Alles, was Sie über 3D-Druck wissen müssen!

Wenn wir über verschiedene Marktsegmente sprechen, ist der 3D-Druck eine der am meisten verbreiteten Technologien. Wenn wir jedoch beginnen, seine konzeptionelle Bedeutung und Geschichte zu erforschen, gibt es noch viel zu wissen.

Dieser Artikel wird eine eingehende Diskussion über die Geschichte des 3D-Drucks, seine wichtigsten Märkte, Verfahren und die dabei verwendeten Materialien einleiten.

Lassen Sie uns ohne weitere Verzögerung mit der Diskussion beginnen!

Überblick über die Geschichte des 3D-Drucks

Die Geschichte des 3D-Drucks lässt sich bis in die 1980er Jahre in Japan zurückverfolgen, als Hideo Kodama nach einer Möglichkeit suchte, ein beschleunigtes und schnelleres Prototyping-System zu entwickeln. Es war einer der ersten Versuche, einen schichtweisen Ansatz zu finden, der sich auch auf die Fertigung anwenden ließ. Als Ergebnis seiner Experimente entwickelte Hideo einen differenzierten Ansatz, der sich für die Fertigung eignet und die Verwendung eines lichtempfindlichen Harzes beinhaltet. Außerdem wurde es mit Hilfe von ultraviolettem Licht polymerisiert. Obwohl seine Erfindung noch nicht patentiert ist, wird er als der erste Erfinder der ersten Fertigungssysteme für den 3D-Druck bezeichnet.

Das Hauptwachstum des 3D-Drucks war zwischen 1990 und 2010 zu beobachten, als Tausende von Unternehmen und Start-ups begannen, mit verschiedenen additiven Fertigungstechnologien zu experimentieren. Daher markiert dieses Jahrzehnt den Beginn bedeutender Entwicklungen in der 3D-Drucktechnologie, insbesondere in der Fertigung.

Die wichtigsten Methoden des 3D-Drucks

Die 3D-Drucktechnologie umfasst eine Reihe verschiedener Herstellungsverfahren, bei denen die benötigten Materialien Schicht für Schicht aufgebaut werden. In jeder Form bieten die vorhandenen 3D-Druckverfahren dem Designer eine breite Palette von Möglichkeiten, so dass es für ihn einfach ist, das idealste und geeignetste Verfahren auszuwählen. Hier sind einige der führenden 3D-Druckverfahren:

Stereolithographie (SLA)

Die Stereolithografie wird auch als das ursprüngliche industrielle 3D-Druckverfahren bezeichnet und ist ideal für die Herstellung von Teilen mit großer Detailgenauigkeit und glatter Oberfläche. Die daraus resultierende Qualität von Stereolithographie-Teilen sieht gut aus und kann dazu beitragen, die Funktion und die Passform der Baugruppe zu testen. Dieses Druckverfahren wird unter anderem in der Medizin und bei anatomischen Modellen eingesetzt.

Multi-Jet-Fusion

Dieses Verfahren ist den vorherigen Methoden sehr ähnlich, da es dazu beiträgt, funktionelle Teile aus Nylonpulver herzustellen. Bei der Multi-Jet-Fusion werden Tintenstrahldrucker verwendet, um Schmelzmittel auf die Schicht aus Nylonpulver aufzutragen. Nach dem Aufbau dieser Schicht wird ein Heizelement über die einzelnen Schichten geführt, um sie miteinander zu verschmelzen. Dieses Verfahren ist im Vergleich zu anderen Verfahren auch mechanisch einfacher zu handhaben und bietet eine bessere Oberflächenqualität. Daher ist diese Methode ideal, da sie die Vorteile der herkömmlichen Verfahren mit der Beschleunigung der Bauzeit verbindet, was zu einer besseren Produktionsqualität führt.

PolyJet

Es handelt sich um ein beliebtes 3D-Druckverfahren, das die Herstellung von Teilen mit unterschiedlichen Eigenschaften, einschließlich Materialien und Farben, ermöglicht. Mit dieser Methode können Designer die Technologie für die Herstellung von Spritzgussteilen und Prototypen verbessern. Das Design ist jedoch einheitlich und starr. Daher ist es in der Regel ideal, bei konventionellen Verfahren zu bleiben. Wenn das Verfahren außerdem das Prototyping der bestehenden Struktur beinhaltet, entfällt bei diesem Verfahren die Notwendigkeit, in frühe Entwicklungszyklen zu investieren und schneller zu entwerfen, um die notwendigen Ressourcen zu sparen.

Selektives Laser-Sintern (SLS)

Selektives Lasersintern ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Pulver auf Nylonbasis geschmolzen und in festen Kunststoff verwandelt wird. Da bei diesem Verfahren Teile aus echtem thermoplastischem Material hergestellt werden, ist das resultierende Material auch langlebig und ideal für Funktionstests. Im Vergleich zu anderen Methoden sind die bei diesem Verfahren entstehenden Teile zwar massiv, haben aber eine rauere Oberfläche. Bei diesem Verfahren entfällt auch die Notwendigkeit einer Stützstruktur, was es ideal für größere Mengen macht, die bei anderen 3D-Druckverfahren nicht üblich sind.

Elektronenstrahlschmelzen

Elektronenstrahlschmelzen ist ein weiteres wichtiges 3D-Druckverfahren. Es ist sehr beliebt, weil es einen Elektronenstrahl verwendet, der durch eine elektromagnetische Spule reguliert und gesteuert wird und das Schmelzen des Metallpulvers unterstützt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Lackierbetts, und die Vakuumbedingungen stabilisieren sich während des Aufbaus. Die Temperatur bestimmt auch das Material, das zum Schmelzen der Teile verwendet wird. Das Elektronenstrahlschmelzverfahren ist auch deshalb so weit verbreitet, weil es zur Integration der 3D-Drucktechnologie beiträgt, so dass die im Prozess verwendeten Ressourcen nicht verschwendet werden.

Digitale Lichtverarbeitung (DLP)

Dieses Verfahren ist dem Selektiven Lasersintern sehr ähnlich, da es dazu beiträgt, die Qualität des flüssigen Harzes mit Hilfe von Licht zu verbessern. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Verfahren besteht darin, dass bei der digitalen Lichtverarbeitung digitale Lichtprojektionsschirme verwendet werden. Im Gegensatz dazu wird bei der anderen Methode ein UV-Laser verwendet. Das bedeutet, dass bei der digitalen Lichtverarbeitungstechnik 3D-Drucker eingesetzt werden, die gleichzeitig eine ganze Bildschicht herstellen können, wodurch sich die Baugeschwindigkeit insgesamt erhöht. Obwohl dieses Verfahren häufig zur Beschleunigung des Prototyping-Prozesses eingesetzt wird, eignet es sich auch für die Kleinserienfertigung von Einheiten, einschließlich Kunststoffteilen.

Modellierung durch Schmelzabscheidung (FDM)

Es ist eines der gängigsten Desktop-3D-Druckverfahren, das ausdrücklich für Kunststoffteile verwendet wird. Das Fused Deposition Modeling ist auch ein kostengünstiges und vergleichbares Diffusionsverfahren, wenn physische Modelle hergestellt werden müssen. Jeder 3D-Drucker, der für das Fused Deposition Modelling eingesetzt wird, hilft beim Extrudieren von Kunststofffilamenten, indem er die einzelnen Schichten fragmentiert und die gesamte Plattform aufbaut. Diese Methode eignet sich auch ideal für Funktionstests, aber die Technologie ist in der Regel begrenzt, da die Teile eine relative Referenzoberfläche und keine ausreichende Festigkeit aufweisen.

Direktes Metall-Laser-Sintern

Es handelt sich um ein 3D-Metalldruckverfahren, das die bestehenden und möglichen Möglichkeiten für die Gestaltung von Metallteilen erweitert. Dieses Verfahren wird am häufigsten eingesetzt, um das Volumen des bei der Verarbeitung verwendeten Metalls zu verringern und mehrteilige Funktionen in einem einzigen Bauteil zusammenzufügen. Darüber hinaus ist es auch ideal für die Herstellung von Leichtbauteilen mit internen Kanälen mit speziell entwickelten Merkmalen. Dieses Verfahren eignet sich auch ideal für das Prototyping und die Produktion, da es Teile verwendet, die eine ausreichende Dichte aufweisen, um die herkömmlichen Metallherstellungsverfahren wie Gießen und Zerspanen zu überstehen. Daher ist die Herstellung von Metallkomponenten durch direktes Metall-Lasersintern auch ideal für Anwendungen, bei denen die Gestaltung von Teilen mit organischer Struktur eine wesentliche Anforderung ist.

Hauptmaterialien für den 3D-Druck

Die Vielfalt der Hauptmaterialien für den 3D-Druck ist so groß wie die Methoden, die wir im letzten Abschnitt vorgestellt haben. Hier sind die wichtigsten Druckmaterialien, die in Standard-3D-Druckverfahren verwendet werden

Kunststoff

Kunststoff ist eines der am häufigsten verwendeten Materialien für den 3D-Druck, da es sich um ein vielfältiges Material für Branchen wie Spielzeug und Haushalt handelt. Produkte, die mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie aus Kunststoff hergestellt werden, ermöglichen den Bau von Produkten mit transparenter Form und leuchtenden Farben, die am häufigsten gelesen werden und für ihre glänzende Textur besonders beliebt sind. Es ist auch eine vergleichsweise erschwingliche Option, da es sowohl für die Entwickler als auch für die Verbraucher leicht und taschenfreundlich ist. Darüber hinaus gibt es Kunststoffprodukte, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, in verschiedenen Formen und Konsistenzen, was zu einer weiteren Diversifizierung des Anwendungsbereichs beiträgt.

Bei der Klassifizierung der im 3D-Druckverfahren verwendeten Kunststofftypen werden die folgenden unterschieden:

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

Es ist eine der solidesten und sichersten Optionen, insbesondere für den Heimgebrauch oder andere private Zwecke, einschließlich der Anwendung von 3D-Druckern. Es wird auch als LEGO-Kunststoff bezeichnet, da sein Grundmaterial aus nudelartigen Strukturen besteht, die für Flexibilität und Festigkeit sorgen. Aufgrund dieser besonderen Eigenschaft ist diese Art von Kunststoff auch ideal für Produkte wie Spielzeug und Aufkleber.

Polycarbonat (PC)

Polycarbonat ist zwar weniger populär als andere Kunststoffe, bietet den Designern aber einzigartige Düsendesigns, die nur bei hohen Temperaturen möglich sind. Neben vielen anderen Produktkategorien eignet sich Polycarbonat auch für die Herstellung von kostengünstigen Kunststoffen und Formschalen, was es gerade für diese Branchen ideal macht.

Polyvinylalkohol-Kunststoff (PVA)

Polyvinylalkohol-Kunststoff wird häufig in preisgünstigen Heimdruckern verwendet, da er in der Regel als Trägermaterial für Materialien mit ausreichender Nachhaltigkeit und Beobachtbarkeit geeignet ist. Polyvinylalkohol-Kunststoff eignet sich jedoch nicht für Produkte, die eine hohe Festigkeit erfordern, sondern ist eine kostengünstige Option, wenn es um die Herstellung von Artikeln geht, die nur vorübergehend verwendet werden sollen.

Polylactid (PLA)

Dies ist eine der umweltfreundlichsten Optionen für ein Material, das sich für den 3D-Druck eignet. Diese Säure wird aus natürlichen Quellen wie Maisstärke und Zuckerrohr gewonnen und ist häufig in harten und weichen Formen erhältlich. Außerdem besteht sie aus festen Materialien und eignet sich daher für eine breite Palette von Produkten. Daher wird sie von Technikern und Designern oft als eine der vielseitigsten und umweltfreundlichsten Optionen für 3D-Druckverfahren, einschließlich der Verwendung von Kunststoff, angesehen.

Pulver

Auch bei den modernen 3D-Druckverfahren werden häufig verschiedene Arten von Pulver verwendet, um eine breite Palette von Produkten herzustellen. Betrachtet man jedoch die Funktionsweise von 3D-Druckern, so werden die Pulver in der Regel geschmolzen und in Form von Schichten verteilt, bis die gewünschte Dicke, Textur und das gewünschte Muster entstanden sind. Dieses Pulver kann in verschiedenen Formen und aus verschiedenen Quellen und Materialien stammen. Zu den gebräuchlichsten gehören jedoch die folgenden –

Polyamid (PA)

Dieser Pulvertyp ist für seine Festigkeit und Flexibilität bekannt und ermöglicht eine hohe Detailgenauigkeit bei der Herstellung von 3D-Druckprodukten. Es ist auch ideal für die Zusammenfügung von Teilen und das Ineinandergreifen verschiedener Teile, um 3D-Druckmodelle zu erstellen. Außerdem ist es hilfreich beim Drucken von Griffen und Verschlüssen bis hin zu kreativen Figuren und Spielzeugautos.

Alumid

Alumide ist eine Mischung aus grauem Aluminium, Aluminiumpulver und Polyamid, die es zu einem der stabilsten 3D-Druckmodelle macht. Außerdem hat es eine körnige und sandige Textur, was es ideal für Industriemodelle und Prototypen macht, die eine hohe Festigkeit erfordern. Darüber hinaus ist es in Pulverform vergleichsweise einfacher zu transportieren und in jede gewünschte Form zu bringen, die ein Produkt benötigt. Daher ist es im Vergleich zu anderen Pulverformen, die üblicherweise im 3D-Druck verwendet werden, von höherem Wert.

Kunstharz

Kunstharze gehören zu den am wenigsten verwendeten Materialien im 3D-Druck. Im Vergleich zu anderen Materialien werden Harze nur für begrenzte Anwendungen eingesetzt und bieten dem Endprodukt nur begrenzte Sicherheit und Festigkeit. Sie bestehen aus Flüssigpolymeren, die länger dem UV-Licht ausgesetzt sind und daher in der Regel in schwarzer, weißer und transparenter Ausführung erhältlich sind. Es können jedoch auch verschiedene Produkte und Varianten in den Farben Orange, Rot, Blau und Grün hergestellt werden. Harze werden in der Regel in drei verschiedene Kategorien eingeteilt, darunter die folgenden

Lackierbare Harze

Dies sind 3D-Drucke mit glatter Oberfläche, die für ihre Ästhetik und Festigkeit bekannt sind. Diese Harze werden auch verwendet, um Gesichtsdetails wie z. B. Feen darzustellen, die oft schwer zu erreichen sind.

Transparentes Harz

Dies ist die wichtigste Harzkategorie, da sie sich am besten für 3D-Druckprodukte eignet. Sie zeichnen sich durch eine glatte Oberfläche und ein transparentes Aussehen aus und sind daher die ideale Wahl für Kunstharze. Klare und farbige Varianten transparenter Harze werden jedoch am häufigsten für die Herstellung von Schachfiguren, Figuren und kleinen Haushaltszubehörteilen verwendet, die in der Regel transparente Oberflächen aufweisen.

Hochdetaillierte Harze

Diese werden im Allgemeinen für kleine Modelle verwendet, die komplizierte und feine Details aufweisen müssen. Beispielsweise werden hochdetaillierte Harze am häufigsten zur Herstellung von 4-Zoll-Fingern verwendet, die komplexe Garderobenstrukturen und Details enthalten, die mit dieser Harzkategorie gedruckt werden.

Metalle

Metalle gehören ebenfalls zu den beliebtesten Materialien für den 3D-Druck. Sie werden am häufigsten beim direkten Metall-Lasersintern und anderen geeigneten Verfahren verwendet. Techniken, bei denen Metalle zum Einsatz kommen, gehören zur Herstellung von Luftfahrtgeräten, die den 3D-Druck von Schwermetallen erfordern, um die Konstruktion von Teilen zu beschleunigen und zu vereinfachen. Metalle werden auch häufig bei der Herstellung von Schmuckstücken verwendet. In solchen Fällen muss die Produktion schnell und in großen Mengen erfolgen. Daher bietet sich die Möglichkeit, mit Hilfe der 3D-Drucktechnologie ein detaillierteres Werk herzustellen.

Die Verwendung von Metallen im 3D-Druck wird am häufigsten in der Luft- und Raumfahrtindustrie zur Herstellung von Einspritzdüsen für Triebwerke eingesetzt. Schätzungen zufolge wird die Produktion bis 2020 um 10 % steigen, was auf den zunehmenden Einsatz von Metallen im 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrtindustrie hindeutet. Im Druckverfahren tragen Metalle dazu bei, eine bestimmte Härte zu erreichen, so dass die Drucker diese Materialien direkt zur Herstellung von Metallteilen verwenden können. Sobald das Produkt die Endbearbeitung erreicht hat, wird es elektropoliert und an das nächste Marktsegment weitergegeben.

Kohlenstofffaser

Kohlefaser ist ein Verbundwerkstoff, der in 3D-Druckern als Deckschicht über Kunststoffmaterialien verwendet wird. Der Hauptzweck der Verwendung von Kohlenstofffasern im 3D-Druck ist die Verstärkung des Kunststoffs, da die Kombination eine schnellere und bequemere Alternative zu Metall darstellt.

Papier

Papier wird im 3D-Druck verwendet, wenn die Entwürfe einen realistischeren Prototyp als 2D-Abbildungen erfordern. Solche Integrationen ermöglichen es den 3D-Druckmodellen, die Hauptidee des Entwurfs mit größerer Genauigkeit und mehr Details zu vermitteln. Darüber hinaus macht es das Endprodukt überzeugend und ansprechend und vermittelt ein besseres Gefühl für das technische Genie, das bei den Verfahren zur Erzielung des gewünschten Ergebnisses eingesetzt wurde.

Graphit

Obwohl es nicht zu den konventionellsten 3D-Druckmaterialien gehört, wird Graphit aufgrund seiner Leitfähigkeit und Festigkeit langsam populär. Dieses Material eignet sich ideal für die Herstellung von Produkten, die eine wesentlich größere Flexibilität erfordern, wie z. B. Solarpaneele und Gebäudeteile.

Materialien für hohe Temperaturen im 3D-Druck

Beim 3D-Druck, insbesondere beim Fused Deposition Modeling, spielen Hochtemperaturwerkstoffe eine wichtige Rolle, da sie die anspruchsvollsten Interessenten sind. Diese Materialien benötigen in der Regel höhere Temperaturen als normale Materialien und haben außergewöhnliche thermochemische und mechanische Eigenschaften. Zu den bekanntesten Hochtemperaturmaterialien für den 3D-Druck gehören die folgenden Werkstoffe.

Polyetherketon-Keton (PEEK)

Polyetherketonketon ist eine der beliebtesten Alternativen für Anwendungen, die eine einfache Verarbeitung mit einem amorphen Material ermöglichen. Es ist im Volksmund als PEEK bekannt und bietet eine zusätzliche und verbesserte Haftschicht, was es zu einem äußerst bevorzugten Hochtemperaturmaterial macht, das auch bei Druckbelastungen eine hohe Festigkeit aufweisen kann.

Es ist auch für seine hohe Hitzebeständigkeit im Vergleich zu anderen Materialien für den 3D-Druck bekannt, da es bessere mechanische und chemische Eigenschaften besitzt, die ihm eine höhere Hitzebeständigkeit verleihen. Aus diesem Grund ist Polyetherketonketon eines der beliebtesten Materialien für den 3D-Druck, das sich für hohe Temperaturen eignet.

ULTEM (PEI)

ULTEM, besser bekannt als Polyetherimid, ist ein Hochtemperaturmaterial, das großartige Eigenschaften zu einem extrem niedrigen Preis bietet, was es zu einem der bevorzugten Hochtemperaturmaterialien für den 3D-Druck macht. Einer der größten Vorteile der Verwendung als Hochtemperaturmaterial für den 3D-Druck ist, dass es aufgrund seiner hervorragenden chemischen und thermischen Beständigkeit sterilisiert werden kann. Daher ist es die ideale Wahl für zahlreiche Anwendungen, die eine hohe Widerstandsfähigkeit, Festigkeit und Steifigkeit erfordern.

Polyvinylidenfluorid (PVDF)

Polyvinylchlorid, auch PVDF genannt, ist bekannt für seine hohe mechanische Festigkeit und seine Fähigkeit, Temperaturen von bis zu 150 Grad Celsius standzuhalten. Es ist außerdem ein hochgradig inerter Thermoplast, der eng mit Teflon verwandt ist, was es zu einer der bevorzugten Optionen macht.

Die wichtigsten Märkte für den 3D-Druck

Die 3D-Drucktechnologie gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten und hat in verschiedenen Marktsegmenten und Branchen an Popularität gewonnen. Konsistente 3D-Druckanwendungen entwickeln sich, aber sie haben in einigen Hauptmärkten an Popularität gewonnen.

Hier sind einige der häufigsten Anwendungsfälle von Branchen, die den 3D-Druck nutzen:

Medizin

Der 3D-Druck ist in der Medizin weit verbreitet, insbesondere beim Bioprinting, wo Techniker Materialien wie Zellen und Wachstumsfaktoren verwenden müssen, um gewebeähnliche Strukturen zu untersuchen. 3D-Druckanwendungen in der Medizin tragen auch zu einer weit verbreiteten Anwendung von Metallimplantaten gegen Osteoporose bei. Bioprinting hilft auch beim 3D-Druck von künstlichen Organen, die bei Patienten mit Organversagen helfen können, wenn ein schnelleres Wachstum eine wesentliche Voraussetzung für die Behandlung ist.

Bauwesen

Die Bauindustrie ist ein weiterer beliebter Anwendungsfall für den 3D-Druck. Der 3D-Druck von Beton gilt als eine frühere und weniger kostspielige Art, Gebäude zu errichten. Er hat es den Designern ermöglicht, speziell auf Betonfundamente und Gebäude zugeschnittene Entwürfe vor Ort zu erstellen.

Kunst und Schmuck

Der Kunst- und Schmuckbereich ist ebenfalls eine beliebte Anwendung der 3D-Drucktechnologie. Die Fortschritte im 3D-Druck haben es Millionen von Künstlern weltweit ermöglicht und inspiriert, ihre individuellen und einzigartigen Kunstwerke und Schmuckstücke mit Hilfe des 3D-Metalldrucks herzustellen. Vor allem im Schmuckbereich helfen 3D-Drucker den Designern, mit dem Design zu experimentieren, was mit traditionellen Verfahren der Schmuckherstellung nicht möglich ist. Außerdem helfen sie den Schöpfern, ihre eigenen einzigartigen und maßgeschneiderten Schmuckstücke zu kreieren.

Herstellung und Prototyping

Wie wir wissen, wurde der 3D-Druck zunächst für die schnellere Herstellung von Prototypen entwickelt. Die Technologie des 3D-Drucks hat jedoch erheblich zum Wachstum des Marktsegments Fertigung und Prototyping beigetragen. Durch die Kombination von Cloud-Computing-Technologien bieten Unternehmen den Verbrauchern heute additive Fertigungsdienstleistungen an, ohne dass die Kosten für die Anschaffung eines 3D-Druckers anfallen.

Ausblick auf die Zukunft

Als Technologie hat der 3D-Druck die Welt verändert. Er ist nicht nur auf die Zielbranche beschränkt, sondern beeinflusst auch das tägliche Leben von Millionen von Verbrauchern auf der ganzen Welt. Darüber hinaus hat er das Konsumgütersegment personalisierter und bedarfsorientierter gemacht und damit die Quellen für die Fertigung in der Zukunft erweitert.

Für die Zukunft sagen Experten voraus, dass 3D-Drucker auch in der Lage sein werden, Materialien Atom für Atom aufzubauen und die Leichtbautechnologie auf die nächste Stufe zu heben. Die Technologie wird auch dazu beitragen, leichte und leistungsstarke Materialien herzustellen. Allerdings müssten dabei auch die bestehenden Herausforderungen des 3D-Drucks und der additiven Fertigung in den einzelnen Branchen berücksichtigt werden. Die bestehende Technologie ist auf dem Weg, besser und billiger zu werden, was den Forschern viele Möglichkeiten bietet, den 3D-Druck mit anderen technologisch fortschrittlichen Verfahren zu integrieren.

Um die Industrie in die Lage zu versetzen, die bestehenden 3D-Drucktechnologien in der Zukunft zu nutzen, müssen Industrie und Politik zusammenkommen und weitere Empfehlungen zur Stärkung der Politik aussprechen. Darüber hinaus ist es auch erforderlich, das Thema anders zu betrachten, damit zukünftige Technologien ein besseres Ergebnis liefern.