Einführung 3D-Druck Grundlagen, Technik und Möglichkeiten

Gliederung 1. Grundlegende Definitionen 2. Datenakquisition 3. Datenaufbereitung 4.Vorstellung der einiger Druckverfahren 5.Fazit und Ausblick 6. Diskussion ? 7.Quellenangaben

Was ist 3D-Druck? Definition: Begriff für Produktionsverfahren, bei denen die Formgebung nicht durch Materialabtrag, sondern ausschließlich durch Schaffung des Zusammenhaltes durch Materialauftrag von formlosen Stoffen erfolgt Die Technologie, physische 3D Objekte aus digitalen Daten zu drucken, wurde 1984 von Charles Hull entwickelt (Stereolithografie Patent 1986) Die Terminologie „3D-Druck“ wird erst seit Kurzem verwendet und steht als Oberbegriff für viele verschiedene Verfahrenstechniken

Abb. 1 Charles Hull vor einem 3D-Drucker stehend

3D-Druck = Additives Verfahren

Charakteristika von 3D-Drucktechniken Herstellung der Bauteile erfolgt auf Basis von digitalen 3D-CAD-Daten Aufbau der Objekte erfolgt schichtweise Herstellung ohne Nutzung formgebender Werkzeuge Strukturen möglich, die nur generativ erzeugbar sind (keine „Hinterschneidungen“ wie bei den anderen Verfahren)

Strategien und Ziele des 3D-Drucks Rapid Prototyping (RP): umfasst Verfahren, die im weiteren Sinne der Anschauung und dem Prototypenbau , also der Modellherstellung dienen Vermeidung von Entwicklungsfehlern Rapid Tooling (RT): umfasst alle RP-Verfahren zur Herstellung von Prototypen und Vorserien für Werkzeuge und Formen z.B. Erstellung von Spritzgussformen Rapid Manufacturing (RM): umfasst alle Prozessschritte und Verfahren zur Planung und Herstellung von Produkten mit (Klein-)Seriencharakter z.B. Erzeugung von passgenauen Implantaten, Hörgeräten, Zahnkronen etc.

Branchen und Anwendungsbereiche Maschinenbau Architektur Luft- und Raumfahrtindustrie Kunst und Design Medizin Landschaftsplanung/Architektur Verbraucherprodukte u.v.m. Anwendungsgebiete Konzeptmodelle Funktionale Prototypen Ersatzteile Kleinserien Präsentationsmittel u.v.m

Ablauf 3D-Druck

1. Datenaquisition- Erzeugung eines 3D-Modells Vermessung vorhandener Objekte: Messung von Lage und Größe realer Objekte mithilfe von: Optischer Kameras (2D oder 3D basiert) 3D-Laserscanner taktil arbeitende Messsysteme wie Infrarotscanner (Manuelle) Modellierung (Computer Aided Design – CAD): Modellierung via Software und Interaktionsgeräten (per Maus oder spezieller Zeichenpads) geometrische Strukturen Freiformkonstruktionen

2.1 Datenaufbereitung Was wird kommuniziert? Volumenmodelle (Gitternetze) in Form von Dreiecken (tessellations) und deren Ausrichtung im Raum (Normale) Diese gesamten geometrischen Werte werden in definierter Form für die weitere Datenaufbereitung (Positionieren, Slicen) für den Bauprozess benötigt Wie wird kommuniziert? CAD-Programme erzeugen solche Modelle, oder wandeln 3D-Scans um erforderte Formate: STL, PLY, 3DS, OBJ, VRML etc.

STL (Standard Tesselation Language) Definition von Dreiecken und Ausrichtung (keine Dickeninformation) keine Bauteilspezifischen Eigenschaften (Kennwerte ,Textur) Farbinformationen nur mit erweiterten Formaten (z.B. OBJ)  Dieses Format definiert exakt die Oberfläche/ den Aufbau des Modells Dateianforderungen an das Bauteil: „Wasserdichtheit“ = vollständig geschlossenes, als Dreiecksnetz definiertes 3D-Flächenobjekt ohne offene Stellen und Kanten  Objekt muss also mit „Stoff“ befüllbar sein möglichst hohe Polygonenanzahl (glatte Oberfläche) Verfahrensabhängige Kriterien beachten: z.B. min. Wandstärke

Beispielhafte Polygonisierung Korrekturverfahren bei Krümmungen

Erstelltes 3D-Modell aus CAD-Programm  „Bounding Box“ = Grenzen d Erstelltes 3D-Modell aus CAD-Programm  „Bounding Box“ = Grenzen d. Modells

„ Messpunkt-Ansicht“ des Modelles Polygonisierung  exportfertiges Modell in .stl

2.2 Weitere Schritte unabhängig von den verschiedenen 3D-Technologien, müssen die so erhaltenen STL Files müssen mit einer sogenannten Slicing-Software (CAM Software) in ein Datenformat übersetzt werden, mit dem der 3D- Drucker arbeiten kann. mittels CAM-Software erfolgt die Positionierung auf dem Druckeruntergrund (manuell) und die räumliche Ausrichtung Kalibrierung „Slicing“ Die Software „schneidet“ das 3D-Modell zum Schluss in einzelne „2D-Scheiben“ (Dicke variiert je nach Verfahren/ Einstellung), die jetzt nach und nach übereinander gedruckt werden können

2.2 Weitere Schritte Die oftmals nötigen Stützstrukturen, werden meist automatisch berechnet und hinzugefügt, können aber manuell angepasst werden Weiterhin wird bereits eine sinnvolle Führung des Extruders berechnet und die nötige Druckrohstoffmenge Das Ergebnis ist ein File im G-Code, welches zum Schluss von der druckerinternen Software interpretiert und ausgeführt wird  Beginn des Bauprozesses

3. Bauprozess- verschiedene Druckverfahren im Vergleich Selektives Lasersintern/schmelzen Fused Deposition Modelling Stereolithographie CLIP- Continuous Liquid Interface Production

Selektives Lasersintern-/schmelzen (SLS/SLM ab 1995) Ø Schichtdicken ~20-100 µm

SLS/SLS Vorteile: Große Materialpalette: Kunststoffe, Metalle, Metall- Polymerpulver, Quarz- /Zirkonsande Erzeugung von mechanisch/thermisch stark belastbaren Teilen möglich hohe Wiederverwendungsrate des thermisch nicht belasteten Pulvers Nachteile: Stützstrukturen bei Metallen (Ableiten thermische Energie)  Nachbearbeitung durch Wärmeleitung können nicht zum Bauteil gehörende Partikel kleben bleiben tw. Gas-Atmosphäre notwendig um Oxidation zu verhindern und Beheizung des Pulverbettes  hohe Betriebskosten Spannung in Objekten durch hohe Temperaturdifferenzen /Schrumpfen

Fused Deposition Modelling - Schmelzschichtung(FDM) Ø-Schichtdicken ~25-1000 µm

FDM Vorteile: große Materialpalette (diverse Kunststoffe; tw. schon niedrig schmelzende Metalle) Verwendung unterschiedlicher Materialien durch mehrere Extruder möglich Verdrucken von großen Volumenmengen möglich Nachteile: Auflösung abhängig von Extrusionsbreite (große EB  hohe Baurate geringe Auflösung) Düsen neigen zum Verstopfen Stützkonstruktionen notwendig Nachbearbeitung Bei Standard–Kunststoffen Bauteile nicht sehr belastbar

Stereolithografie (1982) typische Schichtdicken: 10-100 µm

Stereolithografie Vorteile: sehr Hohe Auflösung (Strahldurchmesser bis nm- Bereich) große Bauteile möglich in Teilen drucken+ zusammenkleben mit gleichem photosensiblem Material & UV- Quelle  mechanische und visuelle Eigenschaften der Trennstellen kaum unterscheidbar Hohlräume möglich Nachteile: Kleine Materialpalette Zweistufiger Prozess: Druck95 %Vernetzung Reinigung mit Lösungsmitteln + Aushärtung in UV-Kammer teilweise Stützstrukturen nötig Nachbearbeitung

Neuer Ansatz : CLIP-Verfahren (2015)

CLIP Vorteile: 25 bis 100 mal schneller als bislang bekannte 3D-Druck Methoden sehr hohe Auflösungen möglich recht Hohe Materialpallette (diverse Arten von Polymeren  flexible als auch feste, resistente Objekte in konstanter Qualität) Nachteile: neue Technologie  steckt noch in Kinderschuhen

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Fazit spannende Technologie, die sich schnell (weiter-)entwickelt bietet viel Raum für Kreativität (z.B. Lebensmitteldrucker, Bio-Drucker ,…) riesiger Anwendungsbereich (z.B „individuelle“ Medizin, Hausbau u.v.m.) ungeahnte Gestaltungsmöglichkeiten ….

Fazit Probleme bisher: langsame Bauraten  bisher keine Massenproduktion begrenztes Bauvolumen oft Nachbearbeitung notwendig Materialvielfalt noch zu gering zurzeit noch eher ein Nischenmarkt

Ausblick Vergrößerung der Bauräume ( größere Teile, mehrere Teile gleichzeitig) Ziel= Erhöhung der Baugeschwindigkeit + Verbesserung der Auflösung Kombination unterschiedlicher Materialien in einem Objekt verbessern Optimierung der Druckmaterialien (mechanische / optische Eigenschaften, Minimierung des Nachbearbeitungsaufwands, z.B. lösliches Stützmaterial) generell Materialvielfalt erhöhen Geschäftsmodelle entwickeln sich noch man erhofft sich z.B. vom CLIP verfahren die industrielle Revolution, die bislang ausgeblieben ist

Diskussionspunkte Versicherungsproblematik z.B. Verliere ich die Garantie wenn ich mir Ersatzteile drucke? Vermeidung von Gefahrenpotenzialen (Waffenproduktion) Schutz des geistigen Eigentums etc.

Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit

Quellen http://3druck.com/drucker-und-produkte/clip-neues-unglaublich-schnelles-3d-druckverfahren- 0331062/ http://3druck.com/3d-drucker-software-und-programme/ http://de.wikipedia.org/wiki/Gitter_(Geometrie)#Dreiecksgitter http://www.3ddinge.de/was-ist-3ddruck/ http://www.leomess.com/faq/was-sind-stl-daten http://www.deutschlandfunk.de/3d-druck-manuskript-revolution-aus-dem- replikator.740.de.html?dram:article_id=276365 http://edition.cnn.com/2014/02/13/tech/innovation/the-night-i-invented-3d-printing-chuck-hall/ https://web.archive.org/web/20130609052359/http://www.ftd.de/karriere/management/:innovative- produktion-3-d-druck-sprengt-grenzen-herkoemmlicher-fertigungsverfahren/60153583.html http://www.ioew.de/fileadmin/user_upload/DOKUMENTE/Publikationen/Schriftenreihe/IOEW_SR_206_Deze ntrale_Produktion_3D-Druck_und_Nachhaltigkeit.pdf