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Der 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing [AM]). Dabei handelt es sich um ein Prozess, der im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsmethoden Objekte aus 3D-Modelldaten, normalerweise Schicht für Schicht, durch Verbinden von Materialien herstellt. Das Druckverfahren unterliegt einem enormen Hype. Fachleute meinen, dass mit dem 3D-Druck in der Zukunft "Alles" hergestellt werden kann.
Es gibt drei verschiedene 3D-Drucktechniken (Lasersintern, Stereolithografie, Schmelzschichtung). Unterschiedlich sind die verwendeten Ausgangsmaterialien und die Modellierungstechnik. Als Vorlage für den 3D-Druck dient keine Textdatei wie bei den üblichen Druckern, sondern eine 3D-Vorlage, wie Sie mit einer CAD-Software entworfen werden kann.
Die gängigsten Dateitypen sind STL (Standard Triangulation Language), VRML (Virtual Reality Modeling Language) und X3D (Extensible 3D).
Mit diesen Vorlagen wird der 3D-Drucker versorgt. Das Modell wird dann aus schmelzbaren Materialen, Pulver oder auch aus einer bestimmten Flüssigkeit aufgebaut.
Alle drei gängigen 3D-Drucker-Typen tragen dünne Schichten auf, die einzeln ausgehärtet werden.
Der 3D-Druck besteht aus dem Lasersintern1 und dem herkömmlichen 2D-Druck mit einem Tintenstrahldrucker. Ein Mehrfarb-Druckkopf verteilt farbige Tinte auf einer dünnen Schicht aus gipsähnlichem Pulver. Ein der Tinte beigemischtes Bindemittel lässt nur die bedruckte Stellen aushärten. Die fertigen Modelle werden abschließend in Kunstharz getaucht um eine glattere Obfläerche zu gewährleisten. Diese Technik kommt ohne Stützmaterial aus, jedoch ist das Material vergleichsweise schwer und spröde. Das Patent für diese Vorgehensweise wird von Z-Corporation gehalten.
1 Bei dem Lasersintern werden die Materialien Kunststoff und Metall verwendet. Ein Schieber verteilt das Rohmaterial, welches hier in pulverform verwendet wird, wieder in Schichtform auf der Arbeitsplatte und ebenso wie bei der Stereolithografie wird mit einem UV-Laser punktuell das Material erhitzt und die Körnchön verschmelzen ineinander. Anders als bei der Stereolithografie2allerdings ist das verbleibende Pulver stabil genug um als Stütze für das entstehende Modell zu dienen, es wird nach Beendigung des Prozesses einfach abgebürstet und kann wieder verwendet werden. Modelle, die mit dieser Technik hergestellt werden haben oft eine raue Oberfläche sind aber wesentlich flexibler und stabiler als andere Modelle. Ein Spezialist auf diesem Gebiet ist die Firma EOS.
2 Bei der Stereolithografie werden aus Kunstharz detaillierte Modelle mit glatter Oberfläche hergestellt. Das Kunstharz wird Schicht für Schicht, wobei eine Schicht nicht dicker als der Bruchteil eines Millimeters ist, in ein Becken gegossen und mit Hilfe eines UV-Lasers punktuell belichtet und ausgehärtet. Nach dem Belichten und Aushärten einer Schicht wird die nächste darauf gegossen, solange bis das Objekt fertig gedruckt wurde. Das restliche, noch flüssige Kunstharz, welches keine Verwendung findet ist zu instabil um das Objekt, das gerade hergestellt wird zu tragen, deshalb wird ein zweites sogenanntes Stützmaterial benööigt, welches später natürlich wieder entfernt wird.
Hersteller von Druckern, die diese Technik verwenden sind 3D-Systems und Objet. Wobei Objet auch noch ein Patent auf ein Verfahren hält, bei dem mit lichtdurchlässigem Material gearbeitet wird und auf das sogenannte PolyJet-Verfahren, bei dem in einem Arbeitsvorgang mit mehreren verschiedenen Materialien gleichzeitig gedruckt werden kann.
Quelle: EDV Systeme Worms GmbH
Das Schmelzschichtungsverfahren (FDM [Fused Deposition Modeling]) ist das am weitesten verbreitete 3D-Druck-Verfahren. Bei dem Verfahren besteht das Ausgangsmaterial aus thermoplastischen Filamenten, die während des Fertigungsprozesses zuerst verflüssigt und anschließend wieder in der gewünschten und durch das CAD-Modell festgelegten Form verfestigt wird. Der geschmolzene Kunststoff wird Schicht für Schicht auf einem durch das CAD-Modell vorgegebenen Pfad aufgetragen (extrudiert), so wird nach und nach das gesamte Teil aufgebaut. FDM ist aufgrund seiner hohen Genauigkeit, niedrigen Fertigungskosten und einer großen Auswahl an unterschiedlichen Materialien eines der weitverbreitetsten 3D-Druckverfahren der Welt.
Wie funktioniert ein 3D-Drucker? - Verständlich erklärt
- BurdaForward GmbH
3Druck.com - Sprachrohr der größten 3D Druck Community
im deutschsprachigen Raum |
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3D-Drucker
Das Schmelzschichtungsverfahren (FDM [Fused Deposition Modeling]) ist das am weitesten verbreitete 3D-Druck-Verfahren. Bei dem Verfahren besteht das Ausgangsmaterial aus thermoplastischen Filamenten, die während des Fertigungsprozesses zuerst verflüssigt und anschließend wieder in der gewünschten und durch das CAD-Modell festgelegten Form verfestigt wird.
Ein typischer FDM-Drucker besitzt zwei verschiedene Spulen: Eine für das Druckmaterial und eine weitere für das Stützmaterial. Der FDM 3D-Druckvorgang lässt sich grob in drei Schritte unterteilen: |
Schritt 1 – Nach Eingabe der CAD-Daten wird der zuvor eingerichtete Kunststoffdraht durch Erhitzen in der beheizbaren Düse verflüssigt.
Schritt 2 – Dieser geschmolzene Kunststoff wird als Schicht durch die Extruderdüse, die sich auf einem durch das CAD-Modell festgelegten Pfad bewegt, auf die Schaumstoff-Platte aufgebracht. Dieser Vorgang des Aufbringens von flüssigen/halbflüssigen Materialschichten auf die jeweils vorangegangene Schicht wird wiederholt. Falls das Modell Überhänge oder andere Strukturen enthält, die sich möglicherweise wölben oder verbiegen können, werden häufig Stützstrukturen verwendet. Das Material der Stützstrukturen kann je nach Wahl aus dem gleichen oder aus einem anderen Material bestehen.
Schritt 3 – Gegebenenfalls eingesetzte Stützstrukturen werden nach dem Druck entfernt. |
Materialien für den FDM 3D-Druck:
Zu den gängigsten Hart Kunststoffen, die Xometry für FDM anbietet, gehören: ABS, ABS ESD7, ABS M30, ASA, Nylon PA12, Nylon PA12 CF, Kohlefaserverstärktes Polyamid 12, PC-ABS Polycarbonat, PC-ISO Polycarbonat, PC-ähnlicher hitzebeständiger Kunststoff, PC-Polycarbonat, PLA, PETG, PEEK, ULTEM 1010, und ULTEM 9085. ASA, ein amorpher Thermoplast mit verbesserter Witterungsbeständigkeit, wird aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften häufig in der Prototypenentwicklung eingesetzt. Außerdem ist er in vielen verschiedenen Farben verfügbar.
Quelle: Xometry Europe GmbH |
Übersicht - 3D-Drucker - 3Druck.com
Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-Druck: Technologie-Übersicht
- Xometry Europe GmbH
Deutsche Industrie setzt auf 3D-Druck
- CADCOMMUNICATION e.K.
Geheimwaffe gegen die Lieferkrise - 3D-Drucker
- Mauritius Kloft, t-online - Ströer Digital Publishing GmbH |
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3D-Drucksoftware
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3D Software – Welche Software benötige ich für den 3D-Druck?
- Marcel Richter, Einfach3ddruck |
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3D-Modelldaten
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3D-Betondruck |
Im nordrhein-westfälischen Beckum wurde das erste Wohnhaus Deutschlands mit der 3D-Betondrucktechnologie gedruckt. Das zweistöckige Einfamilienhaus mit ca. 80 Quadratmetern Wohnfläche pro Etage wurde nicht in konventioneller Bauweise errichtet, sondern mit einem Betondrucker gedruckt. |
Ein dänisches Start-up (COBOD International A/S) hatte den Einfall, Beton mit einem 3D-Drucker zu verarbeiten. Der 3D-Druck wird inzwischen in jedem Industriezweig eingesetzt, allerdings in kleinerem Maßstab. Die dänischen Betondrucker aber sind derart skalierbar, dass man selbst riesige Turmelemente für Windkraftanlagen mit ihnen drucken kann.
Die ETH Zürich (Eidgenössische Technische Hochschule Zürich) hat sogar ein Verfahren entwickelt, mit dem Brücken gedruckt werden können. Ein weiteres eindrucksvolles Beispiel ist in der klassischen Stadt der Brücken, in Venedig zu besichtigen.
Es könnte auch eine Chance für den sozialen Wohnungsbau sein. Die "makro"-Dokumentation stellt verschiedene Gebäude vor, die bereits bewohnt sind, und informiert über den Stand der Forschung, über Chancen und Grenzen beim Hausbau mit dem Drucker. Es gibt viele Gründe, warum das Bauen zu teuer geworden ist. Die Grundstückspreise sind unbezahlbar, die Bauvorschriften (besonders in Deutschland) zu komplex, die Baustoffe unerschwinglich und dann noch der Fachkräftemangel. Andererseits ist die Wohnungsnot ein globales Problem. Neue Ideen auf dem Bau sind also gefragt.
Die Fragen sind aber, kann die neue Technik helfen, Baukosten zu senken und eignet sie sich für den Wohnungsbau?
Die Ingenieure der Bautechnik sagen:
• der Hausdruck geht wesentlich schneller als der klassische Bau
• man braucht viel weniger Facharbeiter, um einen Bau hochzuziehen
• man braucht viel weniger Baumaterialien
Das macht den Bau schon günstiger.
Aber was als viel wichtiger angesehen wird, ist, dass diese Bauweise umweltfreundlicher ist, da beim Betondruck wird viel weniger Zement verbraucht wird. Besonders nachhaltig ist die 3-D-Druck-Methode in der Architektur, wenn beim Druck recycelte Materialien für die Herstellung von Bauelementen verwendet werden.
Durch die geringeren Herstellungskosten eignet sich der Betondruck besonders für den sozialen Wohnungsbau. In Afrika produziert der Schweizer Holcim-Konzern 3-D-gedruckte Siedlungen, die bezahlbaren Wohnraum für einkommensschwache Familien und Unterkünfte für Obdachlose bieten sollen. Auch eine Schule in einem abgelegenen Dorf in Malawi wurde in wenigen Tagen errichtet. |
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3D-Betondrucktechnologie
Schon seit einiger Zeit werden Projekte zur Forschung und Entwicklung eines serienreifen, für die Massenproduktion geeigneten Verfahrens des 3D-Betondrucks vorangebracht. Im Rahmen des Forschungsprojekts "Beton-3D-Druck" aus dem Förderprogramm „ZukunftBau“ des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung sollen beispielsweise die Grundlagen zur Einführung eines neuen Bauverfahrens untersucht werden. |
3D-Betondrucker-BOD2
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3D-Betondrucker-BOD2
Mit optimierten Düsen können auch glatte Oberflächen gedrucke werden
Quelle. PERI GmbH
Bauen neu gedacht -
3D-Betondruck in der Architektur |
Drei verschiedene Ansätze werden für die Fertigung von Strukturen und Teilen im 3D-Betondruck diskutiert:
Extrusionstechnik
In der Extrusionstechnik legt ein Düsenkopf Materialstränge unterschiedlicher Form, Höhe und Breite schichtweise aufeinander ab. Man spricht daher auch von einem additiven Verfahren. Der Prozess ist am ehesten mit dem etablierten konventionellen 3D-Druck mit Kunststoffmaterialien zu vergleichen. Das Verfahren ist zwar schneller, hat aber ebenfalls eine Schwachstelle – und das im wahrsten Wortsinn.
Nassspritzverfahren
Das Nassspritzverfahren ist ebenfalls ein additives Verfahren und ähnelt der Extrusionstechnik. Auch hier wird das vorgemischte Nassspritzgut zu einer Spritzdüse gepumpt, dort unter Druckluftzufuhr beschleunigt und Schicht auf Schicht auf dem Untergrund appliziert. Aufgrund der hohen Auftragsrate und der hohen Prozessgeschwindigkeit eignet sich das Verfahren sehr gut für die Fertigung großformatiger, räumlicher Bauteile. Der Einsatz des Betonspritzverfahrens ermöglicht es, im Gegensatz zum Extrusionsverfahren, den Auftragswinkel der Spritzdüse vertikal und horizontal zu variieren. Dies führt zu neuen Möglichkeiten im Hinblick auf die erzeugbaren geometrischen Formen. Filigranere Strukturen sind dabei jedoch kaum zu erzielen. Außerdem bringt der größte Vorteil des Verfahrens auch eine Herausforderung mit sich: Der hohe Druck beim Auftrag sorgt einerseits für eine außerordentlich hohe Verdichtung des Materials – doch werden dadurch auch vermehrt Rückstände freigesetzt, mit denen in Form von Staub- und Aerosolentwicklung umgegangen werden muss. Alle drei genannten Techniken haben also ihre Stärken und Schwächen. Grund genug für zwei deutsche Forschungsprojekte, sich intensiver mit der Verfahrensoptimierung im 3D-Betondruck zu beschäftigen.
Pulverbetttechnik
Die Pulverbetttechnik lässt sich in zwei unterschiedlichen Ansätzen verfolgen: Entweder wird ein Gesteinskörnungsgemisch durch lokales Auftragen von Zementleim zu einem Komposit verbunden oder eine Verfestigung wird durch punktuelles Auftragen von Wasser auf ein Gemisch aus Gesteinskörnung und Zement erreicht. Bei beiden Techniken können selbst filigrane Strukturen problemlos erzeugt werden – doch gerade bei größeren Bauteilen sind zahlreiche Arbeitsdurchgänge notwendig, sodass die Prozessgeschwindigkeit relativ gering ausfällt. Da die Materialstränge einzeln aufeinander „abgelegt“ werden, ergibt sich der Haftungsverbund nur durch das Anpressen des jeweils neuen Stranges an den darunter liegenden. Hier kann es daher zu Problemen bei mechanischer Belastung hinsichtlich der Biegezug- bzw. Scherfestigkeit kommen. Quelle: MC-Bauchemie. |
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Bauen neu gedacht + Why This 3D-Printed House Will Change The World (Video)
- PERI Vertrieb Deutschland GmbH & Co. KG
Ihr Haus aus dem 3D-Drucker - Streifzug Media GmbH
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