Was ist 3D-Druck? Arbeitsprinzip | Typen | Anwendungen

Das Konzept des 3D-Drucks wurde von David E.H. Jones im Jahr 1974. Methoden und Materialien zur Herstellung von Modellen wurden jedoch erst Anfang der 1980er Jahre entwickelt.

Der Begriff „3D-Druck“ umfasst zahlreiche Verfahren und Techniken, die ein breites Spektrum an Möglichkeiten für die Herstellung von Teilen und Produkten aus unterschiedlichen Materialien bieten. In den letzten Jahren haben sich diese Verfahren stark weiterentwickelt und können heute in vielen Anwendungen entscheidende Rollen übernehmen.

Dieser Übersichtsartikel soll die verschiedenen Arten und Verfahren des 3D-Drucks erklären, wie sie funktionieren und was ihre Verwendungen und Vorteile auf dem aktuellen Markt sind. Beginnen wir mit einer sehr grundlegenden Frage.

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ist ein Verfahren zur Herstellung eines physischen Objekts aus einem dreidimensionalen digitalen Modell oder einem CAD-Modell. Es beinhaltet verschiedene computergesteuerte Techniken, bei denen Material verbunden oder verfestigt wird, um ein tatsächliches Objekt zu bauen.

Typischerweise wird das Material (wie Pulverkörner oder flüssige Moleküle, die miteinander verschmolzen werden) Schicht für Schicht im Millimeterbereich hinzugefügt. Aus diesem Grund wird der 3D-Druck auch als additiver Fertigungsprozess bezeichnet.

Das Bild zeigt, wie ein 3D-Drucker dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht druckt | 3D-Logik

In den 1990er Jahren wurden 3D-Drucktechniken als Rapid Prototyping bezeichnet. Sie waren nur für die Herstellung von ästhetischen oder funktionalen Prototypen geeignet. Seitdem haben wir einen langen Weg zurückgelegt.

Die heutige 3D-Drucktechnologie ist fortschrittlich genug, um komplexe Strukturen und Geometrien zu erstellen, die sonst nicht manuell erstellt werden könnten.

Die Präzision, Materialvielfalt und Wiederholbarkeit des 3D-Drucks ist so weit gestiegen, dass wir fast alles konstruieren können – von einfachen Prototypen bis hin zu komplexen Endprodukten wie umweltfreundlichem Bauen, Flugzeugteilen, medizinischen Instrumenten und sogar künstlichen Organen aus Schichten von menschliche Zellen.

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Wie funktioniert es genau?

Alle 3D-Drucktechniken basieren auf dem gleichen Prinzip:Ein 3D-Drucker nimmt ein digitales Modell (als Eingabe) und verwandelt es in ein physisches dreidimensionales Objekt, indem er Material Schicht für Schicht hinzufügt.

Es unterscheidet sich deutlich von herkömmlichen Herstellungsverfahren wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung, bei denen verschiedene Schneidwerkzeuge verwendet werden, um die gewünschte Struktur aus einem massiven Block zu konstruieren. Der 3D-Druck erfordert jedoch keine Schneidwerkzeuge:Objekte werden direkt auf der gebauten Plattform hergestellt.

Der Prozess beginnt mit einem digitalen 3D-Modell (einer Blaupause des Objekts). Die Software (spezifisch für den Drucker) schneidet das 3D-Modell in dünne, zweidimensionale Schichten. Es wandelt sie dann in eine Reihe von Anweisungen in Maschinensprache um, die der Drucker ausführen kann.

Je nach Druckertyp und Objektgröße dauert ein Druck mehrere Stunden. Das gedruckte Objekt erfordert oft eine Nachbearbeitung (wie Schleifen, Lackieren, Lackieren oder andere Arten konventioneller Endbearbeitung), um das optimale Oberflächenfinish zu erreichen, was zusätzlichen Zeit- und manuellen Aufwand erfordert.

Verschiedene Arten von 3D-Druckern verwenden eine unterschiedliche Technologie, die verschiedene Materialien auf unterschiedliche Weise verarbeitet. Die vielleicht grundlegendste Einschränkung des 3D-Drucks in Bezug auf Materialien und Anwendungen besteht darin, dass es keine Universallösung gibt.

Arten/Verfahren des 3D-Drucks

Gemäß der Norm ISO/ASTM 52900 lassen sich alle 3D-Druckverfahren in sieben Gruppen einteilen. Jedes hat Vor- und Nachteile, die normalerweise Aspekte wie Kosten, Geschwindigkeit, Materialeigenschaften und geometrische Einschränkungen beinhalten.

1. Bottich-Photopolymerisation

Illustration von SLA:Ein Laser(a) beleuchtet selektiv den transparenten Boden(c) eines Tanks, der mit einem flüssigen photopolymerisierenden Harz gefüllt(b) ist. Die Hebeplattform(e) zieht das verfestigte Harz (d) nach und nach nach oben.

Ein auf Vat-Photopolymerisation basierender 3D-Drucker hat einen mit Photopolymerharz gefüllten Behälter, der mit einer ultravioletten Lichtquelle zu einem Objekt gehärtet wird. Die drei häufigsten Formen der Kesselpolymerisation sind

1a) Stereolithographie (SLA): SLA wurde 1984 erfunden und verwendet einen ultravioletten Laser, um chemische Monomere und Oligomere zu vernetzen, um Polymere zu bilden, die den Körper eines dreidimensionalen Festkörpers bilden. Der Prozess ist zwar schnell und kann fast jede Struktur erstellen, kann aber teuer sein.

1b) Digitale Lichtverarbeitung (DLP): Es verwendet konventionelle Lichtquellen wie Bogenlampen (anstelle von Lasern). Jede Schicht des Objekts wird auf den Bottich aus flüssigem Harz projiziert, der dann Schicht für Schicht verfestigt wird, wenn sich die Hebebühne nach oben oder unten bewegt.

1c) Kontinuierliche Liquid Interface Production (CLIP): Es ist der Stereolithographie ähnlich, aber kontinuierlich und bis zu 100-mal schneller. CLIP kann gummiartige und flexible Objekte mit glatten Seiten herstellen, die mit anderen Techniken nicht erstellt werden könnten.

2. Materialextrusion

Illustration der Materialextrusion:Düse(1) trägt Material(2) auf einer Bauplattform(3) auf.

Bei diesem Verfahren wird ein Filament aus festem thermoplastischem Material durch eine beheizte Düse geschoben, die das Material aufschmilzt und entlang einer vorgegebenen Bahn auf einer Bauplattform ablegt. Dieses Material kühlt schließlich ab und verfestigt sich und bildet ein dreidimensionales Objekt. Die am häufigsten verwendeten Techniken in diesem Prozess sind

2a) Fused Deposition Modeling (FDM): Es verwendet ein kontinuierliches Filament aus einem thermoplastischen Material wie Nylon, thermoplastischem Polyurethan oder Polymilchsäure.

2b) Robocasting: Dabei wird ein pastöses Material aus einer kleinen Düse extrudiert, während die Düse über eine Bauplattform bewegt wird. Der Prozess unterscheidet sich von FDM, da er nicht auf das Trocknen oder Verfestigen des Materials angewiesen ist, um seine Form nach der Extrusion beizubehalten.

3. Blattlaminierung

Einige Drucker verwenden Papier und Kunststoff als Baumaterial, um die Druckkosten zu senken. Bei dieser Technik werden mehrere Schichten klebender Kunststoff-, Papier- oder Metalllaminate nacheinander verbunden und mit einem Laserschneider oder -messer in Form geschnitten.

Die Schichtauflösung kann durch das Materialfeedstock definiert werden. Typischerweise liegt er zwischen einem und einigen Blättern Kopierpapier. Der Prozess kann verwendet werden, um große Teile herzustellen, aber die Maßgenauigkeit des Endprodukts wird deutlich geringer sein als bei der Stereolithographie.

4. Gezielte Energiedeposition

Die Directed-Energy-Deposition-Technik wird häufig in der Hightech-Metallindustrie und in Rapid-Manufacturing-Anwendungen verwendet. Die Druckvorrichtung enthält eine Düse, die an einem mehrachsigen Roboterarm befestigt ist. Die Düse deponiert ein Metallpulver auf der Bauplattform, das dann durch einen Laser-, Plasma- oder Elektronenstrahl geschmolzen wird, um einen festen Gegenstand zu bilden.

Diese Art des 3D-Drucks unterstützt verschiedene Metalle, funktionell abgestufte Materialien und Verbundwerkstoffe, einschließlich Aluminium, Edelstahl und Titan. Es kann nicht nur komplett neue Metallteile konstruieren, sondern auch Material(e) an bestehende Teile anbringen, was hybride Fertigungsanwendungen ermöglicht.

5. Materialstrahlen

Teile, die im Material Jetting-Verfahren gedruckt wurden 

Material Jetting funktioniert ähnlich wie Tintenstrahl-Papierdrucker. Bei diesem Verfahren wird ein lichtempfindliches Material in Tröpfchen durch eine Düse mit kleinem Durchmesser aufgetragen und dann durch ultraviolettes Licht gehärtet, wodurch ein Teil Schicht für Schicht gebildet wird.

Die bei dieser Technik verwendeten Materialien sind duroplastische Photopolymere (Acryl). Multi-Material-Druck und eine breite Palette von Materialien (einschließlich gummiähnlicher und transparenter Materialien) sind ebenfalls verfügbar.

Da mit dem Material Jetting 3D-Druck Teile mit hoher Maßgenauigkeit und glatter Oberfläche hergestellt werden können, ist dies eine attraktive Option für die Herstellung sowohl von visuellen Prototypen als auch von kommerziellen Werkzeugen.

6. Binder Jetting

Ein Vollfarbdruck aus Sandstein mit Binder Jetting | Bildnachweis:3D Hubs 

Beim Binder Jetting werden zwei Materialien verwendet:pulverförmiges Grundmaterial und ein flüssiges Bindemittel. Das Pulver wird in gleichmäßigen Schichten in der Baukammer verteilt und das Bindemittel wird durch Strahldüsen aufgetragen, die die Pulverpartikel „kleben“, um das gewünschte Objekt zu bauen.

Wachs oder duroplastisches Polymer wird oft mit gebundenem Pulver vermischt, um seine Festigkeit zu erhöhen. Nachdem der 3D-Druck abgeschlossen ist, wird das übrig gebliebene Pulver gesammelt und zum Drucken einer anderen Struktur verwendet.

Da die Technik einem Inkjet-ähnlichen Verfahren sehr ähnlich ist, wird sie auch als Inject 3D Printing bezeichnet. Es wird hauptsächlich zum Drucken von Elastomerteilen, Überhängen und bunten Prototypen verwendet.

7. Pulverbett-Fusion

Ein SLS-System | DTM – 2500CI 

Die Pulverbettfusion ist eine Teilmenge der additiven Fertigung, bei der eine Wärmequelle (wie ein Thermodruckkopf oder ein Laser) verwendet wird, um Material in Pulverform zu verfestigen, um physikalische Objekte zu bauen. Die fünf häufigsten Formen dieser Technologie sind

7a) Selektives Lasersintern (SLS): Es verwendet einen Laser als Stromquelle, um pulverförmiges Material wie Polyamid oder Nylon zu sintern. Hier bezieht sich der Begriff Sintern auf den Prozess des Verdichtens und Formens einer festen Materialmasse durch Anwendung von Druck oder Hitze, ohne dass es bis zur Verflüssigung geschmolzen wird.

7b) Selektives Laserschmelzen (SLM): Im Gegensatz zu SLS ist diese Technik darauf ausgelegt, Metallpulver vollständig zu schmelzen und zu verschmelzen. Es kann vollständig dichte Materialien (Schicht für Schicht) erzeugen, die mechanische Eigenschaften haben, die denen von traditionell hergestellten Metallen ähneln. Dies ist einer der sich schnell entwickelnden Prozesse, der sowohl in der Industrie als auch in der Forschung implementiert wird.

7c) Elektronenstrahlschmelzen (EBM): Dabei wird das Rohmaterial (Draht oder Metallpulver) in ein Vakuum gelegt und mit einem Elektronenstrahl verschmolzen. Obwohl EBM nur mit leitfähigen Materialien verwendet werden kann, hat es aufgrund seiner höheren Energiedichte eine überlegene Baugeschwindigkeit.

7d) Selektives Heißsintern (SHS): Es verwendet einen Thermodruckkopf, um Wärme auf Schichten aus pulverisiertem Thermoplast aufzubringen. Sobald die Schicht fertig ist, bewegt sich das Pulverbett nach unten und eine neue Materialschicht wird hinzugefügt, die dann gesintert wird, um den nächsten Querschnitt des Modells zu bilden. Diese Technik eignet sich am besten zur Herstellung kostengünstiger Prototypen und Teile für Funktionstests.

7e) Direktes Metall-Lasersintern (DMLS): Es ähnelt SLS, verwendet jedoch stattdessen Metallstrom. Die übrig gebliebene Energie wird zu einer Stützstruktur für das Objekt und kann für den nächsten 3D-Druck wiederverwendet werden. DMLS-Teile werden hauptsächlich aus pulverförmigen Materialien wie Titan, Edelstahl, Aluminium und mehreren Nischenlegierungen hergestellt. Es ist ein idealer Prozess für kundenspezifische medizinische Teile, Öl- und Gaskomponenten und robuste Funktionsprototypen.

Bewerbung

In den letzten zehn Jahren hat sich der 3D-Druck stark entwickelt. Da es zur schnellen Herstellung komplexer Designs zu geringeren Kosten verwendet werden kann, ist es in einer Vielzahl von Branchen zu einem unverzichtbaren Werkzeug geworden, von der kommerziellen Fertigung und Medizin bis hin zu Architektur und kundenspezifischem Design.

Viele additive Fertigungstechniken können zur Herstellung von Lebensmittelprodukten verwendet werden. Moderne 3D-Drucker sind mit vorinstallierten Rezepten an Bord und ermöglichen es Benutzern auch, ihre Lebensmittel aus der Ferne auf ihren Computern und Smartphones zuzubereiten. Das 3D-gedruckte Essen kann in Textur, Farbe, Form, Geschmack und Nährwert angepasst werden.

Die Technologie hat sich auch in pharmazeutischen Formulierungen als wirksam erwiesen. Die erste im 3D-Druck hergestellte Formulierung wurde 2015 hergestellt. Im selben Jahr genehmigte die FDA die erste 3D-gedruckte Tablette.

Zero-G-3D-Drucker im Jahr 2014 an die ISS gesendet  

2014 lieferte SpaceX den ersten Schwerelosigkeits-3D-Drucker an die Internationale Raumstation ISS. Es wird jetzt von Astronauten verwendet, um nützliche Werkzeuge wie Steckschlüssel zu drucken.

Tatsächlich werden viele Montageprojekte, die auf Planeten oder Asteroiden geplant sind, irgendwie mit den in den umliegenden Regionen verfügbaren Materialien durchgeführt. 3D-Druck ist einer der wichtigsten Schritte bei diesem Bootstrapping.

Heutzutage integrieren Technologieunternehmen die additive Fertigung mit Cloud Computing, um eine dezentrale und geografisch unabhängige verteilte Produktion zu ermöglichen. Einige Unternehmen bieten sowohl privaten als auch gewerblichen Kunden Online-3D-Druckdienste (über eine Website) an.

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Zukunft des 3D-Drucks

Der große Traum vom 3D-Druck ist „eine Fabrik in jedermanns Haus“. Es mag seltsam klingen, aber es ist nicht zu leugnen, dass es faszinierend ist, eine Maschine zu besitzen, die sofort unendlich anpassbare Dinge produzieren kann.

Ähnlich wie Computer und Smartphones Milliarden von Menschen ermöglicht haben, könnten 3D-Drucker dasselbe für die Fertigung tun.

Laut GrandViewResearch wurde der weltweite Markt für 3D-Druck im Jahr 2019 auf 11,58 Milliarden US-Dollar geschätzt und wird bis 2027 voraussichtlich über 33 Milliarden US-Dollar erreichen (bei einer Wachstumsrate von 14% pro Jahr).

Zu den Faktoren, die das Marktwachstum voraussichtlich antreiben werden, gehören die aggressive Forschung und Entwicklung und die steigende Nachfrage nach Prototyping-Anwendungen aus verschiedenen Branchen, insbesondere aus der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Verteidigung und dem Gesundheitswesen.