So funktioniert 3D-Druck

Vor nicht allzu langer Zeit schien die Idee des 3D-Drucks - dreidimensionale Objekte mit Maschinen zu erstellen, die Materialschichten übereinander legen - neu zu sein. Wenn Sie sagen, dass Sie etwas von Ihrem Computer aus drucken möchten, denken die meisten Menschen immer noch an zweidimensionales Drucken, indem sie Toner oder Tinte auf ein Stück Papier auftragen. Obwohl viele Menschen selbst möglicherweise noch keinen 3D-Druck erlebt haben, wissen sie möglicherweise sehr gut, wovon Sie sprechen. Und 3D-Drucker sind erschwinglich genug geworden, um in Haushalten, Makerspaces und Klassenzimmern aufzutauchen.

Beim 3D-Druck wird eine Familie von Fertigungstechnologien verwendet, die als additive Fertigung (AM) bezeichnet wird. AM ist das Mittel zum Erstellen eines Objekts, indem dem Objekt Schicht für Schicht Material hinzugefügt wird. AM ist die derzeitige Terminologie von ASTM International (ehemals American Society for Testing and Materials) [Quelle: Gibson et al. ]. Im Laufe seiner Geschichte wurde die additive Fertigung im Allgemeinen unter verschiedenen Namen geführt: Stereolithographie , 3D -Schichtung und 3D-Druck . In diesem Artikel wird der Begriff 3D-Druck verwendet, da er bekannter ist.

Sie können einige der Grundprinzipien hinter AM in Höhlen sehen; Über Jahrtausende erzeugt tropfendes Wasser Schichten und Schichten von Mineralablagerungen, die sich zu Stalagmiten und Stalaktiten ansammeln . Im Gegensatz zu diesen natürlichen Formationen ist der 3D-Druck jedoch viel schneller und folgt einem vorgegebenen Plan, der von der Computersoftware bereitgestellt wird. Der Computer weist den 3D-Drucker an, jede neue Ebene als genauen Querschnitt des endgültigen Objekts hinzuzufügen.

Die additive Fertigung und der 3D-Druck wachsen weiter. Technologie, die als Weg zur Herstellung schneller Prototypen begann, ist jetzt ein Mittel zur Herstellung von Produkten für die Medizin-, Dental-, Luft- und Raumfahrt- und Automobilindustrie. Der 3D-Druck geht auch in die Spielzeug- und Möbelherstellung, Kunst und Mode über.

This article looks at the broad scope of 3-D printing, from its history and technologies to its wide range of uses, including printing your own 3-D models at home. First, let's take a look at how 3-D printing got its start and how it is developing today.

1. History of 3-D Printing
2. Direct and Binder 3-D Printing
3. Photopolymerization and Sintering
4. The 3-D Printing Process
5. The 3-D Printing Revolution
6. Downsides of 3-D Printing
7. 3-D Printing at Home

The earliest use of additive manufacturing was in rapid prototyping (RP) during the late 1980s and early 1990s. Prototypes allow manufacturers a chance to examine an object's design more closely and even test it before producing a finished product. RP allows manufacturers to produce those prototypes much faster than before, often within days or sometimes hours of conceiving the design. In RP, designers create models using computer-aided design (CAD) software, and then machines follow that software model to determine how to construct the object. The process of building that object by "printing" its cross-sections layer by layer became known as 3-D printing.

The earliest development of 3-D printing technologies happened at Massachusetts Institute of Technology (MIT) and at a company called 3D Systems. In the early 1990s, MIT developed a procedure it trademarked with the name 3-D Printing, which it officially abbreviated as 3DP. As of September 2019, MIT has granted licenses to six companies to use and promote the 3DP process in its products [source: MIT].

3D Systems, based in Rock Hill, South Carolina, has pioneered and used a variety of 3-D printing approaches since its founding in 1986. It has even trademarked some of its technologies, such as the stereolithography apparatus (SLA) and selective laser sintering (SLS), each described later in this article. While MIT and 3D Systems remain leaders in the field of 3-D printing, other companies have also brought innovative new products to the professional market, building on these AM technologies.

Today, some of the same 3-D printing technology that contributed to RP is now being used to create finished products. The technology continues to improve in various ways, from the fineness of detail a machine can print to the amount of time required to clean and finish the object when the printing is complete. Processes are getting faster, the materials and equipment are getting cheaper, and more materials can be used, including metals and ceramics. Printing machines now range from the size of a small car to the size of a microwave oven.

Additive manufacturing is often compared to, or even mistaken for, another common manufacturing process called computer numerical controlled (CNC) machining. However, CNC is subtractive, which is the opposite of AM. In CNC machining, material is removed from some pre-existing block until the finished product remains, much like a carving a statue from stone.

Now that you have some background information about the field, let's explore some 3-D printing technologies.

One approach to 3-D printing is direct 3-D printing. Direct 3-D printing uses inkjet technology, which has been available for 2-D printing since the 1960s [source: Gibson, et al.]. As in a 2-D inkjet printer, nozzles in a 3-D printer move back and forth dispensing a fluid. Unlike 2-D printing, though, the nozzles or the printing surface move up and down so multiple layers of material can cover the same surface. Moreover, these printers don't use ink; they dispense thick waxes and plastic polymers, which solidify to form each new cross-section of the sturdy 3-D object.

Rapid prototyping (RP), which we described earlier in the article, has been a major factor in the growth of direct 3-D printing. In 1994, the ModelMaker, a machine produced by a company known as Solidscape, became the first commercially successful technology to apply the inkjet approach to RP [source: Gibson, et al.]. Other commercial RP products have followed. For example, today's advanced rapid prototyping products use technologies such as multi-jet modeling (MJM), which creates wax prototypes quickly with dozens of nozzles working simultaneously [source: G.W.P.].

Binder 3-D printing, like direct 3-D printing, uses inkjet nozzles to apply a liquid and form each new layer. Unlike direct printing, though, binder printing uses two separate materials that come together to form each printed layer: a fine dry powder plus a liquid glue, or binder. Binder 3-D printers make two passes to form each layer. The first pass rolls out a thin coating of the powder, and the second pass uses the nozzles to apply the binder. The building platform then lowers slightly to accommodate a new layer of powder, and the entire process repeats until the model is finished.

MIT's 3DP process, mentioned earlier, uses this binder approach. MIT licenses companies to develop products that use 3DP, but to qualify, the company must use some unique combination of powder and binder materials.

Binder 3-D printing has a few advantages over direct 3-D printing. First, it tends to be faster than direct printing because less of the material is applied through the nozzles. Another advantage is that you can incorporate a wider variety of colors and materials in the process, including metals and ceramics.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) is an additive manufacturing approach that's similar, though not identical, to direct 3-D printing. The FDM process, trademarked by Stratasys, Inc., includes injecting molten plastic in closely packed lines using very tiny nozzles. FDM can create objects with features as small as a fraction of a millimeter. [source: Grimm]

Photopolymerization is a 3-D printing technology whereby drops of a liquid plastic are exposed to a laser beam of ultraviolet light. During this exposure, the light converts the liquid into a solid. The term comes from the roots photo, meaning light and polymer, which describes the chemical composition of the solid plastic .

In the 2000s, the Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) was a partnership of schools and businesses that provided hands-on training in metalworking skills in North Carolina. Some of PT CAM's training incorporated a stereolithography apparatus (SLA) by 3D Systems. SLA uses photopolymerization, directing a laser across a vat of liquid plastic called photopolymer. As with inkjet 3-D printing, the SLA repeats this process layer by layer until the print is finished.

Sintering is another additive manufacturing technology that involves melting and fusing particles together to print each successive cross-section of an object. Selective laser sintering (SLS) is one form of sintering used in 3-D printing. SLS relies on a laser to melt a flame-retardant plastic powder, which then solidifies to form the printed layer. This is similar to the mechanism behind 2-D printers: They melt the toner so that it will adhere to the paper and create the image.

Sintering is naturally compatible with building metal objects because metal manufacturing often requires some type of melting and reshaping. One example of using metal as a sintering material is from 3D Systems [source: 3D Systems]. The objects created with LaserForm A6 have several advantages over metal products made by other means, such as die-casting. One of the biggest advantages is the high level of precision that SLS can achieve.

So far, we've looked at how 3-D printing has developed and four widely adopted 3-D printing technologies. Next, let's examine the general process of printing three-dimensional objects, which applies no matter what approach you're using.

Unabhängig davon, welchen Ansatz ein 3D-Drucker verwendet, ist der gesamte Druckprozess im Allgemeinen der gleiche. Ian Gibson, David W. Rosen und Brent Stucker listen in ihrem Buch " Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping für die direkte digitale Fertigung " die folgenden acht Schritte im generischen AM-Prozess auf:

Die zunehmende Verfügbarkeit und Erschwinglichkeit von 3D-Drucklösungen hat die Technologie für Menschen in vielen Branchen attraktiv gemacht. Beispielsweise setzt die Automobilindustrie seit vielen Jahren die 3D-Drucktechnologie für das Rapid Prototyping neuer Autoteile ein. Das Bild oben zeigt einen vielfältigen Prototyp, der vom Piedmont Triad Center for Advanced Manufacturing (PTCAM) erstellt wurde.

Die Ärzteschaft übernahm eifrig den 3D-Druck für eine Reihe von Anwendungen, beispielsweise zum Drucken von Prothesen. Traditionelle, professionell gefertigte Prothesen können teuer sein, aber ein 3D-Drucker kann eine Handprothese für nur 50 US-Dollar herstellen [Quelle: Amputierte Koalition ]. In ähnlicher Weise hat das Walter Reed Army Medical Center 3D-Druck verwendet, um Modelle zu erstellen, die Chirurgen als Leitfaden für die rekonstruktive Gesichtschirurgie verwenden können [Quelle: King ]. Mehrere professionelle 3D-Druckerhersteller verkaufen Maschinen, die speziell für zahnärztliche Arbeiten entwickelt wurden.

Ingenieure in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwenden 3D-Druck, um ihre Designs zu testen und zu verbessern sowie um zu zeigen, wie gut sie funktionieren [Quelle: Gordon ]. Das Forschungsunternehmen EADS hat ein noch mutigeres Ziel für den 3D-Druck: Flugzeugteile selbst herzustellen, einschließlich eines ganzen Flügels für ein großes Flugzeug . EADS-Forscher sehen dies als umweltfreundliche Technologie an. Sie glauben, dass 3-D-Flügel das Gewicht eines Flugzeugs und damit den Treibstoffverbrauch senken werden. Dies könnte die Kohlendioxidemissionen und die Fluggesellschaft im Laufe eines Jahres um rund 3.000 USD senken. [Quelle: The Economist ]

Der 3D-Druck hat auch einige interessante ästhetische Anwendungen. Designer und Künstler nutzen es auf kreative Weise, um Kunst, Mode und Möbel zu produzieren. Der Grafiker Torolf Sauermann hat im 3D -Druck farbenfrohe geometrische Skulpturen geschaffen [Quelle: Jotero GbR ]. Freedom of Creation (FOC), ein Unternehmen in den Niederlanden, verkaufte 3D-Druckprodukte aus lasergesintertem Polyamid, einschließlich Beleuchtung mit komplizierten geometrischen Mustern und Kleidungsdesigns, die aus ineinandergreifenden Kunststoffringen bestehen, die Kettenhemden ähneln. FOC hat auch eine Reihe von Firmenkunden, die seine Design- und Druckdienste nutzen, darunter Philips, Nokia, Nike, Asics und Hyundai [Quelle: FOC ].

Eine schmackhaftere Anwendung der 3D-Drucktechnologie kommt aus der Schokoladenindustrie, die Maschinen entwickelt hat, mit denen einzigartige Süßwaren hergestellt werden können. Obwohl 3D-Drucker für die Massenproduktion ungeeignet sind, können sie computergestaltete Objekte als Prototypen oder als einzigartige, maßgeschneiderte Leckereien herstellen [Quelle: Ooi ]. Suchen Sie etwas schmackhafteres? Sie können 3D-Drucker verwenden, um viele Arten von Lebensmitteln zu erstellen - es muss etwas sein, das Sie pürieren können, um es in die Maschine zu bekommen -, aber Sie können Burger mit 3D-Druck herstellen. Eines ist zu beachten: Gedruckte Lebensmittel haben eine andere Textur als herkömmliche Lebensmittel [Quelle: Houser ].

In der Vergangenheit war 3D-Druck eine teure Technologie. Die zuvor in diesem Artikel beschriebene SLA von PTCAM kostete mehr als 250.000 US-Dollar. Der flüssige Kunststoff kostet etwa 800 Dollar pro Gallone. Unternehmen, die diese Art von Ausrüstung besaßen, könnten Stereolithografiedienste an andere verkaufen oder Unternehmen erlauben, Zeitblöcke für die Nutzung der Ausrüstung zu erwerben.

Viele große industrielle AM-Maschinen sind heute noch teuer, wenn auch weniger als zuvor. Beispielsweise wurde der ProJet CPX 3000MJP 3600 von 3D Systems im September 2019 für weniger als 100.000 US-Dollar verkauft und konnte hochauflösende Modelle mit einer Größe von 298 Millimetern x 7,3 Zoll x 8 Zoll (298 Millimeter x 185 Millimeter x 203 Millimeter) herstellen [Quellen: BasTech ].

Neben dem Preis gibt es einige andere Nachteile bei 3D-Druckern. Sie verbrauchen viel Energie, etwa 100-mal so viel elektrische Energie wie die reguläre Fertigung. Die Forscher fanden auch heraus, dass sie viele krebserregende Partikel und flüchtige organische Verbindungen emittieren können, insbesondere wenn sie auf kleinem Raum wie zu Hause verwendet werden. Der für die meisten 3D-Projekte verwendete Kunststoff hat auch seine eigenen Probleme. Plastikreste aus 3-D-Projekten werden wahrscheinlich auf Mülldeponien landen und mit Einwegplastik zur Erdkrise beitragen. Die Festigkeit des weiteren Kunststoffs variiert und ist möglicherweise nicht für alle Bestandteile eines Projekts am besten geeignet. 3D-Drucker sind ebenfalls langsam und das Drucken eines Projekts kann mehrere Tage oder Stunden dauern [Quelle: 3D-Insider ].

Es ist wahrscheinlich, dass viele dieser Probleme im Laufe der Zeit behoben werden, wenn sich die Technologie verbessert. Es können jedoch auch andere Probleme bestehen bleiben. Zum Beispiel haben Menschen bereits Waffen mit 3D-Druckern hergestellt , darunter ein Mann , dem zuvor eine Waffenerlaubnis verweigert wurde . Können Maßnahmen ergriffen werden, um zu verhindern, dass Menschen 3D-Drucker zur Herstellung von Waffen, Messern und anderen Waffen verwenden? Es gibt auch Bedenken hinsichtlich Urheberrechtsverletzungen . Die Leute könnten Blaupausen bekommen und ein Objekt drucken, anstatt es vom Patent- oder Urheberrechtsinhaber zu kaufen. Für einen Patentinhaber kann es schwierig sein , die Person (oder Hunderte von Personen) aufzuspüren, die etwas Patentiertes drucken und Urheberrechtsverletzungen geltend machen.

Obwohl es immer noch nicht alltäglich ist, tauchen 3D-Drucker in mehr Haushalten, Bibliotheken , Schulen und Makerspaces auf.

Die Preise für diese Maschinen sind mit zunehmender Technologie ebenfalls gesunken. Ab 2019 beginnt beispielsweise ein MakerBot Replicator Mini + bei 1.299 US-Dollar [Quelle: MakerBot ]. Das Unternehmen verkauft kleine Spulen seines PLA-Materials in 12 Standardfarben ab 18 US-Dollar und in limitierten Auflagen (im Dunkeln leuchten, jemand?) Gegen Aufpreis.

Wenn Sie keine Maschine für den Heimgebrauch verwenden möchten, können Sie diese jederzeit selbst bauen. Zum Beispiel baute der Physiker und Blogger Windell Oskay 2007 seinen eigenen 3D-Drucker , der Objekte aus Zucker nach einem Sinteransatz herstellt. Das Projekt namens CandyFab hat eine eigene Website unter CandyFab.org . Obwohl das Projekt beendet wurde, können Sie immer noch darüber lesen und wie er es zum Laufen gebracht hat.

Für einen professionelleren Ansatz können Sie stattdessen 3D-Druckdienste erwerben. Mit diesen Diensten können Sie Ihre eigenen CAD- Dateien einsenden und eine qualitativ hochwertige Produktion Ihres Objekts oder der von einem industriellen 3D-Drucker erstellten Objekte zurückerhalten. Zu den Online-Unternehmen, die 3D-Druckdienste anbieten, gehören Shapeways und Ponoko. Auf diesen Websites haben Sie auch die Möglichkeit, einen Online-Shop einzurichten, mit dem Sie Geld verdienen können, wenn andere 3D-Drucke Ihres Designs kaufen. [Quelle: Shapeways , Ponoko ]

Der 3D-Druck verbessert sich weiter, da die Kosten sinken. Vielleicht werden diese Maschinen in Zukunft alltägliche Werkzeuge sein, um alltägliche Probleme wie das Ausdrucken von Schulprojekten oder das Drucken eines neuen Hausschlüssels zu beheben, anstatt zum Baumarkt zu fahren, um Ersatz zu erhalten.

Zum Thema passende Artikel

Weitere großartige Links