3D Druck

Der 3D-Druck ist ein Verfahren, bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Objekt zu erzeugen. Im industriellen Kontext wird der 3D-Druck auch als Additive Fertigung (AF) bezeichnet im Gegensatz zu traditionellen subtraktiven Methoden, wie z.B. CNC-Fräsen.

Diese Technologie wurde in den frühen 1980er Jahren erfunden und existiert somit seit etwa vier Jahrzehnten. Während der 3D-Druck anfangs eine langsame und kostspielige Fertigungsmethode war, sind heutige AM-Technologien aufgrund von umfassenden technologischen Entwicklungen erschwinglicher und schneller als je zuvor.

 

Wie funktioniert der 3D-Druck?

Um ein digitales 3D-Modell für das schichtweise 3D-Druckverfahren vorzubereiten, wird das Modell von einer speziellen Software in hunderte von dünnen Schichten zerlegt und als G-Code-Format exportiert. Dieses 3D-Druckformat ist eine Art Sprache, die von 3D-Druckern verarbeitet werden kann, um genau zu wissen, wann und wo Material abgelegt werden muss.

Jede Schicht entspricht der exakten 2D-Form eines Abschnitts oder einer Scheibe des Objekts. Wenn Sie beispielsweise eine Pyramide in 3D drucken würden, wäre die erste Schicht (unten) ein flaches Quadrat und die letzte Schicht (ganz oben) nur ein winziger Punkt. Die Schichten werden nacheinander gedrückt, bis das vollständig 3D-Objekt erstellt ist.

 

Gebräuchliche 3D-Drucktechnologien

Es gibt verschiedene Möglichkeiten Objekte in 3D zu drucken. Die wichtigsten heute verfügbaren 3D-Drucktechnologien sind:

• FFF (Fused Filament Fabrication) oder FDM (Fused Deposition Modeling), wobei Spulen aus Kunststoff Filamenten verwendet werden
• SLA (Stereolithographie), eine Technologie, die lichtempfindliches Harz verfestigt
• PBF (Powder Bed Fusion), eine Reihe von pulver-basierten Verfahren, welche z.B. die Partikel mit leistungsstarken Lasern verschmelzen
• Material- oder Binder Jetting, bei dem pulverförmiges Ausgangsmaterial an ausgewählten Stellen mit einem Binder verklebt wird

Die genannten 3D-Drucktechnologien haben jeweils ihre eigenen Stärken und Schwächen und sind an verschiedene Anwendungsfälle und Branchen angepasst.

 

Warum 3D-Druck verwenden?

Der 3D-Druck bietet eine Vielzahl von Vorteilen. Der bedeutendste ist die Möglichkeit hochkomplexe Objekte zu erstellen, die mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht hergestellt werden können.

Ein weiterer wichtiger Vorteil des 3D-Drucks ist die Geschwindigkeit. Obwohl das 3D-Drucken eines Objekts Stunden oder sogar Tage dauern kann, ist die Durchlaufzeit verglichen mit herkömmlichen Produktionsmethoden wie das Spritzgießen meistens geringer. Grund dafür ist die entfallende Werkzeugproduktion und die damit verbundene Vorlaufzeit.

Das Prototyping - eine der beliebtesten professionellen Anwendungen für den 3D-Druck - kann mit wenig bis gar keiner Vorlaufzeit im Haus durchgeführt werden. Ebenso können Design-Iterationen direkt vor Ort gemacht und anschließend gedruckt werden. Die breite Palette der 3D-Druckmaterialien ist ebenfalls ein Vorteil der Technologie.

 

Womit kann man 3D drucken?

Der 3D-Druck ist mit fast jedem Material möglich. Die gängigsten 3D-Druckmaterialien sind kunststoffbasiert und reichen von Standard-PLA bis hin zu hoch beständigen Polymeren wie PEEK oder PEI. Mittlerweile ist es sogar möglich Thermoplaste mit Kohlefaser oder Glasfaser zu verstärken.

Ebenso erfreuen sich einige Nischen 3D-Druckmaterialien zunehmender Beliebtheit. Wissenschaftler und Biologen experimentieren mit 3D-Bioprinting, Küchenchefs können den 3D-Druck von Lebensmitteln ausprobieren und Bauunternehmer befassen sich zunehmend mit dem 3D-Druck von Beton.

Konsumenten können den 3D-Druck zur Herstellung von personalisierten Schmuckstücken und Accessoires, praktischen Haushaltsgegenständen, Figuren usw. verwenden. Die größten Vorteile bietet der 3D-Druck jedoch für professionelle Anwendungsfälle, worauf sich dieser Artikel konzentriert.

Dank der großen Anzahl verfügbarer Technologien in der Additive Fertigung (AF) und der Vielfalt verfügbarer 3D-Druckmaterialien, kann der 3D-Druck für eine nahezu unbegrenzte Anzahl von Anwendungen eingesetzt werden.

Rapid Prototyping (Prototypenbau)

Im Prototypenbau findet der 3D-Druck die häufigste Anwendung. Als Rapid Prototyping, also der schnelle Prototypenbau, bezeichnet man, wenn ein Modell schnell entworfen und kurz danach in 3D gedruckt wird.

Erst kürzlich und während der Coronavirus-Pandemie wurde die Welt eindrucksvoller Zeuge von der Geschwindigkeit des 3D-Drucks. Atemschutzmasken, Tupfer und Gesichtsschutzschilde wurden innerhalb weniger Tage entwickelt und innerhalb weniger Wochen in hohen Stückzahlen in Serie produziert. 

Die dafür verwendeten 3D-Modelle wurden gemeinsam mit Ärzten und Forschern erstellt und gemeinsam kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Die schnelle Reaktion war im Kampf gegen das Virus äußerst wirksam und veranschaulicht perfekt das Potenzial, die Anpassungsfähigkeit und die Geschwindigkeit (Time-to-Market), die die Additive Fertigung bietet. Kurz gesagt, diese Vorteile können auf eine Vielzahl von Branchen wie Luft- und Raumfahrt, Automotive, Bildung, Öl und Gas, Medizin, usw. angewendet werden.

3D-Druck von Funktions- und Serienteilen

Mit etwas Nachbearbeitung sind heutige industriell gefertigte 3D-Druckteile von so guter Qualität, dass sie direkt verwendet werden können.

Einige Automobilhersteller verwenden Additive Fertigungsverfahren, um bestimmte Teile der Innenausstattung eines Autos oder Motorkomponenten herzustellen. In der Luft- und Raumfahrt wird 3D-Druck verwendet, um eine Gewichtseinsparung von Teilen zu erreichen. Tatsächlich sind 3D-Drucktechnologien in der Lage die Festigkeit und Widerstandsfähigkeit von Teilen zu erhöhen und gleichzeitig eine Gewichtseinsparung durch leichtere Materialien zu erreichen.

Um additiv gefertigte Funktions- und Serienteile einsetzen zu können, sollte jedoch einiges beachtet werden. Beispielsweise müssen 3D-Druckteile für den Einsatz zertifiziert werden, besonders wichtig für die stark regulierte Luft- und Raumfahrt Branche. Eine AM-Zertifizierung erfordert einen äußerst präzisen 3D-Drucker, standardisierte Prozesse sowie Materialien, um gewährleisten zu können, dass jedes Teil identisch ist.

Werkzeuge und Vorrichtungen

Die Herstellung von Werkzeugen ist eine ebenfalls weit verbreitete Anwendung für den 3D-Druck. Werkzeuge, Vorrichtungen und Spannvorrichtungen können schnell an Ort und Stelle hergestellt werden wodurch die Gefahr, eine Produktionskette durch eine fehlende oder defekte Vorrichtung aufzuhalten, vermieden werden kann.

Außerdem können Arbeiter Ihre Werkzeuge und Vorrichtungen leichter an persönliche Vorlieben anpassen. Für gewöhnlich muss sich der Arbeiter und das Werkzeug bzw. die Vorrichtung anpassen.

Bei traditionellen Methoden wie dem Spritzgießen kann es mehrere Wochen dauern, bis ein neues, maßgeschneidertes Werkzeug mit einem entsprechenden Budget zur Verfügung steht. Natürlich ist der 3D-Druck nicht zwingend für jeden Anwendungsfall besser geeignet als herkömmliche Herstellungsverfahren, 3D-Druck ist jedoch oft schneller und kostengünstiger.

Individualisierte Massenfertigung

Der entscheidende Vorteil der klassischen Massenproduktion ist die Kostensenkung aufgrund des Skaleneffekts. Die Kosten im großen Maßstab zu senken, funktioniert daher nur bei identischen Teilen.

Erst durch die Additive Fertigung ist es für Unternehmen möglich, kundenspezifische Objekte unter Bedingungen ähnlich der klassischen Massenproduktion herzustellen. Dies wird auch als Individualisierte Massenfertigung oder als Massenpersonalisierung bezeichnet. Hersteller können von ähnlichen Skaleneffekten profitieren und gleichzeitig ihren Kunden den Mehrwert der Personalisierung bieten.

Ähnlich wie ein 2D-Drucker, der Text oder Bilder auf Papier drucken kann, können 3D-Drucker verwendet werden, um 3D-Objekte zu erzeugen. Anstelle von einer einzigen Schicht, gibt es jedoch hunderte oder tausende übereinanderliegender Schichten. Bevor ein 3D-Objekt gedruckt werden kann, muss ein 3D-Modell vorbereitet werden. Hierfür können Sie Ihr eigenes 3D-Objekt mit einer CAD-Software wie SOLIDWORKS entwerfen, oder online ein geeignetes 3D-Modell finden und herunterladen. Um ein 3D-Modell für den 3D-Druck vorzubereiten, wird es von einer speziellen Software in einzelne Schichten zerlegt und in ein Format, das von dem 3D-Drucker verarbeitet werden kann, konvertiert. Diese Software nennt man Slicer.

Anschließend kann das Objekt in 3D ausgedruckt werden. Hierfür gibt es zahlreiche 3D-Druck Technologien, die wichtigsten und weitverbreitetsten sind wie folgt:

• FFF (Fused Filament Fabrication)
• SLA (Stereolithographie)
• PBF (Powder Bed Fusion)
• Material- oder Binder Jetting

Es kann sein, dass Hersteller von 3D-Druckern eigenen Akronyme verwenden, meistens lassen sich deren Geräte jedoch in die vier oben genannten Kategorien einordnen. In den folgenden Abschnitten werden all diese 3D-Drucktechnologien erläutert.

 

FFF (Fused Filament Fabrication)

Fused Filament Fabrication ist eine der ältesten und weitverbreitetsten 3D-Druck Technologien. Dabei wird Druckmaterial in Form eines Kunststoffdrahtes zugeführt und aufgeschmolzen. Das Schmelzen des Druckmaterials geschieht in einem sogenannten Extruder, darin wird der Kunststoffdraht erhitzt und durch eine feine Düse auf eine Druckplattform extrudiert.

Um eine Schicht zu drucken legt Ein FFF- (oder FDM-, für Fused Deposition Modeling) 3D-Drucker den geschmolzenen Kunststoff Bahn für Bahn auf der Druckplatte ab. Mehrere Schichten ergeben ein 3D-Objekt.

SLA (Stereolithography)

Die Stereolithographie ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem lichtempfindliche Harze, auch Photopolymere genannt, durch einen Laser oder eine Lichtquelle verfestigt werden. Der Prozess zum Aushärten des Harzes kann auf verschiedene Arten erfolgen:

• Laser SLA: Ein Laser härtet das Harz Punkt für Punkt, Schicht für Schicht aus.
• DLP (Digital Light Processing): ein Gerät projiziert Licht, das dank eines Spiegelsystems präzise auf das Harz gelenkt wird.
• MSLA (Masked Stereolithographie): ein Gerät projiziert Licht, das durch einen LCD-Bildschirm selektiv maskiert wird. Es kann auch als LCD-Stereolithographie bezeichnet werden.

Im Gegensatz zu FFF 3D-Drucker können Harz basierte 3D-Drucker Objekte mit einer geringeren Schichtstärke und damit einer besseren Druckauflösung erzeugen. Daher werden diese Systeme oft von Juwelieren oder Zahnärzten, wo eine hohe Detailgenauigkeit wichtig ist, verwendet.

PBF (Powder Bed Fusion)

Es gibt eine Reihe von pulverisierten 3D-Druckverfahren, die bekanntesten sind SLM (Selective Laser Melting) und SLS (Selective Laser Sintering).

Dabei wird eine leistungsstarke Laserquelle auf ein Druckbett aus Pulver gerichtet. Die Hitze des Lasers lässt Pulverpartikel in ausgewählten Bereichen verschmelzen. Diese Technik wird häufig für den 3D-Druck von Metall verwendet, Kunststoffe wie Nylon sind jedoch auch kompatibel.

Material- oder Binder Jetting

Diese 3D-Drucker ähneln einem Tintenstrahl Papierdrucker und sind mit Hunderten von winzigen Düsen ausgestattet. 

Beim Binder Jetting Verfahren wird die Tinte bzw. das Bindemittel auf eine Schicht aus pulverförmigem Material auftragen, um ausgewählte Bereiche zu verkleben. Beim Material Jetting ist die verwendete Tinte ein Photopolymer das tröpfchenweise aufgetragen und anschließend mit einer UV-Lichtquelle ausgehärtet wird.

Die 3D-Druck Industrie umfasst weit mehr als 3D-Drucker und deren Hersteller. Zum Beispiel gibt es eine Vielzahl anderer Schlüsselakteure die für das Voranschreiten der 3D-Druck Branche unerlässlich sind.

Neben den Druckerherstellern gibt es Materialhersteller, Softwareunternehmen, Hersteller von Post-Processing Maschinen und Dienstleister.

Darüber hinaus gibt es eine Reihe von Medienunternehmen und Veranstaltungsorganisationen, die ebenfalls zur Entwicklung der Branche beitragen. Diese stehen jedoch nicht im Mittelpunkt dieses Artikels.

Hersteller von 3D-Druckern

Vorweg: Ohne die Maschinen, die die Arbeit erledigen, und ohne die Unternehmen, die sie herstellen, gäbe es den 3D-Druck nicht. Wie in den meisten Branchen gibt es multinationale Unternehmen wie 3D Systems, sowie sehr erfolgreiche Startups wie Desktop Metal und KMUs.

Der starke Wettbewerb ist mitunter ein Grund dafür, dass die Technologien schnell voranschreiten und die Preise sinken. Beispielsweise gibt es heutzutage erschwingliche 3D-Drucker zum Preis von ein paar hundert Dollar oder Euro, die Zuverlässigkeit und Druckqualität ist jedoch nicht mit professionellen oder industriellen 3D-Druckern zu vergleichen.

Hersteller von 3D-Druckmaterialien

Um drucken zu können benötigen 3D-Drucker Verbrauchsmaterialien. Diese Verbrauchsmaterialien sind in Form von Filamenten, Harzen und Pulvern bis hin zu Spezialtinten verfügbar. Die Auswahl der verfügbaren 3D-Druckmaterialien ist sehr groß, darunter unzählige für Thermoplaste, Metalle und sogar Beton.

Viele Hersteller von 3D-Druckern verkaufen ihre eigenen Verbrauchsmaterialien. Diese werden meist von großen Chemieunternehmen wie Arkema hergestellt oder von spezialisierten Herstellern von 3D-Druckmaterialien.

Software-Firmen

Die Software ist ein weiterer wichtiger Teil des Ökosystems der additiven Fertigung. Dabei denkt man sofort an CAD Tools wie SOLIDWORKS oder Slicer Programmen die 3D-Dateien für den Druck vorbereiten. Es gibt aber auch Lösungen um eine ganze Flotte von 3D-Druckern, auch 3D-Druck Farm genannt, zu verwalten. Diese Art von Software wird meistens direkt vom Druckerhersteller entwickelt.

Für eine durchgehende additive Fertigungskette müssen komplexere Lösungen entwickelt und eingesetzt werden. Diese Systeme werden als Manufacturing Execution Systems (MES) bezeichnet und verfolgen und überwachen Teile vom Beginn des Druckprozesses bis hin zum letzten Nachbearbeitungsschritt.

Hersteller von Post-Processing Systemen

Die Nachbearbeitung, auch Post-Processing genannt, ist vielleicht die verborgenste Seite des 3D-Drucks. Jedoch müssen 3D-Druckteile fast immer einer Nachbearbeitung unterzogen werden, um verwendet werden zu können.

Der Überbegriff Post-Processing fasst mehrere Schritte und Techniken zusammen, beispielsweise das Entfernen von Stützmaterial oder das Entpulvern bis hin zur Oberflächenbehandlung und das Einfärben der 3D-Druckteile.

Einige Hersteller von 3D-Druckern bündeln spezielle Lösungen mit ihren 3D-Druckern, es gibt aber auch eine Reihe von Unternehmen, die sich auf Post-Processing-Maschinen spezialisiert haben.

3D-Druck Dienstleister

Speziell für Unternehmen, die sich aus Kosten-, Zeit- oder Platzgründen keinen 3D-Drucker anschaffen wollen, bieten 3D-Druckdienstleister eine großartige Alternative. Zur Auswahl stehen unzählige Dienstleister, die auf der ganzen Welt verteilt sind.

Um ein 3D-Objekt von einem Dienstleister fertigen zu lassen, wird üblicherweise ein Design hochgeladen, anschließend die gewünschte Technologie und das gewünschte Druckmaterial ausgewählt bevor es schlussendlich in 3D gedruckt und an den Kunden versendet wird. Als Kunde können Sie von der Erfahrung des Anbieters und den industriellen AM-Systemen profitieren.

Heutzutage gibt es eine unglaublich große Auswahl an 3D-Druckmaterialien für verschiedene 3D-Drucktechnologien. Diese reichen von Thermoplasten, Metallen und Keramiken bis hin zu Lebensmitteln, organischen Zellen und Beton. 3D-Druck ist also mit nahezu jedem Material möglich.

Thermoplasten: Standard-, Technische- und Hochleistungskunststoffe

Das gebräuchlichste 3D-Druckmaterial ist Kunststoff. Thermoplaste für den 3D-Druck lassen sich in drei Untergruppen einteilen:

• Standard-Thermoplaste
• Technische-Thermoplaste
• Hochleistungs-Thermoplaste

Standard-Thermoplaste werden häufig von Hobbyisten aber auch von professionellen Anwendern verwendet. Dazu gehören insbesondere PLA und ABS, welche sich recht einfach drucken lassen.

Technische Kunststoffe wie Nylon oder PETG sind schwieriger zu verarbeiten und erfordern neben einer höheren Extrusionstemperatur einen geschlossenen Bauraum um einen thermischen Verzug aufgrund von Temperaturschwankungen zu vermeiden. Hochleistungspolymere wie PEEK werden bevorzugt für Teile eingesetzt die hohen Temperaturen, Chemikalien, Feuchtigkeit und mehr standhalten müssen. Diese 3D-Druckmaterialien sind verglichen mit Standardkunststoffen deutlich teuer und erfordern den Einsatz eines Hochtemperatur-3D-Druckers.

Komposit 3D-Druckmaterialien

Komposit oder Verbundmaterialien, welche eine Mischung aus zwei oder mehr Materialien sind, bieten die Möglichkeit unterschiedliche Materialeigenschaften zu kombinieren.

Zu den Verbundwerkstoffen zählen weniger technische Materialien wie PLA mit Holzpartikel, aber auch sehr starke und widerstandsfähige Materialien wie Carbonfaser verstärktes Nylon oder PEEK. Mit speziellen 3D Druckern ist es sogar möglich, eine Endlosfaser in den 3D-Druckprozesses einzubringen.

Metalle und Keramiken

Immer mehr Hersteller im 3D-Druck-Ökosystem entwickeln Lösungen für den 3D-Druck von Metallen und Keramiken.

Die meisten dieser Lösungen beinhalten teure Additive Fertigungssysteme in Industriequalität, diese stellen zuerst den Grünteil her, der vor der endgültigen Verwendung durch entbindern bzw. sintern nachbearbeitet werden muss.

3D-Druck mit Beton

Ebenfalls auf dem Vormarsch ist der 3D-Druck in der Baubranche, der dank spezieller Betonmischungen zum Drucken von Fundamenten, Brücken, Gebäuden, Skulpturen und mehr verwendet werden kann.

3D-Bioprinting

Obwohl vermutlich noch Jahre vergehen werden, bis menschliche Organe 3D gedruckt und transplantiert werden können, ist die Technologie heute bereits in der Lage eine Vielzahl lebender Zellen zu drucken. 

Diese Zellen sind typischerweise in speziellen Hydrogelen enthalten, die bei niedrigen Temperaturen extrudiert werden können, um zum Beispiel Haut oder Knorpel wachsen zu lassen.

3D-Druck für Lebensmittel

Derzeit sind die Möglichkeiten für den 3D-Druck von Lebensmittel noch recht begrenzt. Um Lebensmittel mit Hilfe von 3D-Druck herstellen zu können, müssen die einzelnen Zutaten in Form einer extrudierbaren Paste vorliegen.

Aus diesem Grund ist der 3D-Druck von Schokolade die weitverbreitetste Form. Dieser stellt jedoch noch immer Herausforderungen da, beispielsweise verändert sich der Geschmack von Schokolade, wenn sie mit Temperaturänderungen konfrontiert wird. Daher ist es wichtig sie nur soweit zu erhitzen, dass sie gedruckt werden kann, und sie nur so weit abzukühlen, damit die Schichten erstarren.

Beachten Sie, dass zur Verarbeitung der oben aufgelisteten Materialien jeweils ein spezieller 3D-Drucker erforderlich ist. Daher ist es manchmal einfacher einen 3D-Druck Dienstleister zu beauftragen welcher Zugang zu den meisten dieser Druckmaterialien und 3D-Druckertypen hat.

Es ist wichtig, zwischen 3D-Dateiformaten und druckbaren 3D-Dateien zu unterscheiden. 3D-Modelle oder digitale Blaupausen müssen ein bestimmtes Format haben, um in ein druckfähiges 3D-Format konvertiert werden zu können.

3D-Dateiformate für den 3D-Druck

Es existieren eine Vielzahl von 3D-Dateiformate, Grund dafür ist die große Anzahl an verfügbaren 3D-Software Optionen. Die wichtigsten Formate in Zusammenhang mit 3D-Druck sind unten aufgeführten.

Die Wahl des richtigen Formats hängt sowohl von der verwendeten 3D-Drucktechnologie als auch vom verwendeten 3D-Druckmaterial ab.

STL 

STL war das erste Dateiformat, dass speziell für den 3D-Druck entwickelt wurde, und ist nach wie vor das weitverbreitetste Dateiformat im Bereich 3D-Druck. Es steht für Stereolithographie, welche die erste 3D-Drucktechnologie der Welt war.

Das STL-Format beschreibt die Oberfläche von 3D-Körpern mithilfe von Dreiecksfacetten, die ein so genanntes Netz bilden. Es eignet sich ideal für 3D-Drucke bestehend aus einem einzigen Material und in einer einzigen Farbe.

OBJ 

Das Open-Source-Format OBJ (OBJ für Object) bietet die Möglichkeit Informationen über Farben oder Materialien speichern zu können und gewinnt dadurch immer mehr an Popularität. 

Da immer mehr 3D-Farbdrucker auf dem Markt verfügbar sind, könnte das OBJ-Format bald die langjährige Vorherrschaft des STL-Formats verdrängen. Die Anzahl der Softwarelösungen zur Bearbeitung oder Reparatur von OBJ-Dateien ist jedoch begrenzt.

AMF

AMF ist die Abkürzung für Additive Manufacturing File und wurde früher STL 2.0 genannt. Dieses Format wurde ursprünglich geschaffen, um nach und nach das einfarbige STL-Format zu ersetzen. Es speichert eine Vielzahl von Eigenschaften, darunter das 3D-Objekt selbst, Farben (auch bekannt als Texturen), Materialien und Metadaten.

Während das STL-Dateiformat nur reguläre flache Dreiecke verwendet, ist das AMF-Format in der Lage gekrümmte Dreiecke darzustellen. Leider unterstützen nur sehr wenige Programme, darunter SOLIDWORKS, dieses Dateiformat.

3MF

3MF steht für 3D Manufacturing Format. Der Dateityp 3MF wurde von Microsoft in Zusammenarbeit mit einigen führenden Marken und Hersteller in der 3D-Druckindustrie entwickelt, darunter Dassault Systèmes, 3D Systems, Stratasys, und Materialise.

Ihr Ziel mit 3MF ist es, ähnlich wie AMF, eine solide Alternative zum STL-Format zu bieten welches einfach, "kompakt", umfassend und - wichtig - frei für alle Software-Hersteller nutzbar ist. 

 

Druckbares 3D-Dateiformat: G-Code

Die zuvor genannten 3D-Dateiformate müssen in einen Dateityp konvertiert werden, der von 3D-Druckern gelesen werden kann. Heute dominiert weitgehen das G-Code-Format den Markt.

STL-, OBJ-, AMF-, 3MF- und andere 3D-Dateien werden in hunderte oder tausende von Schichten unterteilt und enthalten Informationen darüber, wo der Drucker anfangen soll, wo der Drucker aufhören soll, wie schnell Material ablegt werden soll, wann die Farbe gewechselt werden soll (gilt nicht für STL-Dateien) und vieles mehr. Nähere Informationen finden Sie unter Funktionsweise von 3D-Druckern.

G-Code wird auch für die Steuerung von anderen computergesteuerten Maschinen wie CNC-Laser und Graviermaschinen verwendet.

 

Während einst der 3D-Druck selbst als Trend galt, gibt es heute mehrere spezifische Bereiche innerhalb der ständig wachsenden 3D-Druckindustrie, die sich als eigene Trends herauskristallisieren.

Hier ist ein kurzer Überblick über einige der wichtigsten 3D-Druck Trends von heute.

3D Druck Materialien

Metalle

Obwohl der 3D-Druck mit Metall keine Neuheit ist, hat er in letzter Zeit ziemlich an Zugkraft gewonnen. Grund dafür sind vor allem innovative Startups, die stetige Optimierung von Arbeitsabläufen sowie die steigende Anzahl von verfügbaren 3D-Druckmaterialien aus Metall.

Verbundwerkstoffe und Endlosfasern

Der Trend für den 3D-Druck von Verbundmaterialien ergibt sich aus der Möglichkeit, gewünschte Eigenschaften von zwei verschiedenen Materialien zu kombinieren. Typischerweise wird ein thermoplastisches Filament wie Nylon oder PEEK mit Kurzfasern bspw. aus Kohlenstoff verstärkt, dies sorgt für zusätzliche Festigkeit und Widerstandsfähigkeit und reduziert gleichzeitig das Gewicht der Teile.

Ebenfalls im Trend, und fortgeschrittener als klassischer Verbunddruck, ist der 3D-Druck mit Endlosfasern. Dabei werden die Druckteile während des 3D-Druckprozesses mit einer Endlosfaser aus Kohlenstoff oder Glasfasern verstärkt. Dadurch können Teile an spezifischen Stellen verstärkt und das Gesamtgewicht weiter optimiert werden.

Hochleistungswerkstoffe PEEK, PEKK und PEI

PEEK, PEI, PEKK und andere PAEK-Derivate gelten aufgrund ihrer überdurchschnittlichen Beständigkeit gegen hohe Temperaturen, Chemikalien, Wasser und andere extreme Bedingungen als Hochleistungsmaterialien.

PAEK-Materialien müssen mit Hochtemperatur-3D-Druckern gedruckt werden. Während das Angebot dieser Drucker vor einigen Jahren recht begrenzt war, gibt es heute zahlreiche Hersteller und Modelle. Das steigende Angebot sorgt mitunter dafür, dass Einstiegslösungen deutlich erschwinglicher sind.

Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Teilen, egal ob das Entfernen von Stützstrukturen, das Aushärten von Harzteilen, das Entpulvern oder das Veredeln von Oberflächen ist ein zeitaufwändiger Prozess.

Da der 3D-Druck vor einigen Jahren hauptsächlich für Prototypen oder sehr kleine Produktionsserien verwendet wurde, war die Nachbearbeitung selten ein limitierender Faktor. 

Nachdem 3D-Druck zunehmen als Verfahren für die Produktion eingesetzt wird und Unternehmen Ihre 3D-Druck Kapazitäten stetig ausbauen, boomt auch die Nachfrage nach effizienten, automatisierten Lösungen für die Nachbearbeitung.

3D Druck Software und Automatisierung

Damit sich der 3D-Druck zu einer echten Fertigungsalternative entwickeln kann, muss der durchgängige 3D-Druckprozess durch leistungsstarke, intelligente Software und Maschinen unterstützt werden.

Beginnend mit der automatischen Datenvorbereitung, bei der Modelle bei Bedarf automatisch repariert und anschließend so platziert werden, dass der verfügbare Bauraum optimal ausgenutzt wird.

Auch die Materialhandhabung sowie der Be- und Entladungsprozess können bis zu einem gewissen Grad automatisiert werden. Industrielle Additive Fertigungssysteme verwenden oft Materialkassetten oder verfügen über große Materialbehälter, um mehrere Tage unterbrechungsfrei drucken zu können.

In 3D-Druck Fabriken ist es sogar möglich, die Entfernung der Druckteile mit einer Mischung aus Vakuumsystemen, Förderbändern oder Robotern zu automatisieren. Die Teile werden anschließend zu verschiedenen Post-Processing Systemen geleitet, bevor sie gebrauchs- oder verkaufsfertig sind.

Solche Fabriken werden hauptsächlich mit der Hilfe von MES-Software (Manufacturing Execution System) Systemen betrieben. Daher konzentrieren sich auch Hersteller von 3D-Druckern zunehmend auf diese Art von Software und Automatisierungsmöglichkeiten und implementieren diese in Ihre Fertigungssysteme.

Die Auswahl des richtigen 3D-Druck Dienstleisters ist keine leichte Aufgabe. Um den passenden Dienstleister zu finden sollten folgende Punkte beachtet werden:

• Datenaufbereitung
• Technologie
• Materialien
• Finishing-Optionen
• Zertifizierung
• Vorlaufzeit

Datenaufbereitung

Nicht alle 3D-Modelle können in 3D ausgedruckt werden, insbesondere dann nicht, wenn Ihre Datei nicht im richtigen 3D-Dateiformat vorliegt. Einige 3D-Druckdienstleister stellen Teams bereit, die Ihnen bei der Optimierung Ihrer Modelle helfen oder sogar Ihren Prototyp von Grund auf neu entwerfen.

Technologie

Sobald Ihre Datei fertig ist, müssen Sie entscheiden mit welcher Technologie Ihr Teil in 3D gedruckt werden soll. Viele führende Dienstleister haben Zugang zu FFF-, Harz- und pulverbasierten 3D-Drucktechnologien.

On-Demand-Fertigungsplattformen bieten häufig zusätzliche Fertigungsverfahren sowohl subtraktiv als auch additiv an. Es kann interessant sein, mehrere Technologien zu kombinieren. 

Beispielsweise können Sie 3D-Druck und CNC-Fräsen kombinieren, um engere Toleranzen zu erreichen oder Sie können 3D-Druck mit Spritzguss kombinieren, um Kosten zu senken.

Materialien

3D-Druckmaterialien sind ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Wahl eines 3D-Druckdienstleisters. Zu den beliebten Materialien gehören Kunststoff, Verbundwerkstoffe, Wachs, Metalle, Sand und Keramik.

Wenn Sie bereits wissen mit welchem Material Sie drucken möchten, können Sie die Suche erheblich eingrenzen.

Finishing-Optionen

Funktional

Je nach Verwendungszweck habe Sie auch die Möglichkeit bestimmte Nachbearbeitungsschritte für Ihre Druckteile auszuwählen, diese erhöhen bspw. die Festigkeit oder Beständigkeit gegenüber bestimmten Bedingungen.

Wärmebehandlungen wie Annealing oder Hot Isostatic Pressing (HIP) machen bestimmte Teile robuster. Um Ihren Teil gegen Feuchtigkeit zu schützen, können Sie sich für eine wasserdichte Beschichtung entscheiden.

Ästhetisch

Haben Sie bestimmte optische oder haptische Anforderungen? Zahlreiche Oberflächenbehandlungen wie Schleifen oder Polieren bis hin zum Einfärben sind möglich. Dabei haben Sie meistens eine große Farbauswahl und können sich für ein glänzendes oder mattes Finish entscheiden.

Teile die verschiedene Nachbearbeitungsschritte durchlaufen haben, sind oft noch kaum von traditionell gefertigten Teilen zu unterscheiden. 

 

Zertifizierung

Die Möglichkeit Teile zu zertifizieren, ist ein wichtiger Schritt für die 3D-Druck Industrie. Nur so könne Anwender sicher sein, dass die von ihnen gekauften Objekte gewisse Kriterien in Bezug auf Sicherheit und Haltbarkeit erfüllen.

Derzeit ist die Anzahl von Dienstleistern, welche zertifizierte 3D-Druckteile anbieten, jedoch recht begrenzt. Dafür können Sie Teile bestellen, die von führenden Organisationen wie PRI (Performance Review Institute) oder ISO (International Organization for Standardization) festgelegten internationalen Normen erfüllen.

 

Vorlaufzeit

Je nach Anbieter kann die Vorlaufzeit variieren. Während manche 3D-Druckbüros in der Lage sind Teile binnen 24 Stunden zu fertigen, benötigen andere einige Tage oder Wochen. Wie bei jeder Art von Dienstleistung sind manche Anbieter schneller als andere.

Denken Sie daran, dass die Vorlaufzeit stark von der gewählten 3D-Druck Technologie und den gewählten Finishing-Optionen abhängt.

Die Plattform 3DEXPERIENCE Marketplace Make platform von Dassault Systèmes fasst all diese Schritte zusammen und bietet einen umfassenden Überblick über die verfügbaren Technologien, Materialien, Oberflächen, Zertifizierungen und Vorlaufzeiten an. Zudem bietet die Plattform die Möglichkeit ein sofort Angebot auf Basis Ihres Modells und Parameter zu erstellen.