleichzeitig die Durchlaufzeiten und Kosten zu reduzieren.

Automobil — Seit mehreren Jahrzehnten nutzt die Automobilindustrie den 3D-Druck und andere additive Fertigungstechniken zur Herstellung von Prototypen. Dies war zunächst die einzig praktikable Anwendung für den 3D-Druck in der Automobilindustrie, da die verfügbaren Materialien für den realen Einsatz nicht robust genug waren.

Mit der Weiterentwicklung der Materialien hat der 3D-Druck jedoch eine größere Rolle in der Branche eingenommen. Jetzt wird die Technik routinemäßig verwendet, um eine Vielzahl von Formen, Thermoformwerkzeugen, Griffen, Vorrichtungen und Vorrichtungen herzustellen, die während der Herstellung benötigt werden. Mit anderen Worten, der 3D-Druck wird verwendet, um andere Fertigungstechniken zu erweitern.

Aber das ist nicht alles. 3D-Druck ist auch von unschätzbarem Wert für die Herstellung von kundenspezifischen Teilen wie Karosserien und internen Komponenten, die zum Anpassen bestimmter Fahrzeuge verwendet werden.

Architektur — Die Architekturbranche verlässt sich auf maßstabsgetreue Modelle, um Kunden und Investoren zu zeigen, wie ein Projekt nach seiner Fertigstellung aussehen wird. Diese Modelle wurden in der Vergangenheit von Hand gebaut und erforderten oft Hunderte von Arbeitsstunden zur Fertigstellung. Natürlich hat der 3D-Druck alles verändert.

Denn Architekturprojekte sind schon Sie wurden mithilfe von Computersoftware entwickelt und sind natürliche Kandidaten für den 3D-Druck. Sobald eine CAD-Datei fertiggestellt ist, kann sie jetzt direkt zum Drucken gesendet werden, was enorm viel Zeit spart und eine genaue Modellnachbildung garantiert.

Was kommt als nächstes für 3D-Druck und additive Fertigung?

Bisher beschränkte sich die weit verbreitete kommerzielle Einführung auf Branchen, die bereits dafür bekannt sind, auf dem neuesten Stand der Technik zu sein – insbesondere Fertigung, Luftfahrt, Automobil und Gesundheitswesen.

Da Hardware und Materialien jedoch ständig verbessert werden, besteht kein Zweifel daran, dass der 3D-Druck in den kommenden Jahren weiter wachsen wird.

Von 3D-gedruckten Häusern bis hin zu Autos wird es nicht mehr lange dauern, bis fast alles, was wir täglich verwenden, mit dieser scheinbar spacigen Technik gebaut werden kann.