Grundlagen 3D-Druck

Der 3D-Druck übt seit seiner Erfindung und der Markteinführung  der ersten Geräte eine große Faszination auf Konstrukteure, Ingenieure, Techniker und Handwerker aus. Die Aussicht auf die Realisierung bisher nicht dagewesener Produktgeometrien sowie die einfache Herstellung von Einzelanfertigungen beflügelt die Fantasie. Doch nicht alles was denkbar ist, kann auch wirtschaftlich sinnvoll hergestellt werden. Die mögliche Verwendung eines 3D-Druckers hängt im Wesentlichen vom Grundmaterial wie z.B. Kunststoff oder Metall sowie von der Größe des Fertigungsstückes ab. Nachfolgend haben wir einige Informationen zum Thema 3D-Druck zusammengestellt.

Additive Fertigunsverfahren

Der 3D-Druck gilt als das Synonym für Additive Fertigungsverfahren. Dabei handelt es sich um eine Technik, bei dem auf der Basis von digitalen 3D-Konstruktionsdaten durch das Ablagern von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Somit unterscheidet sich das 3D-Druck Verfahren entscheidend von herkömmlichen, abtragenden (substraktiven) Methoden, wie z. B. dem Fräsen.  Hierbei wird aus einem festen Block das Fertigungsteil herausgefräst, während bei der Additiven Fertigung das Bauteil Schicht für Schicht aus Werkstoffen hergestellt wird. Als Materialien stehen aktuell verschiedene Holz- und Kunststoffe sowie einige Verbundwerkstoffe zur Verfügung.

Besondere Bedeutung kommt den Additiven Fertigungsverfahren im Rapid Prototyping zu. Hierbei handelt es sich um den Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen. Da es möglich ist, verschiedene Modellvarianten schnell und ohne Herstellung von speziellen Werkzeugen (wie z.B. Spritzgusswerkzeugen) herzustellen, wird der Entwicklungsprozess deutlich beschleunigt und die Kosten reduzieren sich.

Wo konventionelle Fertigungsverfahren an ihre Grenzen stoßen, zeigen Additve Fertigungsverfahren ihre Stärke. Hierfür ist jedoch ein Umdenken notwendig, denn bei Additiven Fertigungsverfahren bestimmt die Konstruktion die Fertigung und nicht umgekehrt.

Materialien

Aktuell wird beim 3D-Druck mit vielen Materialien  experimentiert. Markgängige Materialien sind Kunststoff, Metall und verschiedenen Verbundstoffe. Aber auch mit Materialien wie z.B. Keramik, Beton oder aber Schokolade wurden schon Produkte mit Hilfe eines 3D-Druckers hergestellt. So gibt es unter anderem in China und in den Niederlanden erste Häuser, die mittels eines überdimensonalen 3D-Drucker hergestellt wurden. Bei vielen Materialien wie z. B. den Kunststoffen können sehr unterschiedliche Sorten verwendet werden, die sich in der Steifigkeit, der Hitzbeständigkeit, der Widerstandfähigkeit u. v. m. unterscheiden. So sind für den Filamentdrucker (Kunststofffaden) die Sorten PLA und ABS Standard. PLA besteht aus biologisch abbaubarem Kunststoff, der aus nachwachsenden Rohstoffen wie z.B. Maisstärke gewonnen wird. ABS, also Acrylnitril-Butadien-Styrol, ist nicht so umweltfreundlich wie PLA. Es besteht aus Acrylnitril, Butadien und Styrol.

Fertigungsverfahren

Es gibt eine Vielzahl von Druckverfahren, welche die Verarbeitung unterschiedlicher Materialien ermöglichen. Einige der bekanntesten Verfahren sind das Lasersintern (SLS), die Stereolithografie (SLA), das Laserschmelzverfahren (SLM), Fused Deposit Modeling (FDM) u. v. m.. Die einzelnen 3D-Druckverfahren stellen wir in späteren Fachbeiträgen noch genauer vor.  

Der Drucker

Neben dem Druckverfahren geben einige technische Daten Auskunft darüber, welche Leistungsfähigkeit ein 3D-Drucker besitzt. Einige wesentliche Merkmale sind nachfolgend zusammengefasst:

Druckraum:  Der Druckraum gibt  die maximale Größe des Druckobjekts an. Die genaue Angabe des Druckraums erfolgt mittels der Achsen X (Breite), Y (Tiefe) und Z (Höhe). Wie groß der Druck sein sein muss, hängt entscheidend davon ab, wie groß oder klein die Druckobjekte werden sollen.

Positioniergenauigkeit: Damit wird augedrückt, wie exakt die Steuerung des Druckers einen bestimmten Punkt auf der XYZ-Achse ansteuern kann. Je genauer, desto detailgetreuer und feiner wird das Druckergebnis. (Quelle: Golem)

Maximale Druckgeschwindigkeit: Dieser Wert gibt an, wie schnell die Düse z. B. bei einem Filmanetdrucker arbeitet. Je schneller die Druckgeschwindigkeit ist, desto schneller ist auch die Produktion.

Minimale Schichthöhe: Dies ist neben der Positioniergenauigkeit der wichtigste Wert für die Druckqualität. Und hier gilt: je geringer der Wert, desto besser ist der 3D-Drucker, je dünner die einzelne Schicht ist, umso detailgetreuer wird das Objekt und umso weniger sind die Rillen zu bemerken. Eine geringere Schichthöhe führt damit auch zu einer glatteren Oberfläche. I