3D-Druck

Herstellung von Prototypen im 3D-Druck

Bei der Herstellung von Prototypen und Modellen, sowie kleinen Serien in kleinen Stückzahlen bietet der 3D-Druck seine stärken. Ob Messemodell, Design- oder Funktionsmodell, ein maßgefertigtes Bauteil, Skulptur oder Schmuckstück, fast alles lässt sich mit dem geeigneten 3D-Druck Verfahren herstellen.

Wenn man von 3D Druck spricht, werden auch oftmals die Begriffe additive Manufacturing (AM), Rapid Manufacturing (RM) und Rapid Prototyping (RP) verwendet. Sie alle stehen für die Freiheit und Einfachheit Modelle und Prototypen schnell und einfach herstellen zu können.“

In der additiven Fertigung werden dreidimensionale Objekte gedruckt. Das Spezielle ist hier, dass die Modelle in Schichten gedruckt werden. Die einzelnen aufeinander gestapelten Schichten ergeben dann am Ende das dreidimensionale Objekt. Dabei sind die einzelnen Druckverfahren nicht alle gleich, sondern unterscheiden sich in der Genauigkeit, Geschwindigkeit, im Material und Kosten. Jedes Verfahren hat je nach Anwendungsfall seine Vorteile oder auch Nachteile.

Die bekanntesten und am häufigsten anzutreffenden Verfahren sind das selektive Laserschmelzen (SLM), die Stereolithographie (SLA), das selektives Lasersintern (SLS) und Fused Deposition Modeling (FDM). Es gibt jedoch noch weitaus mehr Verfahren und es kommen ständig neu entwickelte Verfahren hinzu.

Die Historie des 3D-Drucks

Der Begriff 3D-Druck wird heute meist in einem Atemzug mit Rapid Prototyping oder Modellbau genannt. Denn genau hier hat der 3D-Druck auch seinen Ursprung. Seit damals hat sich viel verändert. Die ersten 3D-Drucker wurden fast ausschließlich zur Herstellung von Modellen und Prototypen eingesetzt. Erst seit einigen Jahren werden mit additiven Fertigungsverfahren auch Bauteile in Kleinserie produziert. Überdies sind 3D-Drucker schon lange nicht mehr nur in Industrie und Forschung anzutreffen, sondern haben längst auch ihren Weg zum Privatanwender sowie zu Künstlern und Architekten gefunden.

• 1984 Stereolithographie (SLA / STL )
  Patentiert durch Charles (Chuck) W. Hull, welcher auch Mitgründer von 3D Systems (1986) ist
• 1986 selektives Lasersintern (SLS)
  Patentiert durch Carl Deckard, späterer Mitgründer von DTM (Desk Top Manufacturing)
• 1989 Fused Deposition Modeling (FDM)
  Patentiert durch S. Scott Crump, Mitgründer von Stratasys
• 1992 DTM mit erster SLS Maschine
  Start-Up »Desk Top Manufacturing« bringt erste 3D-Druck Maschine auf den Markt und wurde 2001 durch 3D Systems aufgekauft
• 1997 Selective Laser Melting (SLM)
  Selective Laser Melting – Patent DE19649865C1 des Fraunhofer ILT, Wilhelm Meiners, Dr Konrad Wissenbach, Dr Andres Gasser in Zusammenarbeit mit Dr. Matthias Fockele (Fockele & Schwarze Stereolithographietechnik GmbH, später ReaLizer GmbH)
• 1999-2010: Der 3D-Druck nahm langsam Form und Gestalt an…
  Erstes 3D gedruckte Organ transplantiert
• 2011 bis heute: Ein Entwicklungssprung
  Patente aus den 1980’er Jahren sind ausgelaufen und der Wettbewerbsmarkt wurde mit neuen Ideen geöffnet.

So funktioniert der 3D-Druck

Beim 3D-Druck handelt es sich um ein additives Fertigungsverfahren. Das bedeutet, das dreidimensionale Objekt wird schichtweise aufgebaut. Die Basis bildet ein 3D CAD-Datensatz des herzustellenden Teils. Mittels spezieller 3D-Druck Software werden die Daten für die 3D-Drucker aufbereitet. Dieses funktioniert ähnlich, wie man es von CAM-System im Bereich der Zerspanung kennt. Nachdem die Daten konvertiert und aufbereitet wurden, kann der 3D-Drucker nun mit dem Schichtweisen Aufbau des Objektes beginnen.

Für einen solchen Formenaufbau können sowohl feste als auch flüssige Werkstoffe genutzt werden. Je nach Beschaffenheit und Verfahren können diese entweder geschmolzen oder gehärtet werden. Hierbei kommen verschiedene Kunststoffe und flüssige Kunstharze, Metalle oder Keramiken zum Einsatz. Die festen Materialien, welche erschmolzen werden müssen, liegen dabei meist in Pulverform oder als Filamentdraht als Ausgangsstoff vor.

ADDITIVE vs. SUBTRAKTIV

• SUBTRAKTIVE VERFAHREN
  Abtragende Verfahren wie Drehen, Fräsen, Schleifen, Stanzen:
  nur so viel Material entfernen wie notwendig

• ADDITIVE VERFAHREN
  Aufbauende Verfahren im 3D-Druck:
  nur so viel Material hinzufügen wie notwendig

Die Verfahren Unterscheiden sich in den KOSTEN!

Zwischen diesen Verfahren kann man also nicht beliebig hin und her springen, was konstruktiv eine Herausforderung ist!

Die meisten Konstrukteure und Entwicklungsingenieure denken noch immer im subtraktiven Konstruktionsrahmen. Wirtschaftlicher 3D-Druck erfordert hier konstruktives Umdenken! Im 3D-Druck sollte die Prämisse sein, dass nur dort Material eingesetzt wird, wo es auch für die FUNKTION benötigt wird. Je mehr überflüssiges Material in ein Bauteil „rein“ konstruiert wird, je teurer wird der Prozess und am Ende auch der 3D-Druck.

Das können additive Fertigungsverfahren

Im 3D-Druck lassen sich selbst komplexe Formen aufbauen, die in herkömmlichen Verfahren nicht realisiert werden können. Der 3D-Druck bietet hierbei den Vorteil, dass die aufwändige und kostenintensive Anfertigung von Formen und Werkzeugkosten entfallen. Gegenüber den subtraktiven Verfahren (Bsp. bei der Zerspanung) liegt der Vorteil der additiven Verfahren vor allem darin, dass kein überschüssiges Material verloren geht. Damit ist der 3D-Druck ein äußerst Ressourcenschonendes und schnelles Verfahren, welches Material und Umwelt gleichermaßen schont.

• Hoch komplexe Geometrien sind darstellbar und fertigbar
• Es fallen keine teuren Werkzeugkosten an
• Schnelle Herstellung von Prototypen (Oftmals immerhalb weniger Stunden bis Tage)
• Änderungen während eines Entwicklungsprozesses können direkt im nächsten Druck umgesetzt werden. Und das ohne jegliche Werkzeugänderungen

Wo macht 3D-Druck Sinn?

Die Anwendungsfelder sind sehr vielfältig. Es hat sich jedoch herauskristallisiert, dass sich die folgenden Anwendungsfelder als Favoriten herausgestellt haben. Hierbei können additive Fertigungsverfahren ihre Stärken und Potenzial am effektivsten umsetzen.

• Prototypen und Unikate
• Anschauungsmodelle
• Funktionsmodelle
• Neuentwicklungen frühzeitig auf Herz und Nieren testen
• Komplexe Strukturen
• Bionische Strukturen
• Leichtbau
• Teile in wenigen Tagen produzieren
• „Customised Parts“
• Stückzahl 1
• Kleinserien mit hohen Werkzeug- / Rüstkosten

Was additive Fertigungsverfahren nicht können

Der 3D-Druck und die additiven Fertigungsverfahren haben auch Grenzen. Es ist nicht immer und für alle Anwendungen sinnvoll auf diese Technologie zu setzen. So wie bei jedem Verfahren können auch hier Nachteile auftreten.
Hier ein paar Beispiele:

• Die Oberflächen oftmals nicht vergleichbar mit herkömmlichen Fertigungsverfahren
• Die Kosten sind für einfach Geometrien gegenüber konventionellen Bearbeitungen zu hoch
• Nicht alle Materialien können im 3D-Druck verarbeitet werden. Die 3D-Druck Material Auswahl ist oftmals eingeschränkt
• Die Nacharbeitsprozesse wie Stützstrukturen entfernen, und Oberflächen und Bohrungen nacharbeiten sind teilweise sehr aufwändig

Die Rapid Prototyping und 3D-Druck Verfahren von PROTOTEC

Prototec bietet als Dienstleister verschiedene Verfahren zur Herstellung von Prototypen, Modellen und Kleinserien an. Neben der additiven Fertigungsverfahren gibt es auch noch andere Rapid Prototyping verfahren, wie zum Beispiel der Vakuumguss oder der Metallguss / Feinguss.