Archiv der Kategorie: 3D-Druck leicht gemacht

[Verfahren] Polyjet

Das Polyjet-Verfahren gehört zu den jüngeren Prozessen der additiven Fertigung. Der industrielle Fachbegriff lautet material jetting. Dieses Verfahren wurde im Jahr 2000 von der Firma Objet entwickelt, die im Jahr 2012 mit Stratasys fusionierte. Der Herstellungsprozess zeichnet sich insbesondere durch seine Vielfalt aus: Hochwertige Geräte sind in der Lage, über zehn Farben und Materialien gleichzeitig zu drucken.

Ebenso wie beim Stereolithografieverfahren dient ein flüssiges Photopolymer als Baumaterial. Doch anders als dort entsteht das Objekt nicht in einem Bad oder mittels eines Lasers. Beim Polyjet-Verfahren kommt ein Druckkopf zum Einsatz, der entfernt an einen Tintenstrahldrucker erinnert. Dieser gibt Tröpfchen für Tröpfchen das flüssige Photopolymer ab, das im unmittelbaren Anschluss mittels UV-Licht ausgehärtet wird.

Quelle: Youtube
Polyjet-Druckkopf (Quelle: Youtube)

Dieses High-Definition-Verfahren dient zur Herstellung äußerst realistischer Prototypen. Dabei lassen sich die Materialeigenschaften durch die Verwendung mehrerer Druckköpfe variieren. Das Objekt kann nach der Fertigstellung schließlich starr bis flexibel sein und in seinen Farben von transparent bis schwarz variieren. Das Endergebnis der Prototypenherstellung lässt schließlich das Endprodukt in Aussehen und Haptik erkennen.

Beim Polyjet-Verfahren ist der gebrauch von Stützkonstruktionen unerlässlich. Diese werden mithilfe eines separaten Druckkopfs angebracht. Sobald das Objekt fertig gestellt und und der Druckauftrag abgeschlossen ist, können diese Stützstrukturen mit Wasser abgewaschen werden.

Um euch die unzähligen Möglichkeiten zu veranschaulichen, die dieser Herstellungsprozess bietet, möchten wir euch an dieser Stelle ein sehr informatives Youtube-Video zeigen. Hier könnt ihr euch selbst von den vielfältigen Möglichkeiten überzeugen, die dieses Verfahren bietet.

[Verfahren] Pastenextrusion

Die Pastenextrusion ist ein simpler, jedoch vielfätiger Prozess, der sehr eng mit der Schmelzschichtung verwandt ist und findet ihren Einsatz vor allem bei experimentellen oder Open-Source-3D-Druckern. Beide Verfahren sind unter dem Begriff material extrusion zusammengefasst, da in beiden Fällen ein Material in einem langen Faden aus einer Düse herausgepresst wird. Da das Material bei der Pastenextrusion kalt oder mäßig warm verarbeitet wird, also anders als zum Beispiel ABS oder PLA nicht geschmolzen wird, ist starke Hitze unnötig. Nach dem Auftrag wird das Material gehärtet oder an der Luft getrocknet.

Dank der Pastenextrusion lassen sich unterschiedlichste Materialien verarbeiten, so zum Beispiel auch Beton oder Zement als Baugrundlage.
Dank der Pastenextrusion lassen sich unterschiedlichste Materialien verarbeiten, so zum Beispiel auch Beton oder Zement als Baugrundlage.

Die Pastenextrusion zeichnet sich dadurch aus, dass dieses Verfahren eine breite Palette von Materialien verarbeiten kann. Die geringen Anforderungen ermöglichen es also, nahezu jeden Grundstoff zu verarbeiten, der sich aus einer Düse pressen lässt. Gebräuchlich sind zum Beispiel Beton, Zement oder Ton.

Einen besonderen Platz nimmt die Pastenextrusion bei der Herstellung von Lebensmitteln ein. Viele Lebensmittelproduzenten nutzen dieses Verfahren bereits oder möchten die Verwendung des 3D-Drucks noch weiter ausweiten. Als Vorreiter in dieser Rolle sieht sich unter anderem der italienische Nudelhersteller Barilla, der bereits seit einiger Zeit auf diesem Gebiet forscht.

Zunächst einmal klingt die Pastenextrusion für viele vielleicht nach zahlreichen spaßigen Experimenten, die zwar deutliche Fortschritte in vielen Lebensbereichen versprechen, jedoch nicht zwingend notwendig sind. Falsch. Forscher sind bereits in der Lage, mithilfe des 3D-Drucks lebendes Gewebe herzustellen. Bei einem Bio-Printer werden in einem polymeren Gel eingeschlossene, lebende Zellen tröpfchenweise abgesetzt. Erhalten diese Zellen die richtigen Wachstumsbedingungen, sollen sie sich selbst in funktionstüchtigen Gewebestrukturen organisieren. Die Fortschritte schreiten rasch voran, doch bis heute ist es experimentell nicht möglich, Organe aus mehreren Geweben zu erstellen. An dieser Entwicklung wird jedoch bereits jetzt deutlich, welches Potenzial in diesem scheinbar simplen Prozess steckt.

[Verfahren] Selektives Lasersintern

Das selektive Lasersintern wurde von der Industrie lange Zeit hauptsächlich zum Bau von Prototypen und Kleinserien verwendet. Das hat sich mittlerweile jedoch deutlich geändert. Ein gutes Beispiel für die Erweiterung des Anwendungsgebietes sind unsere gedruckten Smartphone Cover. Auch das SLS-Verfahren wird als 3D-Druck bezeichnet, passt aber an dieser Stelle nicht richtig. Treffender ist die Bezeichnung der additiven Fertigung.

Genau wie bei der Stereolithographie erfolgt die Herstellung eines Objekts durch einen Laser. Trotzdem sind beide Verfahren sehr verschieden. Der Grundstoff des selektiven Lasersinterns ist nämlich ein pulverförmiges Material, das mithilfe einer Walze in einer dünnen Schicht auf einer Plattform im Bauraum aufgetragen wird. Der Laser zeichnet schließlich den Querschnitt des Objekts in das Pulver und schmilzt es zu einem festen Material. Sobald dieser Vorgang beendet ist, wird die Plattform minimal abgesenkt. Anschließend wird aus einem Behälter direkt neben der Plattform mithilfe der Walze wieder eine neue Pulverschicht aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das Objekt fertig gelasert wurde. Da sich um die gelaserten Schichten herum stets das Pulver befindet, sind Stützstrukturen bei diesem Prozess vollkommen unnötig. Doch der Prozess bietet noch weitere Vorteile. Das überschüssige Pulver kann nach dem Drucken sehr leicht entfernt und beim nächsten Druckvorgang weitestgehend wiederverwendet werden.

Außerdem erweist sich das selektive Lasersintern als zuverlässige Herstellungsmethode, die sich neben der Schnelligkeit und Vielfalt besonders durch hochwertige Druckergebnisse auszeichnet. Während sich die Anwender zum Beispiel bei der Schmelzschichtung häufig mit sichtbaren Schichten und Fäden herumärgern, sind die Ergebnisse des selektiven Lasersinterns meist sehr sauber und müssen nicht zwangsläufig nachbearbeitet werden. Gerade bei der Verarbeitung von Nylon gibt es außerdem die Möglichkeit, das Material ganz einfach einzufärben.

Aufgrund der angesprochenen Vielfalt erweist sich dieses Verfahren als besonders erfolgreich und beliebt. Meist werden Kunststoffe verarbeitet, doch beim selektiven Lasersintern lassen sich fast alle Stoffe verarbeiten, die auch in Pulverform erhältlich sind und unter intensiver Laserhitze schmelzen. Dementsprechend haben sich die Möglichkeiten stark erweitert. Man verwendet diese Fertigungsmethode zum Beispiel auch für Verbundwerkstoffe, Metall, Keramik und Sand.

Wer das Lasersintern nun im eigenen Wohnzimmer ausprobieren möchte, muss sich jedoch leider mit dem Gedanken abfinden, dass die Herstellungsmethode noch den professionellen Dienstleistern vorbehalten ist.

[Verfahren] Stereolithographie (SLA)

Kegelmann Technik, das Unternehmen hinter der Marke CYODE, startete vor mittlerweile 25 Jahren als Einmannunternehmen mit einer der ersten Stereolithographieanlagen Europas. Erfunden wurde diese Fertigungsweise Mitte der 80er Jahre von Chuck Hull. Ab dem Jahr 1986 vermarktete er die Stereolithographie mit seinem Unternehmen 3D Systems Inc. Ab da eroberte diese Fertigungsweise die Welt.

Die Stereolithographie ist das erste „3D-Druckverfahren“ und gilt somit als Urmutter des Rapid Prototyping und wird auch im Allgemeinen so bezeichnet. Dieses Verfahren beruht auf der Photopolymerisation. Ein Photopolymer ist ein flüssiger Kunststoff, der durch einen Laser verfestigt wird, wodurch schichtweise  das am Computer erstellte Modell entsteht. Das klingt zwar ziemlich kompliziert, lässt sich jedoch recht einfach erläutern.

Das Stereolithographieverfahren ist wie bereits erwähnt ein Schichtbauverfahren. Dabei wird dicht unter der Oberfläche auf einer Bauplattform in einem Bad aus flüssigem Photopolymer ein Querschnitt der endgültigen Form mittels eines Lasers ausgehärtet. Für die Aushärtung der nächsten Schicht senkt sich die Basis wieder um den Beitrag der ausgehärteten Lagenstärke ab. Beträgt diese beispielsweise 0,5mm, senkt sich die Bauplattform exakt um diese Stärke ab. Dieser Prozess wiederholt sich schließlich, bis auf diese Weise das fertige dreidimensionale Objekt entstanden ist. Da die umgebende Flüssigkeit die Struktur abstützt, bedarf in der Regel es keines inhärenten Trägermaterials. Trotzdem ist es zum Beispiel bei großen Überhängen notwendig, Trägerstrukturen zu erstellen, damit das Material nicht wegschwimmt. Da diese aus dem gleichen Material bestehen, müssen sie in der Nachbearbeitung mechanisch durch Abbrechen oder das Abknipsen mit einer Zange entfernt werden.

Das Stereolithographieverfahren zeichnet sich insbesondere durch den Kostenfaktor aus. Bei diesem Fertigungsprozess entstehen glatte und dichte Oberflächenstrukturen. Man spricht auch von einer einstufigen Fertigung. Dadurch ist eine mechanische Nachbearbeitung nicht zwingend erforderlich. Gleichzeitig entstehen kaum Abfälle und das Werkstück kann zudem auch als Urmodell genutzt werden.

Die ersten Schritte – die ersten Fragezeichen

Hey, ich bin Sebastian. Ich habe mich bereiterklärt, mich dem 3D-Druck zu stellen. Ich hab keine Ahnung, worauf ich mich wirklich einlasse, obwohl ich in den letzten Tagen schon einen kleinen Vorgeschmack bekam. Die Erstellung der Daten wird wohl meine geringere Herausforderung sein, was die praktische Arbeit angeht, lasse ich mich hingegen überraschen. Weil ich richtig Bock auf das Thema habe, habe ich mich dazu entschlossen, mir einen eigenen Drucker anzuschaffen. Und ihr kennt ja das versteckte Motto dieser Rubrik: „Find dich selbst zurecht“. Das dauert halt ein bisschen, wenn man vorher nicht wusste, worauf man sich einlässt.

Momentan bin ich also auf der Suche nach meinem ersten eigenen Drucker. Eigentlich dachte ich, dass dieser Punkt relativ schnell abgehakt wäre, indem ich mir ein Gerät von 3D-Systems kaufe. Als erstes fiel der Gedanke auf den Cube 3. 3D-Systems wirbt regelmäßig mit der einfachen Handhabung des Cubes, was für mich als absoluten Einsteiger ohne Frage ein Pluspunkt ist. Außerdem ist das Design in meinen Augen ein absoluter Hingucker.

Und dann kam es – das Aber. Obwohl der Cube im Gegensatz zu anderen Druckern scheinbar relativ fein druckt – die minimale Schichtstärke beträgt 70 Mikron – und sogar zweifarbige Objekte erstellen kann, stellt sich mir die Frage nach dem Material. PLA und ABS sind ja gut und schön, aber ich glaube, ich will auch mit anderen Looks spielen. Natürlich ist mir klar, dass ich auch hier gewissen Einschränkungen unterliege, aber ich möchte mich einfach von vornherein nicht so stark in der Materialauswahl begrenzen. Also heißt es für mich nun erst einmal weitersuchen – nach einem Gerät, das nicht als Bausatz daherkommt und durch einfache Bedienbarkeit sowie Materialvielfalt überzeugt. Ich werde euch auf jeden Fall auf dem Laufenden halten und falls ihr Tipps habt, immer her damit!

Bis zum nächsten Mal,
Sebastian

[Verfahren] Schmelzschichtung

Der 3D-Druck zeichnet sich durch eine unbeschreibliche Vielfalt aus – nicht nur bei den daraus resultierenden Möglichkeiten, sondern auch bei den Herstellungsverfahren der Objekte. Ein besonders schnelles, günstiges und verbreitetes Verfahren ist das Fused Deposition Modelling (FDM), das zu den additiven Fertigungstechniken gehört. Wie die deutsche Bezeichnung Schmelzschichtung bereits vermuten lässt, läuft hier nichts ohne Temperatur. Ein aufgerolltes, thermoplastisches Filament, meist ABS oder PLA, wird abgespult, geschmolzen und mittels einer Düse aufgetragen. Der Auftrag des geschmolzenen Filaments erfolgt Schicht für Schicht durch horizontale und vertikale Bewegungsabläufe, wodurch ein dreidimensionales Objekt entsteht.

Da das geschmolzene und verarbeitete Filament nach dem Auftragen natürlich noch eine gewisse Zeit zum Abkühlen und Aushärten benötigt, besteht die Gefahr, dass die Objekte in sich zusammenfallen oder sich Überhänge einfach verformen. Um das zu verhindern, stützt man das Objekt beim Druck mit sogenannten Stützstrukturen ab. Die Geräte der etwas günstigeren Klasse besitzen lediglich einen Druckkopf und drucken das Objekt sowie die Stützstrukturen dem selben Material. Die Strukturen müssen dann abgebrochen, abgeschliffen oder abgeknipst werden. Geräte der gehobenen Preisklasse besitzen hingegen zwei Druckköpfe. Ein Druckkopf verarbeitet das Filament, aus dem das Objekt besteht, während der andere Druckkopf das Stützmaterial verarbeitet. Dies lässt sich dann entweder durch Wasser oder ein basisches Bad auswaschen.

Die fertigen Objekte sind nicht unbedingt hitzebeständig, darüber hinaus zeichnen sie sich jedoch durch eine hohe Belastbarkeit aus. Doch das Aussehen der Oberfläche kann manchmal als störend empfunden werden, denn obwohl die einzelnen Schichten sehr fein sind, entsteht trotzdem häufig eine deutlich sichtbare Maserung.

Wie bereits aufgefallen sein dürfte, erinnert das Fused Deposition Modelling ein wenig an den Umgang mit einer Heißklebepistole. Das ist kein Zufall, denn als Stratasys-Mitbegründer Scott Crump das Verfahren vor über 20 Jahren entwickelte, hatte er exakt dieses Prinzip vor Augen. Mittlerweile wurde dieses Verfahren mehrfach adaptiert und ist auch unter der Bezeichnung Fused Filament Fabrication (FFF)  bekannt.

Heute lassen sich übrigens auch andere Stoffe wie Modellierwachs oder Schokolade verarbeiten. Doch es ist noch weitaus mehr möglich. Stoffe wie Holz, Keramik oder Metall können in Pulverform zum Beispiel durch einen thermoplastischen Verbundstoff verarbeitet werden, wodurch die Gestaltung der Objekte immer vielfältiger wird.