Der ultimative Leitfaden zum 3D-Druck:Vorteile, Nachteile und Schlüsseltechnologien

Was ist 3D-Druck?

Der 3D-Druck ist eine additive Fertigungstechnologie zur Herstellung von Teilen aus einer Vielzahl von Kunststoffen und Metallen. Es stehen viele verschiedene Technologien zur Verfügung, von FDM (Fused Deposition Modeling), bei dem Kunststoff Schicht für Schicht extrudiert wird, bis hin zu DMLS (Direct Metal Laser Sintering), bei dem ein Laser Metallpulver Schicht für Schicht zu einem endgültigen Teil verschmilzt. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zum 3D-Druck.

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks?

3D-Druck-Profis sind:

1. Drucken auf Abruf

Der 3D-Druck erfordert eine sehr begrenzte Einrichtung, um mit dem Drucken zu beginnen. Der Einrichtungsprozess und die 3D-Druckmaschine sind unabhängig von der Art des zu druckenden Teils gleich. Es ist lediglich die Konvertierung des 3D-Modells des Teils erforderlich, was normalerweise entweder mit OEM- oder Drittanbieter-Software durchgeführt wird. Nach Abschluss der Konvertierung wird die Datei über einen USB-A-Anschluss, drahtlos oder eine SD-Karte in den Drucker geladen. Das Material wird dann dem Drucker zugeführt, typischerweise entweder als flüssiges Photopolymer, als Filament oder als Pulver. Danach wird der Druckvorgang ohne menschliches Eingreifen fortgesetzt. Wenn das Teil fertig ist, ist möglicherweise eine Nachbearbeitung erforderlich, beispielsweise das Entfernen von Stützstrukturen. Für On-Demand-Cloud-Dienste ist lediglich ein 3D-Modell erforderlich und Ihr Artikel wird in 3D gedruckt und versendet, ohne dass Sie in einen 3D-Drucker investieren müssen. 

2. Angemessener Preis

Das 3D-Druckverfahren ist im Vergleich zu anderen Fertigungstechnologien wie Spritzguss kostengünstig. Dies gilt insbesondere bei geringen bis mittleren Produktionsvolumina und hoher Teilekomplexität. Dies liegt daran, dass 3D-Drucker ab 200 US-Dollar erhältlich sind, wobei gebrauchte 3D-Drucker sogar noch günstiger sind. Materialien können auch schon ab 15 US-Dollar pro kg kosten – zum Beispiel für ABS. Allerdings sind 3D-Druckmaterialien im Allgemeinen teurer als die vergleichbaren Ausgangsrohstoffkosten. Dies ist auf die Notwendigkeit zurückzuführen, das Rohmaterial für den spezifischen Druckprozess vorzubereiten, d. h. Filamentspulen für FDM und feines Pulver für SLS. Trotz dieser zusätzlichen Rohstoffkosten verbraucht der 3D-Druck weniger Material, da er nicht vollständig dicht ist. 

3. Umweltfreundlich

Der 3D-Druck kann aufgrund der Verwendung recycelbarer Materialien wie Metalle und Thermoplaste als umweltfreundlich angesehen werden. Teile können auch genau dort gedruckt werden, wo sie benötigt werden, anstatt sie von einer zentralen Schwerfertigungsanlage aus versenden zu müssen. Dadurch entfallen die erheblichen Energiekosten, die mit dem Transport verbunden sind. Der additive Charakter des 3D-Drucks führt auch zu weniger Abfall.

4. Schnelles Prototyping

Die geringen Kosten und die Print-on-Demand-Funktionen des 3D-Drucks machen ihn ideal für die Entwicklung von Prototypen geeignet. Ein 3D-gedrucktes Teil kann in weniger als einem Tag hergestellt werden. Dies ermöglicht die schnelle Umsetzung neuer Konzepte ohne die für andere gängige Technologien wie Spritzgießen typischen Vorab-Werkzeugkosten. 

5. Barrierefreiheit

Der 3D-Druck hat im letzten Jahrzehnt eine breite Verbreitung gefunden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass einige wichtige Patente von Stratasys im Jahr 2009 ausliefen. Der Open-Source-Charakter des 3D-Drucks hat seitdem die Entwicklung kostengünstiger 3D-Druckmaschinen für Verbraucher ermöglicht. Die vergrößerte Benutzerbasis ermöglichte die Erstellung einer großen Menge leicht zugänglichen Online-Wissens zu Best Practices, Fehlersuche und allgemeinen Optimierungstechniken für den 3D-Druck. Dies hat eine beispiellose Zugänglichkeit ermöglicht, die in anderen Technologiebereichen sehr selten ist.

6. Erweiterte medizinische Versorgung

Die Einführung des 3D-Drucks in der Medizinbranche hat durch die Entwicklung maßgeschneiderter, auf den Patienten abgestimmter Implantate, Prothesen und Bioprinting von Organen zu einer erheblichen Steigerung der personalisierten medizinischen Versorgung geführt. Viele biokompatible Materialien wurden auch für den Einsatz in der medizinischen Industrie entwickelt.

7. Designflexibilität

Im Vergleich zu anderen Technologien unterliegt der 3D-Druck weniger Designbeschränkungen. Beispielsweise sind komplexe Innenhohlräume mit CNC-Bearbeitung und Spritzguss nicht möglich, ohne auf Mehrkomponentenbaugruppen zurückgreifen zu müssen. Dies erhöht die Kosten und die Komplexität. Mit dem 3D-Druck lassen sich komplexe Teile genauso einfach drucken wie einfache. Für den 3D-Druck gibt es zwar immer noch eine Reihe von DFM-Richtlinien (Design for Manufacturing), diese sind jedoch nicht so restriktiv wie andere Fertigungstechnologien. 

8. Abfallreduzierung

Beim 3D-Druck entsteht sehr wenig Abfall. Bei SLS-gedruckten Teilen handelt es sich bei diesem Abfall typischerweise um Stützstrukturen, die nach dem Drucken entfernt werden. Diese Stützstrukturen sind auf möglichst geringes Gewicht optimiert. Subtraktive Fertigungstechniken erfordern die Entfernung großer Materialmengen, wodurch erheblicher Abfall entsteht. Additive Technologien wie der 3D-Druck sind darauf ausgelegt, selektiv Material nur dort hinzuzufügen, wo es benötigt wird. Dadurch wird der minimale Abfall ausgeglichen, der durch Stützstrukturen entsteht. 

9. Starke und leichte Komponenten

Beim 3D-Druck wird Material nur genau dort hinzugefügt, wo es benötigt wird. Beispielsweise können interne Volumina so gestaltet werden, dass sie Netzstrukturen aufweisen, die dort dicht sind, wo Spannungskonzentrationen hoch sind, und weniger dicht in Bereichen, wo sie niedrig sind. Techniken wie topologische Optimierung und generatives Design erzeugen auch Teile, deren Geometrie für einen bestimmten Lastfall optimiert ist, und entfernen Material dort, wo es keinen strukturellen Vorteil hat. Diese Techniken erzeugen oft Teile mit hochkomplexen, organisch anmutenden Geometrien, die eine Herstellung mit anderen Technologien unmöglich machen. 

10. Schnelles Design und Fertigung

Um zu verstehen, wie man für den 3D-Druck entwirft, muss man mit den DFM-Anforderungen vertraut sein. Es ist weniger streng als andere Fertigungstechnologien. Dies erleichtert Ingenieuren die Konstruktion von Teilen, da sie nicht die zahlreichen Einschränkungen anderer Fertigungstechnologien berücksichtigen müssen. In Bezug auf die Herstellung ist der 3D-Druck oft schneller, insbesondere bei komplexen Teilen. Komplexe Teile erfordern möglicherweise mehrere Aufspannungen auf einer CNC-Maschine und müssen möglicherweise auch auf mehreren Maschinen hergestellt werden, wohingegen beim 3D-Druck das gesamte Teil in einer Aufspannung fertiggestellt werden kann. 

Was sind die Nachteile des 3D-Drucks?

Die Nachteile des 3D-Drucks sind:

1. Nachbearbeitung

Die meisten 3D-gedruckten Teile erfordern irgendeine Form der Nachbearbeitung. Typischerweise umfasst die Nachbearbeitung das Entfernen von Stützen, das Aushärten mit UV-Licht, das Sintern in einem Ofen, das Polieren und sogar die Bearbeitung von Bauteilen mit hohen Toleranzen wie Lagergehäusen.  

2. Urheberrechtsbedenken

Aufgrund der Einfachheit und der geringen Kosten, mit denen 3D-gedruckte Objekte hergestellt werden können, ist es einfach, Designs ohne die Zustimmung des ursprünglichen Erstellers zu duplizieren. Es gibt Millionen frei verfügbarer Designs im Internet, die einfach heruntergeladen und kopiert werden können, ohne dass der ursprüngliche Eigentümer des geistigen Eigentums genannt oder entschädigt wird oder er sich dessen jemals bewusst ist. Auch das 3D-Scannen ist zugänglicher geworden, was bedeutet, dass reale Objekte gescannt und dann dupliziert werden können. 

3. Große Mengen

Der 3D-Druck war schon immer ein Produktionsverfahren für kleine bis mittlere Stückzahlen. Dies ist vor allem auf die schichtweise Herstellung von 3D-gedruckten Objekten zurückzuführen. Dieses Problem verschärft sich noch, wenn qualitativ hochwertige Teile gewünscht werden, bei denen jeweils dünnere Schichten aufgetragen werden müssen. Einige Drucktechnologien wie HP Multijet können das gesamte Volumen zum Drucken mehrerer Teile nutzen. Dennoch ist die Zykluszeit deutlich langsamer als bei anderen ausgereifteren Fertigungstechnologien. 

4. Die Materialien sind begrenzt

Durch den 3D-Druck kommen ständig neue Materialien hinzu. Allerdings sind diese im Vergleich zu ausgereifteren Fertigungstechnologien immer noch begrenzt. Während es möglich ist, Teile aus vielen gängigen Kunststoffen und Metallen zu drucken, ist es nicht möglich, die Tausenden von Legierungen und Verbindungen zu nutzen, die entwickelt wurden. Das liegt einfach daran, dass diese Legierungen und Verbindungen nicht in eine Form umgewandelt wurden, die mit dem 3D-Druck kompatibel ist. 

5. Teilestruktur

Einige 3D-Drucktechnologien wie FDM und SLS erzeugen Teile, deren Eigenschaften anisotrop sind. Das bedeutet, dass die Leistung der Teile je nach Belastungsrichtung variiert. Typischerweise sind die Teile auf der Z-Achse am schwächsten, die als die Achse definiert ist, die vom Druckbett des 3D-Druckers nach oben zeigt. 

6. Einschränkungen der Build-Größe

3D-Drucker verfügen über eine große Auswahl an Baugrößen. Allerdings haben die für die Produktion üblicherweise verwendeten Drucker ein geringeres Bauvolumen als großtechnische Fertigungstechnologien wie Laserschneiden, Horizontalfräsen und Metallguss. Daher wird der 3D-Druck im Allgemeinen für die Herstellung komplexer Komponenten in kleinem Maßstab verwendet. Es ist zu beachten, dass es Ausnahmen von dieser Regel gibt, da einige spezialisierte 3D-Drucker über sehr große Bauvolumina verfügen.

7. Stellenabbau in der Fertigung

Der 3D-Druck ist eine hochautomatisierte Technologie. Die einzige menschliche Interaktion besteht darin, Teile einzurichten, zu entfernen und nachzubearbeiten, was normalerweise alles von einer Person erledigt werden kann. Tatsächlich kann eine Person problemlos mehrere Maschinen bedienen. Ein 3D-Drucker kann auch ein Teil herstellen, für das normalerweise mehrere Maschinen und damit auch mehrere Maschinenbediener erforderlich wären. Dies bedeutet, dass einige Jobs überflüssig werden können, wenn 3D-Druck anwendbar ist. Dies ist jedoch nicht nur beim 3D-Druck der Fall, sondern findet im gesamten Fertigungssektor statt. 

8. Ungenauigkeiten im Design

3D-gedruckte Objekte sind nicht für ihre Genauigkeit und Dimensionsstabilität bekannt. Teile können sich beim Drucken verziehen. Selbst die genauesten 3D-Drucker können nicht mit der Genauigkeit mithalten, die mit erstklassigen CNC-Maschinen erreichbar ist. CNC-Maschinen können wiederholt Teile mit einer Genauigkeit von 0,025 mm herstellen, verglichen mit 0,4 mm mit DMLS-3D-Druckmaschinen. 

Häufig gestellte Fragen zu den Vor- und Nachteilen des 3D-Drucks

Was sollte ich vor dem Kauf eines 3D-Druckers wissen?

Beim Kauf eines 3D-Druckers ist es wichtig, den beabsichtigten Einsatzzweck zu verstehen. Wenn das Ziel beispielsweise darin besteht, visuelle Prototypen zu erstellen, ist ein FDM-Drucker möglicherweise besser geeignet. Wenn jedoch Teile in Luft- und Raumfahrtqualität für Anwendungen mit hoher Belastung hergestellt werden müssen, wären Technologien wie DMLS besser geeignet. Weitere Informationen finden Sie in unserem Leitfaden zu den 10 Dingen, die Sie beim Kauf eines 3D-Druckers beachten sollten.

Welche Anwendungen hat der 3D-Druck heute?

Die Anwendungen des 3D-Drucks sind vielfältig. Es hat alle wichtigen Industrien infiltriert und findet Anwendung in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin-, Biotechnologie- und sogar Lebensmittelindustrie. In einigen Fällen wird der 3D-Druck zur Herstellung von Hüftgelenken eingesetzt, in anderen Fällen übernimmt er eine Hilfsfunktion, um bestehenden Fertigungstechnologien wie Vorrichtungen für die CNC-Bearbeitung einen Mehrwert zu verleihen. Weitere Informationen finden Sie in unserem Artikel über die Anwendungen des 3D-Drucks.

Welche Anwendungen wird der 3D-Druck in Zukunft haben?

Die 3D-Drucktechnologie wird weiter ausgereift sein. Viele der heute vorhandenen Nachteile könnten im nächsten Jahrzehnt verschwunden sein. Der 3D-Druck ist auf dem besten Weg, sich zu einer etablierteren Fertigungstechnologie mit einem breiten Anwendungsspektrum zu entwickeln. Einer der aufregenderen Fortschritte ist die Herstellung patientenspezifischer Organe für abstoßungsfreie Transplantationen. Eine andere Möglichkeit ist die Herstellung von Teilen mit Flüssigkeitskanälen, mehreren Materialien und verschiedenen anderen Hilfskomponenten, die in einem Arbeitsgang in das Teil eingedruckt werden. Ein Beispiel wäre das Bein der nächsten Generation des Boston Dynamics Atlas-Roboters.

Ist 3D-Druck vorteilhaft?

Ja, der 3D-Druck ist vorteilhaft und hat in vielen Anwendungen Anwendung gefunden. In Fällen, in denen es nicht zur direkten Herstellung eines Teils verwendet werden kann, kann der 3D-Druck zur Verbesserung der Effizienz von Maschinen- und Montagebedienern eingesetzt werden.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurden die Vor- und Nachteile des 3D-Drucks vorgestellt, erklärt, was sie sind, und erörtert, welche Rolle sie jeweils beim 3D-Druck in der Fertigung spielen. Um mehr über den 3D-Druck zu erfahren, wenden Sie sich an einen Xometry-Vertreter.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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