Lifthrasir
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Ich möchte mich zu einem Thema austauschen, das mich seit dem Besuch einer Demonstration fasziniert. Erst einmal informativ eine Zusammenfassung von mir zum Thema:
3D-Drucker
Grundprinzip des 3D-Druckens:
3D-Drucker sind Drucker die aus verschiedenen Grundmaterialien computergesteuert 3-dimensionale Modelle erstellen können. Ausgangsdaten zur Steuerung werden meistens mittels CAD Programmen erstellt. CAD (Computer aided Design) bedeutet rechnerunterstütztes Konstruktion mittels Computerprogramme die vektororientiert arbeiten. Vektororientierte CAD Programme speichern zum Beispiel nur die zwei Endpunkte einer Geraden, oder den Kreismittelpunkt und den Radius eines Kreises, die Datenmenge ist so wesentlich geringer als die von pixelorientierten Zeichenprogrammen. Mit 3D-CAD Programmen lassen sich am Computer 3D-Modelle konstruieren, aus allen Richtungen betrachten und verschiedene Baugruppen können ineinander gefügt werden.
Prozesse des 3D-Druckens:
Der 3D-Drucker lässt dann aus den CAD-Daten ein 3-dimensionales Modell entstehen. Um ein reales 3D-Modell zu erstellen, wird das Modell im Computer in 2-dimensionale Scheiben (Layer) zerschnitten, dieser Vorgang wird Slicing genannt. Auf Basis dieser Daten kann ein 3D-Drucker dann ein 3D-Objekt, aus der Summe der einzelnen 2D-Scheiben, von unten nach oben aufbauen
Die Druckgeschwindigkeit und Qualität hängt von der Dicke der Scheiben ab, also wie detailliert das 3D-Modell zerschnitten wird. Natürlich sind die Parameter des fertigen Modells auch von anderen Faktoren abhängig, zum Beispiel von der Druckgüte des 3D-Druckers und dem Verfahren sowie den Materialien, die zur Erstellung des 3D-Modells angewandt werden.
Verschiedene Verfahren des 3D-Druckens:
FDM Verfahren
Für den Hausgebrauch werden sogenannte Büro-3D-Drucker angeboten, die mit dem FDM Verfahren (Fused-Depositing-Modeling) arbeiten, bei dem erhitzter Plastikdraht aus ABS oder anderen Kunststoffen durch eine Metalldüse gepresst wird. Ein Druckkopf wird in 3 Dimensionen (X, Y und Z Achse) oder in 2 Dimensionen (X und Y Achse) und die Druckplattform in der Z-Achse nach unten computergesteuert bewegt. Der Druckkopf besteht im Wesentlichen aus einer Heizung um das Ausgangsmaterial zu schmelzen und einem Extruder (Schneckenwelle) um das geschmolzene Material gleichmäßig aus dem Druckkopf zu pressen. Verwendete Materialien sind meistens Kunststoffe wie ABS oder PLA. Der Drucker erstellt das drei-dimensionale Objekt Schicht für Schicht von unten nach oben aufbauend.
Je nach der Beschaffenheit des Modells, muss während des Aufbaus eventuell eine Stützkonstruktion bedacht und in das Druckverfahren einbezogen werden. Auch können in großen Hohlkörpern keine kleineren Gegenstände erstellt werden.
Diese Art von 3D-Druckern ist sehr kostengünstig und einfach zu Handhaben. Durch die sogenannte RepRap Technologie (Sich-Selbst-Vervielfältigend) gibt es viele verschiedene Anbieter die Drucker in Preisstufen zwischen 300 und 3000 Euro auf den Markt bringen. 3D-Drucker dieser Kategorie können mit mehreren Druckköpfen ausgestattet sein um entweder Modelle farblich zu erstellen oder um verschiedene Materialien in einem Druckvorgang zu verarbeiten. Neben Kunststoffen können andere Materialien wie Gips oder Keramik (das anschließend gebrannt wird) und sogar Lebensmittel wie Schokolade zum Einsatz kommen.
ALM Verfahren
Im professionellen Bereich kommt das ALM Verfahren (Additive-Layer-Manufacturing) zum Einsatz. Auf einem Druckbrett wird eine dünne Pulverschicht aufgetragen, ein Druckkopf wird in 2 Dimensionen (X und Y Achse) bewegt, dabei wird ein Bindemittel (Kleber) auf die Pulverschicht gebracht. Über die erste Pulverschicht werden so folgende Pulverschichten gelegt und nach den Daten der 2D-Scheiben mit Bindemittel versehen. Das Druckbrett wird in der Z-Achse nach jeder Pulverschicht weiter nach unten bewegt.
Der Vorteil von diesem Verfahren zeigt sich darin, das ungebundenes Pulver der einzelnen Layer automatisch eine stützende Funktion übernimmt und so keine Stützkonstruktion notwendig wird. Auch lassen sich in großen Hohlkörpern kleine Modelle parallel mitdrucken. Überschüssiges im Druckauftrag nicht gebundenes Pulver wird dem System wieder zugeführt.
Schmelz-Verfahren
Bei dem SLM Verfahren (Selective-Laser-Melting) funktioniert ähnlich dem ALM Verfahren, doch Anstelle von Bindemittel wird das Pulver mit einem Laser verschmolzen, dieses Verfahren ermöglich eine hohe Dichte des 3D-Models.
Eisenpulver wird bei dem SLS Verfahren (Selective-Laser-Sintering) mittels Laser oder bei dem EBM Verfahren (Electron-Beam-Melting) mittels Elektronenstrahl bei hohen Temperaturen verschmolzen, so können auch 3D-Modelle in Metall gefertigt werden. Diese Art der 3D-Drucker ist im Aufbau jedoch aufwendiger und kostenintensiver. Außerdem wird der Einsatz eines Abkühlgerätes notwendig und die Metallteile müssen anschließend nachbearbeitet werden.
Stereolithografie-Verfahren
Andere Druckverfahren arbeiten mit flüssigen Komponenten, wie zum Beispiel Epoxidharzen oder Photopolymere, lichtempfindliche Kunststoffe die mittels UV Licht aushärten. Entweder werden die 3D-Modelle in einem gefüllten Becken erstellt, in dem ein koordinaten-gesteuerter Laser das Trägermaterial härtet (Stereolithografie STL, SLA oder DLP Verfahren). Oder in eine Mischung aus FDM Verfahren und Stereolithografie(MJM Multi-Jet-Modeling) wird das flüssige Material mit einem 3D-Druckkopf in Form gebracht und mit einem Projektor Schicht für Schicht gehärtet. Für beide Verfahrensweisen gilt, das die Modelle oft nachbehandelt (gehärtet) werden müssen und beim Druckvorgang eine Stützkonstruktion mit einbezogen werden muss.
Weitere Verfahren
Um der Vollständigkeit halber sollte noch das FTI Verfahren (Film-Transfer-Imaging) erwähnt werden, bei dem mittels eines Trägerfilms lichtempfindliches Material auf die Druckplattform gebracht wird und mit einem Projektor gehärtet wird.
Und das LOM Verfahren (Laminated-Object-Modeling) bei dem Schichten (Layer) von Materialien verklebt und per Cutter computergesteuert geschnitten in Form gebracht werden.
Vorteile des 3D-Druckens:
Jedes 3D-Druckverfahren hat seine Vor- und Nachteile gegenüber den anderen 3D-Druckverfahren. Die Wahl welches Verfahren und welche Art von Drucker benötigt wird, hängt vom Kosten/Nutzenfaktor ebenso ab, wie von anderen Parametern wie zum Beispiel Größe des Werkstückes, Qualitätsansprüche und Quantität der Nutzung des 3D-Druckers, sowie Art, Beschaffenheit und Anforderungen an das Werkstück selber.
Alle 3D-Druckverfahren haben gemeinsame Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsprozessen von Werkstücken.
1. Zur Herstellung von Werkstücken sind keine Formen und keine weiteren Werkzeuge oder Maschinen notwendig, außer solchen, die zur Nacharbeit und Nachbehandlung des Werkstückes erforderlich sind.
2. Werkstücke können zeitsparend hergestellt werden, da zeitintensive Vorbereitungen wie Materialeinkauf, Formenherstellung und letztendlich die Herstellung des Werkstückes selber durch Personal entfällt. Nachdem die Daten für den Druckvorgang gepuffert sind, arbeiten 3D-Drucker weitgehend selbstständig und können unbeaufsichtigt selbst über Nacht das Werkstück drucken.
3. Zur Herstellung wird kein weiteres Fachpersonal wie Dreher oder Werkzeugmacher benötigt.
4. Selbst komplizierteste, überhängende Werkstücke die unter herkömmlichen Umständen aus mehreren Teilen zusammen gefügt werden müssten, können mit 3D-Druckern in einem Teil gefertigt werden.
5. Das ALM 3D-Druckverfahren lässt die Herstellung von ineinander greifenden, geschachtelten oder innen liegenden Werkstücken zu. So kann eine Trillerpfeife, die herkömmlich aus mindestens 3 Einzelteilen (zwei Schalen für den Korpus und der innen liegenden Kugel) zusammengesetzt werden muss, durch das ALM Verfahren in einem Stück, in einem Druckvorgang gefertigt werden. Die innenliegende später freibewegliche Kugel kann durch die stützende Funktion des losen Pulvermaterials (nicht durch Bindemittel fixiertes Pulver) innerhalb des aus einem Stück gefertigten, geschlossenen Korpus der Trillerpfeife gedruckt werden. Das überschüssige lose Pulvermaterial wird bei der Nachbehandlung einfach entfernt und gibt die Funktion der Kugel frei.
Fazit, durch die verschiedenen 3D-Druckverfahren können speziell einzelne Werkstücke als seltene Ersatzteile oder Werkstücke zum Musterbau, selbst im kompliziertestem Design einfach, zeit- und kostensparend hergestellt werden, dabei eröffnen sich, wie im Falle der Trillerpfeife, Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht zu realisieren wären.
In Verbindung mit einem Computer und einem Internetanschluss können 3D-Drucker zu modernen 3D-Faxgeräten kombiniert werden, so könnten selbst langwierige oder kostenintensive weltweite Versandwege von Mustern und speziellen Ersatzteilen entfallen.
Die Möglichkeiten dieser Technik sind noch lange nicht ausgeschöpft, mit diesem Verfahren sind Teleporter die auf Reproduktionsbasis aufbauen (3D-Scan und 3D-Druck) denkbar möglich. Es können zwar keine Teile durch das Weltall gebeamt werden, doch die Daten zur Reproduktion können erfasst und bald vielleicht auch schon komplexere Materialien und Formen reproduziert werden?
Wie seht Ihr die Möglichkeiten und Entwicklung sowie die Einflussnahme dieser Technik?
3D-Drucker
Grundprinzip des 3D-Druckens:
3D-Drucker sind Drucker die aus verschiedenen Grundmaterialien computergesteuert 3-dimensionale Modelle erstellen können. Ausgangsdaten zur Steuerung werden meistens mittels CAD Programmen erstellt. CAD (Computer aided Design) bedeutet rechnerunterstütztes Konstruktion mittels Computerprogramme die vektororientiert arbeiten. Vektororientierte CAD Programme speichern zum Beispiel nur die zwei Endpunkte einer Geraden, oder den Kreismittelpunkt und den Radius eines Kreises, die Datenmenge ist so wesentlich geringer als die von pixelorientierten Zeichenprogrammen. Mit 3D-CAD Programmen lassen sich am Computer 3D-Modelle konstruieren, aus allen Richtungen betrachten und verschiedene Baugruppen können ineinander gefügt werden.
Prozesse des 3D-Druckens:
Der 3D-Drucker lässt dann aus den CAD-Daten ein 3-dimensionales Modell entstehen. Um ein reales 3D-Modell zu erstellen, wird das Modell im Computer in 2-dimensionale Scheiben (Layer) zerschnitten, dieser Vorgang wird Slicing genannt. Auf Basis dieser Daten kann ein 3D-Drucker dann ein 3D-Objekt, aus der Summe der einzelnen 2D-Scheiben, von unten nach oben aufbauen
Die Druckgeschwindigkeit und Qualität hängt von der Dicke der Scheiben ab, also wie detailliert das 3D-Modell zerschnitten wird. Natürlich sind die Parameter des fertigen Modells auch von anderen Faktoren abhängig, zum Beispiel von der Druckgüte des 3D-Druckers und dem Verfahren sowie den Materialien, die zur Erstellung des 3D-Modells angewandt werden.
Verschiedene Verfahren des 3D-Druckens:
FDM Verfahren
Für den Hausgebrauch werden sogenannte Büro-3D-Drucker angeboten, die mit dem FDM Verfahren (Fused-Depositing-Modeling) arbeiten, bei dem erhitzter Plastikdraht aus ABS oder anderen Kunststoffen durch eine Metalldüse gepresst wird. Ein Druckkopf wird in 3 Dimensionen (X, Y und Z Achse) oder in 2 Dimensionen (X und Y Achse) und die Druckplattform in der Z-Achse nach unten computergesteuert bewegt. Der Druckkopf besteht im Wesentlichen aus einer Heizung um das Ausgangsmaterial zu schmelzen und einem Extruder (Schneckenwelle) um das geschmolzene Material gleichmäßig aus dem Druckkopf zu pressen. Verwendete Materialien sind meistens Kunststoffe wie ABS oder PLA. Der Drucker erstellt das drei-dimensionale Objekt Schicht für Schicht von unten nach oben aufbauend.
Je nach der Beschaffenheit des Modells, muss während des Aufbaus eventuell eine Stützkonstruktion bedacht und in das Druckverfahren einbezogen werden. Auch können in großen Hohlkörpern keine kleineren Gegenstände erstellt werden.
Diese Art von 3D-Druckern ist sehr kostengünstig und einfach zu Handhaben. Durch die sogenannte RepRap Technologie (Sich-Selbst-Vervielfältigend) gibt es viele verschiedene Anbieter die Drucker in Preisstufen zwischen 300 und 3000 Euro auf den Markt bringen. 3D-Drucker dieser Kategorie können mit mehreren Druckköpfen ausgestattet sein um entweder Modelle farblich zu erstellen oder um verschiedene Materialien in einem Druckvorgang zu verarbeiten. Neben Kunststoffen können andere Materialien wie Gips oder Keramik (das anschließend gebrannt wird) und sogar Lebensmittel wie Schokolade zum Einsatz kommen.
ALM Verfahren
Im professionellen Bereich kommt das ALM Verfahren (Additive-Layer-Manufacturing) zum Einsatz. Auf einem Druckbrett wird eine dünne Pulverschicht aufgetragen, ein Druckkopf wird in 2 Dimensionen (X und Y Achse) bewegt, dabei wird ein Bindemittel (Kleber) auf die Pulverschicht gebracht. Über die erste Pulverschicht werden so folgende Pulverschichten gelegt und nach den Daten der 2D-Scheiben mit Bindemittel versehen. Das Druckbrett wird in der Z-Achse nach jeder Pulverschicht weiter nach unten bewegt.
Der Vorteil von diesem Verfahren zeigt sich darin, das ungebundenes Pulver der einzelnen Layer automatisch eine stützende Funktion übernimmt und so keine Stützkonstruktion notwendig wird. Auch lassen sich in großen Hohlkörpern kleine Modelle parallel mitdrucken. Überschüssiges im Druckauftrag nicht gebundenes Pulver wird dem System wieder zugeführt.
Schmelz-Verfahren
Bei dem SLM Verfahren (Selective-Laser-Melting) funktioniert ähnlich dem ALM Verfahren, doch Anstelle von Bindemittel wird das Pulver mit einem Laser verschmolzen, dieses Verfahren ermöglich eine hohe Dichte des 3D-Models.
Eisenpulver wird bei dem SLS Verfahren (Selective-Laser-Sintering) mittels Laser oder bei dem EBM Verfahren (Electron-Beam-Melting) mittels Elektronenstrahl bei hohen Temperaturen verschmolzen, so können auch 3D-Modelle in Metall gefertigt werden. Diese Art der 3D-Drucker ist im Aufbau jedoch aufwendiger und kostenintensiver. Außerdem wird der Einsatz eines Abkühlgerätes notwendig und die Metallteile müssen anschließend nachbearbeitet werden.
Stereolithografie-Verfahren
Andere Druckverfahren arbeiten mit flüssigen Komponenten, wie zum Beispiel Epoxidharzen oder Photopolymere, lichtempfindliche Kunststoffe die mittels UV Licht aushärten. Entweder werden die 3D-Modelle in einem gefüllten Becken erstellt, in dem ein koordinaten-gesteuerter Laser das Trägermaterial härtet (Stereolithografie STL, SLA oder DLP Verfahren). Oder in eine Mischung aus FDM Verfahren und Stereolithografie(MJM Multi-Jet-Modeling) wird das flüssige Material mit einem 3D-Druckkopf in Form gebracht und mit einem Projektor Schicht für Schicht gehärtet. Für beide Verfahrensweisen gilt, das die Modelle oft nachbehandelt (gehärtet) werden müssen und beim Druckvorgang eine Stützkonstruktion mit einbezogen werden muss.
Weitere Verfahren
Um der Vollständigkeit halber sollte noch das FTI Verfahren (Film-Transfer-Imaging) erwähnt werden, bei dem mittels eines Trägerfilms lichtempfindliches Material auf die Druckplattform gebracht wird und mit einem Projektor gehärtet wird.
Und das LOM Verfahren (Laminated-Object-Modeling) bei dem Schichten (Layer) von Materialien verklebt und per Cutter computergesteuert geschnitten in Form gebracht werden.
Vorteile des 3D-Druckens:
Jedes 3D-Druckverfahren hat seine Vor- und Nachteile gegenüber den anderen 3D-Druckverfahren. Die Wahl welches Verfahren und welche Art von Drucker benötigt wird, hängt vom Kosten/Nutzenfaktor ebenso ab, wie von anderen Parametern wie zum Beispiel Größe des Werkstückes, Qualitätsansprüche und Quantität der Nutzung des 3D-Druckers, sowie Art, Beschaffenheit und Anforderungen an das Werkstück selber.
Alle 3D-Druckverfahren haben gemeinsame Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsprozessen von Werkstücken.
1. Zur Herstellung von Werkstücken sind keine Formen und keine weiteren Werkzeuge oder Maschinen notwendig, außer solchen, die zur Nacharbeit und Nachbehandlung des Werkstückes erforderlich sind.
2. Werkstücke können zeitsparend hergestellt werden, da zeitintensive Vorbereitungen wie Materialeinkauf, Formenherstellung und letztendlich die Herstellung des Werkstückes selber durch Personal entfällt. Nachdem die Daten für den Druckvorgang gepuffert sind, arbeiten 3D-Drucker weitgehend selbstständig und können unbeaufsichtigt selbst über Nacht das Werkstück drucken.
3. Zur Herstellung wird kein weiteres Fachpersonal wie Dreher oder Werkzeugmacher benötigt.
4. Selbst komplizierteste, überhängende Werkstücke die unter herkömmlichen Umständen aus mehreren Teilen zusammen gefügt werden müssten, können mit 3D-Druckern in einem Teil gefertigt werden.
5. Das ALM 3D-Druckverfahren lässt die Herstellung von ineinander greifenden, geschachtelten oder innen liegenden Werkstücken zu. So kann eine Trillerpfeife, die herkömmlich aus mindestens 3 Einzelteilen (zwei Schalen für den Korpus und der innen liegenden Kugel) zusammengesetzt werden muss, durch das ALM Verfahren in einem Stück, in einem Druckvorgang gefertigt werden. Die innenliegende später freibewegliche Kugel kann durch die stützende Funktion des losen Pulvermaterials (nicht durch Bindemittel fixiertes Pulver) innerhalb des aus einem Stück gefertigten, geschlossenen Korpus der Trillerpfeife gedruckt werden. Das überschüssige lose Pulvermaterial wird bei der Nachbehandlung einfach entfernt und gibt die Funktion der Kugel frei.
Fazit, durch die verschiedenen 3D-Druckverfahren können speziell einzelne Werkstücke als seltene Ersatzteile oder Werkstücke zum Musterbau, selbst im kompliziertestem Design einfach, zeit- und kostensparend hergestellt werden, dabei eröffnen sich, wie im Falle der Trillerpfeife, Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Herstellungsverfahren nicht zu realisieren wären.
In Verbindung mit einem Computer und einem Internetanschluss können 3D-Drucker zu modernen 3D-Faxgeräten kombiniert werden, so könnten selbst langwierige oder kostenintensive weltweite Versandwege von Mustern und speziellen Ersatzteilen entfallen.
Die Möglichkeiten dieser Technik sind noch lange nicht ausgeschöpft, mit diesem Verfahren sind Teleporter die auf Reproduktionsbasis aufbauen (3D-Scan und 3D-Druck) denkbar möglich. Es können zwar keine Teile durch das Weltall gebeamt werden, doch die Daten zur Reproduktion können erfasst und bald vielleicht auch schon komplexere Materialien und Formen reproduziert werden?
Wie seht Ihr die Möglichkeiten und Entwicklung sowie die Einflussnahme dieser Technik?