Objekte für den 3D-Druck
Was ist 3D-Druck?
3D-Druck lautet die Bezeichnung für alle additiven Fertigungsverfahren, bei denen ohne zusätzliches Werkzeug aus einem formlosen Material ein dreidimensionales Objekt hergestellt wird. Alle 3D-Druckverfahren arbeiten auf der Grundlage von 3D-Modellen, die als CAD-Datensatz vorliegen müssen. Diese Modelle werden zunächst in einzelne Schichten zerteilt („Slicen“), welche dann nacheinander vom 3D-Drucker auf die Bauplattform aufgetragen und zum gewünschten Bauteil aufgebaut werden.
FDM-Drucker (Fused-Desposition-Modeling) erfreuen sich seit einigen Jahren einer wachsenden Beliebtheit und sind mittlerweile vermehrt in Privathaushalten vorzufinden. Mit ihnen lässt sich vom Schlüsselanhänger bis zum Lampenschirm eine große Bandbreite an individuellen Produkten herstellen. Dabei wird ein strangförmiger Kunststoff (Filament) durch einen Extruder aufgeschmolzen und unter gleichmäßigem Druck schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen.
Im industriellen 3D-Druck werden ebenfalls Kunststoffe, aber auch Metalle und Keramiken verarbeitet. Ein gängiges Verfahren ist das selektive Lasersintern, bei dem ein pulverförmiges Material mit einer Rakel oder Rolle dünn auf eine Bauplattform aufgetragen und von einem Laser an vorgegebenen Koordinaten aufgeschmolzen wird. Anschließend senkt sich die Plattform um genau eine Schichtdicke ab und der Prozess beginnt von vorne. Industrielle 3D-Drucker sind in der Lage, Objekte zu produzieren, die hohe technische und mechanische Anforderungen erfüllen. Mit höchster Präzision entstehen funktionsfähige Prototypen oder Leichtbauteile, die trotz ihres geringen Gewichts großen Belastungen standhalten.
Anwendungsbereiche und Beispiele
Mit Rapid Prototyping schneller zum serienreifen Produkt
Der Einsatz von 3D-Druck kann die Entwicklungszeit von der Idee bis zum marktreifen Produkt (Time-to-Market) deutlich verkürzen. Erste Prototypen werden in CAD-Programmen konstruiert und können sofort gedruckt werden. Schwachstellen können entdeckt und Verbesserungen direkt auf das Modell übertragen werden. Das reduziert Wartezeiten im Entwicklungsprozess und ermöglicht einen flüssigeren Arbeitsablauf.
Individuelle (Klein-)Serienfertigung
3D-Druck ist eine interessante Technologie für die Industrie 4.0, denn der Produktionsprozess erlaubt die individualisierte Serienfertigung eines oder mehrerer Objekte gleichzeitig. Das Verfahren ist immer gleich – lediglich das CAD-Modell muss angepasst werden. Das ermöglicht die Berücksichtigung spezifischer Kundenwünsche, ohne Mehraufwand in der Herstellung zu erzeugen.
Rapid Tooling
Mithilfe von 3D-Drucktechnologie entstehen komplexe Werkzeuge und Urmodelle für das Spritzgießen oder andere werkzeuggebundene Verfahren direkt in einem Fertigungsschritt. Hier werden verschiedene Metalle, wie beispielsweise Werkzeugstahl eingesetzt. Die additive Fertigung erlaubt die Integration von Funktionen wie z. B. Kühlkanälen.
Medizin und Wissenschaft
Für die Medizin bietet 3D-Druck revolutionäre Möglichkeiten, zum Beispiel in der Implantologie oder bei der Herstellung von Prothesen. Mit medizinischer Keramik werden schon heute in einem Schritt mehrere individuelle Zahnimplantate produziert, was die Fertigungskosten pro Stück deutlich herabsetzt.
Geschichte des 3D-Drucks
Eine schnelle Herstellung von Prototypen direkt aus computergenerierten Daten, das war die ursprüngliche Idee des 3D-Drucks. Das erste 3D-Druckverfahren stammt von Charles „Chuck“ Hull. Er erfand 1984 die Stereolithographie und das STL-Dateiformat. Als er in seinem damaligen Job Oberflächen mit flüssigen Photopolymeren beschichtete, die unter UV-Licht aushärteten, kam ihm die Idee, das Material schichtweise zu einem Modell aufzubauen. In seiner Freizeit entwickelte er ein Computerprogramm, das auf Grundlage eines Datensatzes die gezielte Steuerung des UV-Lichtstrahls ermöglichte, sodass der Produktionsprozess vollautomatisch ablaufen konnte.