3D-Druckverfahren
Wenn es um 3D-Druck geht, denken die meisten immer sofort an Kunststoffe, die erhitzt und nach einem Schema aus einer Düse gepresst werden. Dieses Verfahren, auch als FDM bezeichnet, ist das populärste unter den 3D-Druckverfahren aber nicht das Einzigste. Mit diesem Artikel will ich euch die wichtigsten Verfahren vorstellen.
3D-Drucker gehören zu den additiven Fabricatoren. Also eine Maschine die 3-dimensionale Gegenstände auf Basis von computergenerierten CAD-Dateien durch hinzufügen oder ablagern eines Grundwerkstoffen erzeugt.
Die andere grundlegende Klasse dieses Maschinentyps sind die subtraktiven Fabricatoren, welche 3d-Modele durch abtragen & abtrennen von Material herstellen.
Da wäre die CNC-Fräse zu erwähnen.
Aber zurück zum Thema...
1. Binder Jetting
Der eigentliche 3D-Druck!
Dieses Verfahren ist in den VDI-Richtlinien (Verein deutscher Ingenieure) unter dem Namen "3D-Drucken" genormt. Entwickelt wurde Binder Jetting vom MIT, welches auch ein Patent für diese Verfahren ausgesprochen bekam.
"3D-Drucken" setzte sich aber als generischer Begriffe für alle generativen Fertigungsverfahren durch.
Wie bei allen generativen Fertigungsverfahren werde die Objekte schichtweise aufgebaut. Aus 3D-Daten (z.B. CAD-Dateien) werden die einzelnen Schichten berechnet.
Änhlich wie bei einem Tintenstrahldrucker wird hier Binder durch einen Druckkopf über eine darunter liegende Pulver/Granulat-Schicht auf gedruckt. Danach wird durch einen elektrischen Rakel eine neue Schicht Granulat aufgetragen und der Vorgang wiederholt sich solange bis das Objekt fertig ist.
Das überschüssige Granulat wird entfernt und kann wieder verwendet werden..jpg)
Von Davidvx - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0
Theoretisch sind alle Werkstoffe möglich die mit Binder verklebt werden können. Als Binder können z.B. Klebstoffe auf Wasserbasis, Kunstharze oder auch sogar lebende Zelle verwendet werden.
Für herausragende oder überhängende Strukturen ist kein Stützmaterial nötig weil das Objekt von dem Pulver/Granulat umschlossen ist, und so auch getragen wird.
2. Stereolithografie (SLA)
Dieses Verfahren wurde schon 1981 von Charles W. Hull erfunden und 1983 erstmals in der Praxis angewandt.
Der Grundwerkstoff bei diesem Verfahren ist ein flüssiger Kunststoff (Photopolymer), z.B. Epoxidharz, welcher unter Lichteinstrahlung aushärtet. Der Vorgang geschiet in einem Becken das mit dem photosensitiven Kunststoff gefüllt ist. Ein Laser härtet die entsprechende Stellen aus, danach wird die Bauplattform um die ensprechende Schichthöhe abgesenkt (Standartschichthöhe: 0,1-0,025 mm)und die nächste Schicht wird ausgehärtet. So entsteht Schritt für Schritt ein 3-dimensionales Objekt .
Von Laurensvanlieshout aus nl, CC BY-SA 3.0
Dieses Verfahren erzielt momentan die höchstmögliche Genauigkeit aber die Objekte sind eher spröde und damit ist ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzt. Mittlerweile gibt es auch Geräte die das 3d-Objekt nicht absenken sondern dieses Schicht für Schicht aus dem Becken herausziehen.
3. Continuous Liquid Interface Production (CLIP)
Die Firma Carbon3D stellte dieses Verfahren 2015 in Vancouver vor und besticht durch seine sehr hohe Druckgeschwindigkeit. Es ist 25-100mal schneller als herkömmliche 3D-Druckverfahren und es ist in der Lage Objekte ohne sichtbaren Schichten herzustellen.
Quelle
Im linken Bild sieht man deutlich die Schichten bei traditionellen Verfahren im rechten Bild CLIP
Ähnlich wie bei SLA, befindet sich ein photosensitiver Kunststoff (auch Resin genannt) in einem Becken und wird von unten mit einer UV-Lampe bestrahlt. Aber der Boden des Beckens besteht hier aus einem licht- und sauerstoffdurchlässigen Material, ähnlich dem vom Kontaktlinsen. Sauerstoff verhindert das Aushärten des Kunststoffes (Resins) und bildet dadurch in der untersten Schicht eine sogenannte "dead zone", welche den weiteren Aufbau des Objekts ermöglicht, das nun kontinuierlich aus dem Becken nach oben gezogen wird.
4. Fused Deposition Modeling (FDM)/Fused Filament Fabrication (FFF)
Diese Verfahren wurde von S. Scott Crump in den späten 80ern entwickelt, und in den 90ern kommerzielle genutzt. Der Ausdruck "FDM" ist markenrechtlich geschützt und deswegen wurde von Mitglieder des Reprap-Projektes der Ausdruck "FFF" geprägt um einen markenrechtsfreien Wortgebrauch zu ermöglichen. Es ist eines der populärsten und günstigsten Verfahren - FDM Drucker-Bausätze kann man schon für ca. 130€ erwerben.
Bei diesem Verfahren werden Kunststoffe - wie zum Bespiel PLA oder ABS - auf eine Schmelztemperatur zwischen ca. 190-240°C erhitzt und Schicht für Schicht durch eine Düse(Extruder) auf eine meist beheizte Grundplatte aufgetragen. Schichthöhen liegen hier bei 0,1-0,4mm und einer Mindestwandstärke von 0,2mm. Durch Hinzufügen von weiteren Extrudern können auch zwei- oder mehrfarbige Objekte hergestellt werden.
Ein kleines Beispielvideo von meinem FFF-Drucker.
Und so sieht dann der fertige Würfel aus
Für Überhänge oder herausragende Objekteteile benötigt man Stützstrukturen, die nach dem Prozess entfernt werden müssen.
5. Selective Laser Sintering (SLS), Selektives Laserschmelzen
Auch bei diesem Verfahren wird ein 3D-Model Schicht für Schicht hergestellt.
Hierbei kann als Grundwerkstoff neben den bekannten Thermoplasten: Polycarbonate, Polyamide, Polyvinylchlorid auch Metalle, Keramiken und Sand verarbeitet werden.
Dazu wird ein Pulver, des gewünschten Werkstoffes, mit Hilfe eines Rakel/Walze gleichmäßig auf einer Bauplattform verteilt (Schichtdicken ca. von 1 bis 200 µm) und mit einem Laser die Schichtkontur des 3D-Model eingeschmolzen. Darauf senkt sich die Bauplattform ab, neues Pulver wird aufgetragen und der Laser schmilzt die nächste Ebene.
Von Materialgeeza - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0
Stützstrukturen entfallen, da das Objekt durch nicht verschmolzenes Material getragen wird.
6. Electron Beam Melting (EBM)
Bei diesem Verfahren wird , ähnlich wie beim Selective Laser Sintering (SLS), ein metallische Pulver durch einen Elektronenstrahl gezielt verschmolzen. Das Prinzip wird unter Vakuum durchgeführt, so sollen Sauerstoffeinlagerungen in das Objekt verhindert werden. Beim EBM wird der Schmelzstrahl durch ein Magnetfeld gesteuert und damit trägheitsfrei abgelenkt. Dadurch sind theoretisch höhere Produktiongeschwindigkeiten als beim SLS-Prinzip, dort wird der Schmelzstrahl mechanisch gesteuert, möglich. Außerdem ermöglich EBM auch die Verarbeitung von Metalen mit einem sehr hohen Schmelzpunkt.
Die Auflösung der Objekte ist meist schlechter als bei SLS-Verfahren.
7. Multi Jet Modeling (MJM)
Hier werden, wieder ähnlich wie bei einem Tintstrahldrucker, meist photosensitive Kunststoffe durch einen Druckkopf auf eine Baufläche aufgetragen und unmittelbare, durch eine UV-Lichtquelle die auch am Druckkopf befestigt ist, ausgehärtet. Danach bewegt sich der Druckkopf um die Höhe einer Schicht nach oben und der Vorgang wiederholt sich. Technisch sind Auflösungen von 450 dpi möglich.
Eine andere Varianten ist, mit Hilfe der Druckköpfe, einen Klebstoff auf einen Pulver aufzubringen welches sich in einer absenkbaren Wanne befindet.
Hierdurch entfallen, wie bei der ersten Variante noch notwendig, Stützstrukturen weil das zu erstellende Objekt von Pulver ganz umschlossen ist.
Durch Variante 2 ist auch möglich ein Metall(Pulver)-Klebstoff-Verbund herzustellen, wobei der Klebstoff in einem 2ten Behandlungsschritt ausgebrannt werden kann um ein massives Metallobjekt zu erhalten.
8. Contour Crafting (CC)
Dieses Verfahren dient zur Erstellung von Gebäuden. Werkstoff ist hier ein schnellhärtender Beton. Ein Portalroboter gießt mit diesem Beton die Umrisse der Gebäudemauern, welche später mit normalem Beton ausgegossen werden können.
Quelle
Durch mein eigenes Interesse an diesem Thema, hatte ich mich entschieden eine Zusammenfassung der wichtigsten Verfahren zu erstellen. Ich hoffe, ich kann hierdurch auch andere für den 3D-Druck begeistern.
Da dies mein erster Beitrag dieser Art ist, freue ich mich über eure Tips, was ich noch besser machen kann.
LG
Quellen:
https://www.carbon3d.com/process/
http://3d-druckercheck.de/3d-druck-verfahren/
Wikipedia
XYZ calibration cube
3D-Druck ist schon eine sehr coole und zukunftsweisende Technologie. Danke für diese gute Übersicht!
Hast du sehr gut beschrieben, Quellen samt Bilder brav zitiert. Gerne mehr von der Art!
Kann mich @sco nur anschließen, weiter so!
Danke :-)
Echt eine gelungene Zusammenfassung!
Das meiner Meinung nach beste Werk, sowohl für einen Allgemeinen Überblick als auch zum Nachschlagen von Limitationen und Empfehlungen verwende ich 3D-Drucken von Petra Fastermann. Das kann ich an dieser Stelle allen weiter Interessierten nur empfehlen! :)
ad) 2. Stereolithografie (SLA)
Die Version, bei welcher das erzeugte Produkt aus der Polymerlösung herausgezogen wird, wird als CLIP (Continuous Liquid Interface Production) bezeichnet und kann Produkte ohne erkennbarer Schichtstruktur und sogar relativ vernünftigen mechanischen Eigenschaften produzieren. Ganz nebenbei kann dieses Verfahren 25-100 Mal schneller arbeiten als herkömmliche Methoden.
Liebe Grüße,
mountain.phil28
Hey
danke für den Hinweis, werde mich da morgen mal noch einlesen und es dann editieren.
lg
Ich hab auf der Arbeit auch paar 3D Drucker rumstehen. Macht echt Spaß mit denen zu arbeiten. Vorallem erleichtert es die Arbeit und spart Zeit, da du nicht auf dritte angewiesen bist. Echt guter Artikel. Was mich aber am meisten begeistert hat, ist daas 3D drucken von Häusern. Letztens auch im Fernsehen was darüber gesehen. Die Digitale Revolution hat
anscheinend begonnen. Wir fangen schon an unsere Häuser von Robotern zu bauen.
Das die Häuser dann auch noch so günstig sind, hat mich auch erstaunt: "So realisiert das Unternehmen einen Quadratmeterpreis von 236,50 Euro für die Errichtung des Hauses. Das schließt die Wärmedämmung, das Einsetzen von Fenstern und abschließende Malerarbeiten ein." Quelle
Grüße
Gefällt mir die Zusammenfassung!
Habe nicht gedacht das es so viele verschiedene Möglichkeiten gibt.
Was genau hat dich denn daran interessiert?
Hast du auch einen 3D Drucker oder waren es eher berufliche Interessen?
Für den privaten Gebrauch bieten sich denke ich nicht so viele Varianten an...
Dankeschön :-)
Ja, ich habe auch einen 3D-Drucker - der Würfel unter Punkt 4 ist mit meinen Drucker gedruckt worden und darüber ist auch Link/Video von diesem Druck.
Technik hat mich schon immer begeistert, als ich dann sah wie günstig diese FFF-Drucker geworden sind, schlug ich sofort zu und es hat sich zu einem kleinen Hobby entwickelt.
Die meisten Varianten sind eher bei der kommerziellen Nutzung relevant... SLA Drucker kann man aber mitlerweile auch relativ günstig erwerben.
Grüße
Ich möchte mir schon lange einen 3D Drucker anschaffen und ich glaube dieses Jahr ist es auch soweit.
Aber ich frage mich immer ob es sich lohnt.
Was druckt man denn so sinnvolles?
Also etwas das man auch wirklich braucht, oder anstatt viel Geld im Laden zu zahlen selber macht?
Ich werde vermutlich demnächst einen 3D Drucker geliehen bekommen und würde gerne eine Drucker selber drucken. Zumindest ein Teil davon. ;-)
Weiß aber nicht wie ich es angehen werde...
Ob man damit was sinnvolles drucken kann oder es sich lohnt?! Da verweise ich auf meinen nächsten Post, der wird wohl morgen oder am Mittwoch kommen ;-)
Ambitioniertes Ziel. :-)
Ich überlege auch gerade ob Eigenbau oder Zweitkauf( natürlich dann größer, schneller, genauer^^)
Vor dem Eigenbau auf jedenfall gut informieren, Foren durchwühlen und sich andere Eigenbauprojekte anschauen. Bist du schon auf dem D-A-CH Discord Server?
Jep, da bin ich. Hast mich auch schon gefunden...
Wenn du selber druckst würde ich mich über eine Vorstellung des Projekts mit allen Vor- und Nachteilen mega freuen!
Klar größer, schneller, besser!
Ich bin für sowas immer zu haben, aber wenn es dann so teuer ist frage ich mich ob es sinnvoll ist!
Sonst hätte ich schon längst einen 3D-Drucker!
Ja, egal für was ich mich entscheide, es wird natürlich hier vorgestellt.
Ich persönlich würde mir einen neuen 3D - Drucker drucken und eine Drohne.
Dazu gibt es sicherlich jede Menge Anleitungen.
Hey cooler Artikel! Ich bin vor kurzem über einen Artikel gestolpert der sich mit 3D Druck unter Wasser beschäftigt. Was hälst du davon? Hier der Link: https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.nanolett.7b01870
Cheers!
Hey, wow das ist mal ein anspruchsvoller Text.
Um ehrlich zu sein, übersteigt das dort beschriebene ein wenig meinen Horizont.^^
Liebe Grüße
Haha kann ich verstehen! Nochmals, super Post, bleib dran!
Cheers!