Wie funktioniert der 3D-Druck? Worin unterscheidet er sich von anderen Fertigungstechniken? Die Antworten auf diese Fragen könnten Sie überraschen. Zunächst einmal gibt es nicht nur eine Form des 3D-Drucks. Vielmehr existieren verschiedene Typen. Sie alle bauen Bauteile auf, indem sie Material Schicht für Schicht auftragen, es gibt jedoch wichtige Unterschiede hinsichtlich der 3D-Drucktechnologien, der unterstützten Materialien, der herstellbaren Bauteilgrößen sowie der Genauigkeit, Auflösung und Präzision, die 3D-Drucker erreichen können.
Obwohl der 3D-Druck eine bekannte Art der additiven Fertigung ist, ist er nicht die einzige additive Fertigungstechnik. EWI, eine gemeinnützige Organisation, die früher als Edison Welding Institute bekannt war, unterteilt die additive Fertigung in sieben verschiedene Verfahren, von denen keines einfach als „3D-Druck“ bezeichnet wird. Spritzguss und Thermoformen sind ebenfalls Formen der additiven Fertigung, da sie Material hinzufügen und nicht abtragen.
Unabhängig davon, welche Fertigungsverfahren man betrachtet, unterscheiden sich alle additiven Verfahren (einschließlich des 3D-Drucks) grundlegend von jenen, die Material entfernen, um ein Bauteil herzustellen. Beispiele für subtraktive Fertigungsverfahren sind Zerspanung, Fräsen, Drehen, Laserschneiden und Wasserstrahlschneiden. Trotz ihrer Unterschiede baut keines dieser einzelnen Fertigungsverfahren Bauteile schichtweise auf. Stattdessen entfernen sie Material von einem vorgeformten Werkstück wie einem Block, einer Stange, einem Blech oder einem Strangpressprofil.
Nachdem Sie einige Grundlagen verstanden haben, wird deutlich, dass die Unterschiede zwischen dem 3D-Druck und anderen Produktionsmethoden nicht nur in der additiven gegenüber der subtraktiven Fertigung liegen. Wie funktionieren also die verschiedenen Arten des 3D-Drucks, und was unterscheidet den 3D-Druck noch von anderen Fertigungstechniken? Warum setzen Designer den 3D-Druck anstelle traditioneller Fertigungsverfahren ein – und das nicht nur für Prototypen? Die folgenden Abschnitte erläutern dies.
Wie funktioniert der 3D-Druck?
Der 3D-Druck wird so genannt, weil er Techniken verwendet, die denen herkömmlicher Tintenstrahldrucker ähneln, jedoch dreidimensionale Bauteile erzeugt, die traditionelle Konstruktionsbeschränkungen, wie die Unfähigkeit, Freiformen oder Gitterstrukturen herzustellen, eliminieren. Der erste Schritt in jedem 3D-Druckprozess ist die Modellierung mit computergestützter Konstruktionssoftware (CAD). Diese 3D-Modelle können unterschiedliche Detaillierungsgrade aufweisen, einschließlich feiner Details, die mit traditionellen Fertigungsmethoden entweder nicht oder nur schwer zu erreichen sind.
Nachdem das 3D-Modell erstellt wurde, muss es in einzelne Schichten zerlegt werden, von denen jede Werte mit Anweisungen für den 3D-Drucker enthält. Jede Schicht ist eine .STL-Datei, aber der Werkzeugpfad selbst ist in .gcode. Die meisten CAD-Programme können .STL-Dateien ausgeben, die die Oberflächengeometrie mithilfe von Dreiecken und einem 3D-kartesischen Koordinatensystem beschreiben. Beim 3D-Druck werden einzelne horizontale Schichten übereinander aufgebaut, um das endgültige Objekt zu erzeugen. Die Aufbaumechanismen variieren, aber dies sind die wichtigsten 3D-Drucktechnologien.
- Stereolithographie (SLA) verwendet einen Laser zur Photopolymerisation eines flüssigen Harzes.
- Digital Light Processing (DLP) ähnelt der SLA, verwendet jedoch eine projizierte Lichtquelle.
- Selektives Lasersintern (SLS) verwendet einen Laser zum Sintern von Pulver.
- Multi Jet Fusion (MJF) ist ein pulverbasierter Prozess, der keinen Laser benötigt.
- PolyJet baut Teile durch das Auftragen von Photopolymer-Tröpfchen auf eine Bauplattform und deren Verfestigung auf.
- Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) verwendet eine Wärmequelle und ein Bett aus Metallpulver.
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwendet einen hochenergetischen Elektronenstrahl, um Metallpulver zu schmelzen.
- Fused Deposition Modeling (FDM) extrudiert ein kontinuierliches Filament aus thermoplastischem Material.
Wie Sie sehen können, sind einige dieser Technologien nur für Kunststoffe und andere nur für Metalle geeignet. Es gibt Technologievarianten für spezialisierte Anwendungen. Zum Beispiel ist die Projektions-Mikro-Stereolithographie (PµSL) eine Form der SLA, die einen Blitz von ultraviolettem (UV) Licht verwendet, um eine ganze Harzschicht schnell zu photopolymerisieren. PµSL-3D-Drucker von Boston Micro Fabrication (BMF) unterstützen eine kontinuierliche Belichtung für eine schnellere Verarbeitung und können mikroskalige Bauteile mit hoher Genauigkeit, Präzision und Auflösung herstellen.
Worin unterscheidet sich der 3D-Druck von anderen Fertigungsverfahren?
Wie Sie gelesen haben, geht es beim Unterschied zwischen 3D-Druck und anderen Fertigungstechniken nicht nur um additive versus subtraktive Fertigung. Es geht aber auch nicht um die Verwendung von CAD-Software, 3D-Modellierung oder digitaler Fertigung. Viele andere Produktionsmethoden nutzen Formen der computergestützten Fertigung (CAM), und Unterscheidungen wie traditionelle versus moderne Fertigung sind zu vereinfacht. Heutzutage können etablierte Fertigungstechniken wie das Formen und die Bearbeitung hochkomplex sein.
Letztlich liegt der Unterschied zwischen dem 3D-Druck und anderen Fertigungsverfahren darin, wie der 3D-Druck Bauteile schichtweise aufbaut und wie er eine größere Designfreiheit ermöglicht. Von der Dicken- und Topologieoptimierung bis zur Gitterbildung unterscheidet sich das Design for Manufacturing (DFM) beim 3D-Druck. Diese Form der additiven Fertigung ermöglicht zudem die Konstruktion von einteiligen Bauteilen anstelle von Baugruppen, die mehrere Komponenten und Befestigungselemente erfordern.
Es lassen sich auch Vergleiche zwischen dem 3D-Druck und anderen einzelnen Fertigungsverfahren anstellen. Beispielsweise ist der 3D-Druck nicht das einzige werkzeuglose Fertigungsverfahren und auch nicht die einzige Option für die Kleinserienfertigung. Das Wasserstrahlschneiden macht ebenfalls Werkzeuge überflüssig, und der Urethan-Guss mit Silikonformen kann auch zur Herstellung kleiner Stückzahlen verwendet werden. Da es sich jedoch um ein werkzeugloses Verfahren handelt, entfallen beim 3D-Druck die Kosten und Wartezeiten, die mit Formen und Werkzeugen verbunden sind.
Wichtig ist, dass der Unterschied zwischen 3D-Druck und anderen Fertigungstechniken auch nicht im Prototypenbau gegenüber der Produktion liegt. Obwohl der 3D-Druck besonders nützlich für den Prototypenbau ist, können einige 3D-gedruckte Objekte als funktionale Endverbrauchsteile verwendet werden. Eine Nachbearbeitung kann weiterhin erforderlich sein, aber die Oberflächenbearbeitung ist bei vielen Fertigungsformen, insbesondere bei der Zerspanung, typisch. So wie jedoch nicht alle CNC-Maschinen kleine Teile bearbeiten können, können auch nicht alle 3D-Drucker Teile im Mikromaßstab herstellen.
Schließlich unterscheidet sich der 3D-Druck hinsichtlich der Materialien von anderen Fertigungstechniken. Obwohl beispielsweise die PµSL-3D-Drucker von BMF einige der gleichen Polymere wie der Spritzguss verwenden können, weisen diese 3D-gedruckten Materialien keine identischen Eigenschaften auf. Dennoch kann die PµSL-Technologie auch biokompatible Harze und Keramiken im 3D-Druck verarbeiten, Materialien, die die meisten Spritzgussanlagen nicht verarbeiten können. PµSL-3D-Drucker sind zudem mit dem Open Material System von BMF kompatibel, sodass Konstrukteure das Material ihrer Wahl verwenden können.
Um mehr darüber zu erfahren, wie die PµSL-Technologie funktioniert und wie sie Ihre Anwendung unterstützen kann, kontaktieren Sie BMF.
