Was ist 3D-Druck?

In den letzten Jahren hat der 3D-Druck viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen und versprochen, die Fertigung zu revolutionieren und die Art und Weise, in der wir produzieren, vollständig umzukehren. Wie bei vielen aufkommenden disruptiven Technologien ist ein Großteil der Berichterstattung in der populären Presse übertrieben, eher wie ein Star Trek-Replikator als die eigentlichen Prozesse. 

Unabhängig davon, ob einige der wilderen Behauptungen schwinden oder nicht, für Designer bietet der 3D-Druck eine verführerische Perspektive: Die Fähigkeit, Objekte ohne die Einschränkungen der herkömmlichen Fertigung herzustellen, die Fähigkeit, sogar Objekte auf Ihrem Schreibtisch herzustellen, ohne traditionelle Fertigkeiten im Bereich Fertigung oder Entwicklung.

4D-Dodekaeder in einem MakerBot-Replikator 2. Bildnachweis: Creative Tools via Flickr

Am Ende dieses Artikels haben Sie sich mit der Terminologie des 3D-Drucks vertraut gemacht und wissen, welche Methode für Sie am besten geeignet ist. Zuerst werden die drei am häufigsten verwendeten Technologien und dann einige Optionen beim Entwurf eines Modells erörtert.

3D-Drucktechnologien

Es wäre falsch, den 3D-Druck als eine einzige Technologie zu betrachten. Stattdessen handelt es sich um eine Reihe von Technologien, die einer gemeinsamen Idee der additiven Fertigung folgen, die von Software angetrieben wird. 

Was ist also die additive Fertigung? Viele Fertigungstechniken beginnen mit einem Materialblock und entfernen ihn selektiv, bis das gewünschte Objekt übrig bleibt. Additive Manufacturing stellt dies auf den Kopf, beginnt mit einer leeren Leinwand und fügt nur das hinzu, was für das endgültige Objekt erforderlich ist. 

Diese additive Fertigung ist an sich nichts Besonderes - ein Kind, das Sandburgen am Strand baut, nutzt die additive Fertigung. Der Einsatz digitaler Technologien für ein zuverlässiges und genaues Ergebnis macht den 3D-Druck besonders.

3D-Druck bestehend aus vielen 2D-Schnitten. Bildnachweis: Creative Tools über Flickr

Normalerweise funktioniert dies, indem ein Objekt, das wir erstellen möchten, in dünne Abschnitte geschnitten wird und diese Scheiben einzeln erstellt werden, wobei sie übereinander gestapelt werden. Stellen Sie sich vor, Sie bauen eine Pyramide als eine Reihe quadratischer Gebäude, von denen jedes kleiner als das letzte ist, um eine 3D-Form zu bilden.

FDM: Extrudieren von Filamenten

Die erste Technik, die wir uns anschauen werden, ist FDM (Fused Depositional Modeling) oder FFF (Fused Filament Fabrication), wenn wir geschützte Begriffe vermeiden möchten. Es ist darauf angewiesen, ein Filament aus Material "zu extrudieren", d. H. Es bis zu einem Punkt zu erhitzen, an dem es durch eine Düse gepresst werden kann, wodurch ein noch dünneres Filament erzeugt wird. Diese Düse wird über eine Fläche bewegt, zeichnet die Kontur der zu erstellenden Schicht und füllt diese Kontur dann mit einem Materialmuster. 

Da das Material beim Extrudieren heiß ist, verbindet es sich mit dem bereits abgelegten Filament und bildet eine feste Materialscheibe. Sobald die Düse fertig ist, fährt sie etwas nach oben und beginnt, die nächste Schicht zu extrudieren.

Beachten Sie die Umrisse und das Füllmuster, auch wenn Sie einen FDM-Druck ausführen. Bildnachweis: Tony Buser über Flickr

Dies ist die Technik, die Sie in den meisten Hobby-3D-Druckern finden, normalerweise mit ABS oder PLA-Kunststoff. Die Technik erzeugt eine "Holzmaserung" -ähnliche Oberfläche mit leichten Rillen zwischen jeder Schicht (obwohl diese durch Schleifen, Polieren oder Acetondampf entfernt werden kann). Eine unvollständige Kalibrierung einer Maschine kann dazu führen, dass Filamentstränge an Stellen hervorstehen oder Flecken aus geschmolzenem Material.

Die Technik kann mit überhängenden Formen kämpfen. Da es auf der darunter liegenden Schicht aufgebaut wird, wird alles Überhängende auf nichts als Luft extrudiert! Solange wir nicht zu weit überhängen müssen, stützt sich das Material und sinkt nicht zu stark. Kommerzielle Maschinen gehen dies jedoch mit einem Trägermaterial an, das aus einem zweiten Kopf extrudiert wird, der als Gerüst ausgebildet ist, um etwaige Überhänge abzustützen, die anschließend abgebrochen oder gelöst werden können. Es gibt einige Hobby-Versuche, dies zu replizieren, aber sie sind tendenziell weniger zuverlässig.

SLA: Resins einstellen

Die nächste Technik, Stereolithographie oder SLA, beruht auf lichtempfindlichen Harzen, Photopolymeren und Materialien, die sich bei Einwirkung von (normalerweise ultraviolettem) Licht von flüssig zu fest verändern. Indem wir jede Scheibe des Objekts auf der Oberfläche einer dünnen Flüssigkeitsschicht mit ultraviolettem (UV) Licht belichten, können wir nur die Teile aushärten, die wir wollen. Dieses ausgehärtete Harz wird wiederholt mit einer weiteren dünnen Flüssigkeitsschicht geflutet und dann mit UV-Licht in der Form der nächsten Modellscheibe belichtet, um nach dem Ablassen der Flüssigkeit eine gehärtete 3D-Struktur zu hinterlassen. 

Die Methode der UV-Belichtung unterscheidet sich: Einige SLA-Drucker verwenden einen Laser, um die Schicht über die Oberfläche zu ziehen, während andere einen DLP-Projektor verwenden, um eine gesamte Schicht gleichzeitig zu belichten.

Stereolithographische Drucke vom Drucker Form 1. Bildnachweis: Seth Woodworth über Flickr

SLA erzeugt leichter einen glatteren Druck mit höherer Auflösung, ist jedoch tendenziell teurer. Es hat das gleiche Problem von Überhängen und Teile neigen dazu, auf einem Gerüst aus dem gleichen Harz wie das gebaute Objekt gebaut zu werden, was einiges Aufräumen des Schleifens erforderlich macht. 

In der professionellen Welt des 3D-Drucks werden viele Drucke vom Typ "Modellherstellung" verwendet, und es gibt viele Fotopolymerisate, die jetzt verschiedene Materialien nachahmen. Bis vor kurzem beschränkten Patente diese Technik auf professionelle Maschinen, jedoch sind in den letzten Jahren Maschinen erschienen, die für den Hobby-Bastler zugänglich sind, und damit auch billigere Harze. Abgesehen davon, verwendet die Technik gloopy Chemikalien mit begrenzter Lebensdauer, daher denke ich nicht, dass sie FDM im Hobbybereich komplett ersetzen wird.

SLS: Schmelzen mit Lasern

Die besten 3D-Drucker verwenden wieder einen Laser, diesmal jedoch mit einer höheren Leistung, entweder das Schmelzen oder Sintern von Pulvern (Sintern ist, wenn ein Material ausreichend erhitzt wird, um es zusammenzuschmelzen, aber nicht genug, um es vollständig zu einer Flüssigkeit zu schmelzen.). 

Bei diesen Pulvern kann es sich um Kunststoffe wie Nylon oder Metalle handeln, die den 3D-Druck von für Maschinen geeigneten Teilen ermöglichen. Wenn Sie einen Nachrichtenartikel über Formel-1-Rennteams oder Raketenhersteller sehen, die 3D-Druck verwenden, ist dies der Typ, den sie meinen. Sehr hohe Auflösung und sehr stark, aber normalerweise recht teuer. 

Diese Maschinentypen werden normalerweise als Alternative zu herkömmlichen Techniktechniken verwendet und können, obwohl sie teuer sind, kostengünstiger als herkömmliche Techniken für Einzelteile oder kleine Serien sein.

SpaceX SuperDraco-Raketentriebwerke, deren Teile mit Inconel-Superlegierung 3D-gedruckt sind. Bildnachweis: SpaceX Photos über Flickr

Andere 3D-Drucktechnologien

Diese drei Technologien sind keinesfalls erschöpfend. Sie können Drucker erhalten, die Wachstropfen ablagern, um ein Modell herzustellen, das in eine Form für Metalle gegossen werden kann (häufig für Schmuck verwendet). Sie können eine mit einem Tintenstrahldrucker vergleichbare Technologie über einem Pulverbehälter verwenden, um ein Bindemittel und Pigmente abzuscheiden und Farbmodelle herzustellen. Oder eine sehr ähnliche Technologie, gefolgt von Glasuren zur Herstellung von Keramiken (Teller, Tassen usw.). Noch mehr spezialisierte 3D-Drucker können biokompatible Materialien zum Drucken von lebendem Gewebe für die Implantation, Objekte im Nanomaßstab für kleine Maschinen und riesige Maschinen zum Erstellen von Abschnitten für die Architektur verwenden.

Künstliche Skulptur aus Sandstein 3D. Bildnachweis: EdytaZwirecka über Wikipedia

3D-Druckmaterialien

Ein breites Spektrum an Materialien bietet einen 3D-Druckservice mit einer Reihe von Maschinen, zum Beispiel dem Shapeway-Angebot. Sie betrachten eine Reihe von Kunststoffen, Metallen und Keramiken mit unterschiedlichen Eigenschaften, um Ihren Wünschen zu entsprechen. 

Ausgezeichnet, denken Sie vielleicht - ich muss mich nicht darum kümmern, wie es funktioniert, solange es funktioniert! Aber es gibt den Haken: Schauen Sie sich jedes Material an, das sie anbieten, und Sie werden feststellen, dass alle unterschiedliche Anforderungen haben, minimale Wandstärken, minimale Oberflächendetails, Mindestabstände usw. Möglicherweise müssen Sie Ihr Design anpassen, um mit dem Material zu arbeiten du verwendest.
Wenn Sie in die andere Richtung gehen und sich einen Hobbyisten-3D-Drucker zulegen, sind Sie etwas eingeschränkter, aber nicht so viel, wie Sie vielleicht erwarten. Es gibt jetzt eine Reihe von Filamenten, die auf dieser Art von Maschine funktionieren. Es gibt flexible Filamente, holzähnliche Filamente, durchscheinende Materialien und Kunststoffe mit allen möglichen Eigenschaften. 

Beachten Sie jedoch, dass diese Materialien in der Regel ein wenig mit den Temperaturen zu basteln brauchen und möglicherweise auch alternative Teile im Drucker. Die meisten Leute mit diesen Arten von Maschinen basteln jedoch gerne mit solchen Dingen.

Modellierung für den 3D-Druck

Es gibt zwei große Ansätze für die 3D-Modellierung: Oberflächenmodellierung und Volumenmodellierung. 

• Oberflächenmodellierung repräsentiert normalerweise ein Objekt als Punkte, Kanten und Flächen. 
• Solide Modellierung stattdessen, wie der Name schon sagt, eine Darstellung des Inneren des Objekts. Feste Modellierung ist für Programmierer in der Regel schwieriger zu schreiben und für den Designer eher einschränkend, und aus diesem Grund verwenden die meisten Modellierer, die nur Bilder aus einem 3D-Modell rendern möchten, ein Oberflächenmodellierungspaket.

Für die 3D-Modellierung kann beides verwendet werden, obwohl dies ein paar Vorbehalte hat. Denken Sie daran, dass die Software darauf abzielt, das Modell in Abschnitte zu unterteilen und wissen muss, welche sich innerhalb und außerhalb dieser Abschnitte befinden. Offensichtlich ist ein Modellierungspaket, das Objekte als Körper darstellt, eindeutig, was jedoch der Fall ist. Die Oberflächenmodellierung kann jedoch Dateien erzeugen, an denen dies nicht so offensichtlich ist. 

Es ist ein sehr strenger Ansatz, um gültige Dateien mit einer solchen Software zu erstellen, ganz im Gegensatz zu dem üblichen Ansatz für das Rendern eines Modells. Kurz gesagt, die Feile muss "vielfältig" sein, d. H. Keine sich kreuzenden Flächen, keine inneren Flächen, keine Löcher und alle geschweißten Scheitelpunkte sind nicht nur sehr nahe. Das Modell müsste wasserdicht sein, wenn Sie es aus Kunststoffplatten herstellen. Befolgen Sie diese Anleitung, um weitere Informationen zu erhalten.

Wenn Sie sich also nicht mit der Oberflächenmodellierung auskennen, würde ich vorschlagen, ein solides Modellierungspaket auszuprobieren. Obwohl sie weniger ausdrucksstark sind, gibt es beim ersten Versuch weniger Fehler! 

Ich neige dazu, Solidworks zu verwenden, aber es ist ziemlich teuer. Dank des Aufkommens des 3D-Drucks kommt glücklicherweise eine entsprechende Verbreitung von kostenlosen Volumenmodellierungspaketen hinzu. Das Unternehmen, das AutoCAD herstellt, ein weiteres teures, aber sehr leistungsfähiges 3D-Paket, bietet einige Pakete an. Einige davon sind für diesen Zweck am nützlichsten: Tinkercad, ein einfaches browserbasiertes CAD-Paket, und 123D Design, ein Offline-Tool mit ähnlichen Funktionen. 

Mein kostenloses Go-To-Tool ist in der Regel Trimble Sketchup, das für den nicht-kommerziellen Gebrauch kostenlos ist. Sie benötigen jedoch eine Erweiterung, um die richtige Art von Datei zu erhalten.

Welches Tool auch immer Sie verwenden, Sie müssen in der Regel eine oder mehrere STL-Dateien erhalten. Dies ist ein sehr einfaches Dateiformat, das jedoch von den meisten 3D-Druckwerkzeugen akzeptiert wird.

Herstellung Ihres 3D-Drucks

Sie kennen einige der Technologien, Sie kennen einige der Software, vielleicht haben Sie sogar eine Datei erstellt, und Sie möchten nur wissen, wie sie bereits gedruckt werden kann! Hier gibt es mehrere Möglichkeiten: Sie können in eine Maschine investieren, einen 3D-Druckdienst verwenden oder einen 3D-Drucker verwenden. Jeder hat Vor- und Nachteile.

Der Kauf einer eigenen Maschine kann eine ziemliche Investition sein, wenn auch viel weniger als in der Vergangenheit. Sie sind auf die eine Technologie beschränkt, die Ihre Maschine verwendet, und daher auf das eine oder einige wenige Materialien, die in dieser Technologie verwendet werden. Vorausgesetzt, Sie sind nicht aus Geld gemacht und konnten eine professionelle Maschine bekommen, müssen Sie möglicherweise in die technische Seite Ihrer Maschine eintauchen, wenn etwas ersetzt oder neu kalibriert werden muss, obwohl viele Hobbymaschinen über hervorragende Online-Communities verfügen, die dies unterstützen. 

Trotzdem haben Sie die billigste Option für das gewünschte Teil. Wenn Sie also süchtig werden, können Sie Teile nach Herzenslust ausgeben. Und Sie werden in der Lage sein, Teile schnell zu durchlaufen. Wenn Sie so etwas wie ich sind und mehrere Teile zum Zusammenfügen zusammenstellen, werden Sie beim ersten Erstellen etwas falsch verstehen!

Ein Modell mit dem Ultimaker, einem beliebten 3D-Hobby-Drucker. Bildnachweis: Maurizio Pesce über Flickr

Eine weitere Option sind 3D-Druckdienste, entweder online oder Ihre lokale 3D-Druckerei. Dies hat den Vorteil, dass keine Vorabkosten anfallen (obwohl es pro Teil erheblich teurer ist) und eine Reihe von verfügbaren Technologien und Materialien zur Verfügung steht. Der andere Hauptnachteil neben den Kosten ist die Zeit, denn Sie müssen warten, bis sie fertig sind und sie Ihnen zusenden. Es gibt ein paar große Services wie Shapeways oder iMaterialise, aber suchen Sie nach der Lösung, die das beste Preis-Leistungs-Verhältnis für Sie bietet.

3D-gedruckte Teile von Shapeways, einem Online-3D-Druckservice. Bildnachweis: Lunatics TV via Flickr

Die dritte Option ist ein halbes Haus zwischen diesen beiden, aber es hängt davon ab, ob Sie einen 3D-Drucker finden, den Sie lokal verwenden können. Die Herstellerbewegung hat zu einer großen Anzahl lokaler Herstellerbereiche geführt, in denen möglicherweise Maschinen für Einstieg und Material zur Verfügung stehen oder auch nur jemand, der bereit ist, auf einer Maschine Zeit mit 3D-Modellierungsfähigkeiten für seine Projekte zu tauschen. Schau in Es hinein!

Oder Sie können tun, was ich tue, und all das tun! Testen Sie Modelle schnell auf Ihren eigenen Maschinen, senden Sie Dateien nach alternativen Materialien ab und engagieren Sie sich bei lokalen Herstellern und Studenten, um etwas zu fertigen.

Fazit

So kennen Sie jetzt ein bisschen die Terminologie, einige Optionen und die Vor- und Nachteile der einzelnen Begriffe. Gehen Sie vor und drucken Sie etwas 3D-interessantes. Achten Sie auch darauf, dass Sie Ihre Augen für zukünftige Tutorials offen halten, die sich näher mit den Details befassen. Wenn Sie Fragen haben, veröffentlichen Sie sie in den Kommentaren!

Versuchen Sie als ersten Schritt mit dem 3D-Druck einen 3D-Druckservice. Probieren Sie unser Tutorial zum Erstellen eines 3D-gedruckten Handykoffers aus.

Vorschaubild: Seth Woodworth über Flickr