3D-Druck oder additive Fertigungstechnologien haben erst vor kurzem an Popularität gewonnen, obwohl die ersten Methoden Mitte der 80er Jahre des letzten Jahrhunderts auftauchten. Der Zweck von 3D-Druckern bleibt für viele Menschen immer noch ein Rätsel, obwohl es wirklich nichts Kompliziertes ist: Dies sind echte automatisierte Fabriken, die in der Lage sind, Produkte in fast jeder Form selbstständig herzustellen.
3D-Drucker werden für die unterschiedlichsten Aufgaben eingesetzt. Ursprünglich wurden 3D-Drucktechnologien als "Rapid Prototyping" bezeichnet und, wie Sie sich vorstellen können, zur Herstellung von Prototypen und Mock-ups verwendet. Aktuelle, verbesserte Technologien und Materialien ermöglichen den Druck nicht nur von Layouts, sondern durchaus funktionale Produkte für den täglichen Gebrauch: Titanimplantate und Gasturbinenschaufeln, Plastikspielzeug, Souvenirs und Etuis für Haushaltsgeräte und Gadgets, Keramikgeschirr und sogar Betonbaukonstruktionen. Als Hauptvorteil des 3D-Drucks gegenüber herkömmlichen Produktionstechnologien gilt das Prinzip der „Direktproduktion“: Fertige Produkte werden direkt aus digitalen Modellen gedruckt, während für den gleichen Spritzguss zunächst teure Werkzeuge hergestellt werden müssen.
Arbeitsprinzip
Es gibt die unterschiedlichsten 3D-Druckverfahren, aber alle eint das allgemeine Prinzip der Verarbeitung digitaler Modelle: Damit ein 3D-Drucker ein komplexes dreidimensionales Gebilde verarbeiten kann, wird das digitale Modell in Querschnitte, deren Dicke jeweils der Dicke einer Schicht entspricht. Stellen Sie sich einen Stapel Papier vor, bei dem jedes Blatt als Druckschicht fungiert: Wird jedes Blatt nach einer individuellen Vorlage geschnitten und dann wieder in den Stapel gefaltet, erhalten Sie ein dreidimensionales Objekt in einer bestimmten Form. Tatsächlich funktionieren 3D-Drucker mit der LOM-Technologie von Mcor so, dass sie Papierbögen schneiden und kleben.
Der Unterschied liegt in den Herstellungsverfahren der Schichten und den verwendeten Materialien. In der Stereolithographie (SLA ) werden flüssige Photopolymerharze verwendet, die durch einen Laser gehärtet werden, und beim selektiven Lasersintern ( SLS ) werden dieselben Laser zum Sintern von Partikeln verschiedener Pulver verwendet - Metall, Polymer oder Keramik. Die am weitesten verbreitete Technologie ist die Technologie des „Depositional Deposition Modeling“, bekannt unter den Abkürzungen „FD“ und „ F f f ". Die Popularität dieses Verfahrens erklärt sich aus der Einfachheit und den geringen Kosten sowohl der Druckgeräte selbst als auch der Verbrauchsmaterialien. Als Rohstoffe werden alle Arten von Kunststoffen und Verbundwerkstoffen auf Polymerbasis verwendet, und FDM-Drucker sind die einfachsten Maschinen mit numerischer Steuerung.
Als Material wird ein dünnes Filament oder Filament verwendet, als Druckkopf fungiert ein Extruder, bestehend aus einem einfachen Getriebe, das einen Kunststoffstab in ein heißes Rohr („heißes Ende“) schiebt und den geschmolzenen Kunststoff durch eine Düse drückt. Der geschmolzene Faden kann Schicht für Schicht verfolgt werden, bis ein dreidimensionales physikalisches Modell entsteht. Alles, was Sie brauchen, ist ein Gerät, das den Kopf nach einem bestimmten Algorithmus in Bewegung setzt.
Dieses Gerät wird als 3D-Drucker bezeichnet. Die einfachsten Desktop-3D-Drucker bestehen aus einem Chassis, das als Basis für die Führungen dient, entlang derer sich der Druckkopf und/oder die Plattform, auf der die Konstruktion ausgeführt wird, bewegt. Ein typischer Bürodrucker, der auf ein Blatt Papier druckt, erfordert die Möglichkeit, in zwei Dimensionen zu positionieren: In der Regel bewegt sich der Kopf von einer Seite zur anderen, und das Blatt selbst wird zeilenweise nach und nach ausgefahren. Wenn wir ein dreidimensionales Modell bauen, dann ist es notwendig, dem Positionierungsmechanismus eine dritte Dimension hinzuzufügen – damit wir uns nicht nur in Breite und Länge, sondern auch in der Höhe orientieren können.
Kopf und Plattform sind auf Führungen montiert und werden von Elektromotoren angetrieben. Die Funktionsweise der Elektromotoren, die die Bewegung des Kopfes und die Materialzufuhr bestimmt, ist in einem speziellen Programmcode (dem sogenannten G-Code) festgelegt. Der Code wird automatisch mit speziellen Programmen generiert, die als "Slicer" bezeichnet werden: Solche Anwendungen nehmen virtuelle 3D-Modelle, die in Grafikeditoren gezeichnet wurden, und teilen sie dann in Schichten auf und wandeln jede Schicht in eine Reihe von Befehlen um, die zum Erstellen eines physischen Analogs erforderlich sind. Der Kopf fährt nach und nach jede Schicht nach und drückt den geschmolzenen Kunststoff auf die Plattform oder zuvor aufgetragene Schichten. Nach dem Ende der Schicht wird der Kopf auf die Höhe einer Schicht gehoben (oder umgekehrt die Plattform abgesenkt) und der Prozess beginnt von neuem, nur mit der nächsten Schablone.
Typischerweise beträgt die Dicke des Filaments und der Schichten selbst Bruchteile von Millimetern: Ein typischer Düsendurchmesser reicht von 0,3 bis 0,8 mm, während die Dicke der Schicht 50 bis 300 Mikrometer beträgt. Zum Vergleich: Die Dicke eines menschlichen Haares liegt zwischen 80 und 100 Mikrometer. Es liegt auf der Hand, dass das Drucken mit feinem Filament recht lange dauert. Tatsächlich lässt sich ein typischer Produktionszyklus leicht in Stunden oder sogar mehr als einem Tag messen: Alles hängt vom gewählten Düsendurchmesser, der Dicke der einzelnen Schichten und den Abmessungen des Produkts selbst ab. Je höher die Dicke des Filaments und der Schichten, desto kürzer ist die Druckzeit, aber auch die Qualität der Oberflächen wird geringer.
Verbrauchsmaterialien
Einer der attraktivsten Faktoren beim FDM-Druck bleibt die große Vielfalt an relativ kostengünstigen Verbrauchsmaterialien. Die beiden beliebtesten Kunststoffe sind ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) und PLA (Polylactid). Uns allen ist die erste Variante ein Begriff – dies ist der am weitesten verbreitete Industriekunststoff, aus dem Ihre Lieblingskaffeemühle, Kugelschreiber, Smartphone-Schutzhülle und viele andere Haushaltsgegenstände hergestellt werden. Die zweite ist eine nachhaltige Alternative, da es sich um ein organisches, biologisch abbaubares Polymer aus Mais oder Zuckerrohr handelt. Obwohl PLA nicht so haltbar ist, kann es bedenkenlos in den Müll geworfen werden, da Polylactid unter Einfluss der Umwelt nach einigen Monaten zu harmlosem Kompost wird.
Wenn Sie möchten, können Sie jedoch auch mit anderen Materialien drucken: mit beliebten Thermoplasten wie Polycarbonat und Nylon. Aus leeren PET-Behältern als Rohstoff kann sogar zu Hause Filament hergestellt werden: Aus diesem Material werden Flaschen für Sodawasser und Bier hergestellt.
Es gibt auch elastische Optionen, die Gummi nachahmen, wie den NinjaFlex. Und wenn Ihnen das „Plastik“-Image nicht gefällt, können Sie Verbundwerkstoffe auf PLA-Basis mit verschiedenen Füllstoffen ausprobieren: Sandstein, Metallstaub und sogar Holz. Natürlich sind die physikalischen und mechanischen Eigenschaften solcher Verbundwerkstoffe unvergleichbar mit echtem Stein oder Stahl, aber wenn Sie statt äußerer Ähnlichkeit Festigkeit und Haltbarkeit benötigen, können Sie jederzeit spezielle mit Kohlefaser verstärkte Verbundwerkstoffe ausprobieren.
Bleibt nur noch, einen 3D-Drucker nach Belieben auszuwählen, was aufgrund der wachsenden Vielfalt schwierig sein kann: Ernsthafte Designer können relativ große Geräte mit zwei oder drei Druckköpfen wählen, während für Anfänger viele einfach zu bedienende Modelle mit relativ schnelle Eigenschaften, aber mit einem hohen Automatisierungsgrad und recht erschwinglichen Preisen. Einige der preisgünstigeren Geräte können für nur 200 bis 300 US-Dollar erworben werden, und die Filamentpreise beginnen bei 10 US-Dollar pro Kilogramm.
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