3D-Druck

Wie 3D-Drucker funktionieren

3D-Drucker werden generell in ihre Druckverfahren unterschieden. Alle Arten von Drucker haben ihre eigenen Vor- und Nachteile, auf diese werde ich in extra Beiträgen weiter eingehen. Alle 3D-Drucker arbeiten Additiv das heißt sie beginnen mir mit nichts im Bauraum und fügen nur so viel hinzu wie sie müssen, dies verhindert Abfälle und spart Ressourcen. Wichtig ist aber auch zu beachten das alle Drucker mit höherer Auflösung(Schichtendicke) länger brauchen. Aber keine Sorge wir kümmern uns um die Details,

Inhaltsverzeichnis

Arten von Druckern

Die am weiteste verbreitete Art von Drucker sind FFF(Fused filament fabrication) oder FDM(Fused Deposit Modeling) beide beschreiben das gleiche Verfahren. Sie funktionieren in dem sie Kunststoff Filament von einer Spule nehmen und ein einem Druckkopf(Hotend) schmelzen und auf einem Druckbett platzieren. FDM Drucker noch einmal nach ihrer Kinematik untergliedert.

Mein erster Drucker, ein CR-10S(modifiziert) von Creality

Eine spezielle industrielle Funktionsweise ist der SLS (Selective Laser Sintering) Druck. Teile aus diesem Drucker sind mechanisch am ähnlichsten zu Spritzgussteilen da jede Schicht aus Pulver besteht und durch einen Laser auf die vorherige Schicht geschmolzen wird. Spezielle SLS Drucker sind auch in der Lage Metallpulver (Aluminum, Kupfer, Stahl, Titan,…) zu drucken und nicht nur Kunststoffe dann nennte man sie MLS oder MSLS (Metal (Selective) Laser Sintering). Diese kommen aber auch mit einem Preisschild von 18.000€ und aufwärts für SLS und 145.000€ für MLS.

Der Kauf eines SLS Druckers ist für unser Startup geplant, aber auch hier haben wir zur Zeit Partner welche aushelfen.

Fuse 1 von Formlabs

Besonders für Metalle haben wir aber eine direkte Zusammenarbeit mit der ODeCon engineering GmbH welche EHLA (Extrem Hochgeschwindigkeit Laser Auftragsschweißen) Drucker selbst entwickelt und vertreibt. EHLA Drucker können Metalle und Legierungen extrem schnell auftragen oder beschichten welche neue Möglichkeiten in der Materialforschung bringt. Für mehr Details geht ihr am besten auf die Webseite von ODeCon.

Eine weitere Funktionsweise ist der SLA(Stereolithografie) Druck, hier wird nicht mit Filament gedruckt sondern Harze werden durch UV-Licht(405nm) ausgehärtet und der Druck wird nach oben aus einem Becken gezogen. Das UV-Licht wird durch ein LCD gefiltert und unterscheidet SLA von DLP(Direct Laser printing) da bei letzterem ein Laser gezielt die Formen aushärtet. Beide können extrem hohe Auflösungen erreichen und werden oft für Teile mit sehr guter Oberflächenbeschaffenheit oder vielen kleinen Details benutzt. Diese Drucker sind mechanisch einfacher als FDM Drucker aber durch das Harz gehen neue Gefahren aus da unteranderem Hautkontakt vermieden werden sollte.

Dieses Verfahren ist nur der Vollständigkeit wegen aufgeführt, wir selbst bieten kein SLA/DLP Druck mehr an. Aber Partner von uns können damit aushelfen falls es nötig sein sollte.

Ein Photon Mono SE von Anycubic.

Filamente

Da wir zur Zeit nur FDM Druck anbieten und nach den Maschinen das wichtigste die Materiale selbst sind ist hier eine Liste der Filamente welche wir benutzen.
Design & Hobby => Zur Veranschaulichung und Nutzung ohne größere Kräfte dazu sehr günstig.
Technische Filamente => Bessere mechanische Eigenschaften bei minimal höherem Preis.
Industrielle Filamente => Besondere Eigenschaften sowohl mechanische wie chemisch.

Design & Hobby

PLA (Polylactide)

Polylactide oder PLA ist das im Hobby und Amateurbereich am weitesten verbreitete Filament. Ein großer Nachteil von PLA ist das es nur sehr geringen mechanische Belastungen aushält und dann öfter splittert. Abgesehen von diesen Nachteilen ist es aber in fast allen Farben verfügbar und sehr Preiswert, gutes PLA kostet etwa 22 bis 26€  pro Kilogramm ist aber schon für nur unter 15€  gefunden werden kann. Einige Hersteller von Filamenten haben besondere Variationen von PLA auf den Markt gebracht, besonders nennenswert sind PLA+ und PLA LW(light weight=Leichtgewicht). PLA+ versucht die eher schwachen mechanischen Eigenschaften von PLA zu verbessern während PLA LW durch sein geringes Gewicht für Modellbau, Drohnen und Cosplay interessant wird.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer)

ABS ist der erste Kunststoff welcher als Filament genutzt wurde. Es ist nicht sehr leicht zu drucken, verformt sich währenddessen und setzt übel riechende leicht toxische Gase frei. ABS hat sehr gute mechanische Eigenschaften und ist sehr steif, fest und zäh dazu auch noch Kratz- und Schlagfest. Eine große Schwäche ist die Empfindlichkeit gegenüber UV-Licht, es wird spröde und vergilbt es kann also nicht im freien benutzt werden. Man kann gutes ABS bereits unter 20€ finden und es ist auch in vielen Farben verfügbar.

PETG (Polyethylenterephthalat+Glykol)

PETG oder PETg ist mit Glykol modifiziertes PET(Pfandflaschen) um eine Druckfähigkeit zu verbessern. Es ist dadurch flüssiger weshalb es schneller gedruckt werden kann als viele andere Filamente, dies mit seiner hohen Zähigkeit macht es zu einem guten Material für mechanische Prototypen. Dazu ist es auch schlagfest und leicht(nur leicht) transparent, es wird damit an der Grenze vom Hobby und Heimwerker zum Profi angesetzt.

Glow-In-The-Dark

Glow-In-The-Dark Filamente sind oft PLA Filamente welchen Leuchtpartikel zugefügt wurden damit diese nach einiger Zeit im Licht im Dunkeln leuchten. Diese Partikel schädigen aber oft die Druckdüse sollte diese nicht gehärtet sein. Es kostet also oft etwas mehr als PLA und ist einfach zu drucken bei schönen Effekten.

Technische Filamente

ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat-Copolymere)

ASA ist eine verbesserte Version von ABS, besonders seine UV-Beständigkeit im vergleich zu ABS und hohe Resistenz zu Ölen und Fetten. Behält aber immer noch eine negative Eigenschaften von ABS namentlich ein Verziehen beim Druck und eine Freisetzung von unangenehmen Gerüchen. Preislich liegt es etwas über ABS auf einer Höhe mit PETG aber unter PC.

HIPS (High Impact Polysterene)

HIPS wird oft als Unterstützungsmaterial benutzt da es in Limonene aufgelöst werden kann, sonst hat es ähnlich Eigenschaften wie ABS ist aber deutlich schlagfester und härter. Es ist also vielseitig einsetzbar vor allem da es gut an anderen Filamenten haftet.

CPE HG100

CPE HG100 ist eine stark verbesserte Version von PET basierten Filamenten, gleichzeitig kann es aber einfacher gedruckt werden. Es ist also besseres PETG durch hinzufügen eines weiteren Monomers, und das in allen mechanischen und chemischen Eigenschaften.

Nylon FX256

FX256 verbindet gute Eigenschaften für funktionale Bauteile mit einer Beständigkeit über eine breite Temperaturspanne von -40°C bis zu 140°C. Interessant ist auch der geringe Reibungskoeffizient und die Veränderung der Steifheit abhängig von der Dicke mit sehr gutem Zusammenhalt zwischen einzelnen Schichten.

Industrielle Filamente

PVC/ Vinyl 303

Polyvinylchlorid ist ein potentielle viel versprechendes Filament aber beim Druck kommt es zum freisetzen von Salzsäure welche Metalle angreift und unbedingt ab gefiltert(HEPA) werden müssen. Diese große Gesundheitliche Bedrohung ist einer der Hauptgründe für die geringe Verbreitung von PVC als Filament. Zur Zeit wird es auch nur von Filamentum unter dem Namen „Vinyl 303“ hergestellt und verkauft. Unser Ziel ist es dieses Filament benutzerfreundlicher und sicherer zu machen und wir stehen im Kontakt mit Chemikern und Unternehmen welche mit diesem Kunststoff Erfahrung haben. Da PVC durch seine chemischen und mechanischen Eigenschaften das (generell) beste aller oben genannten Materialen verbindet und noch mehr kann, besonders ist das es „Selbstlöschend“ ist d. h. sobald die Flammenquelle entfernt wird erstickt die Flamme. Dazu kommen aber noch die geringe elektrische Leitfähigkeit(1011-13 Ω) weshalb es oft in elektrischen Installationen wie z. B Kabelkanälen benutzt wird.

PC/ABS

PC/ABS ist eins der widerstandsfähigsten und haltbarsten Filamente auf dem Markt, es wird außerhalb vom 3D-Druck in der Herstellung von Automobilteilen, Schutzhelme und Visieren benutzt. Da es Temperaturen von 260-280°C für einen erfolgreichen Druck benötigt müssen handelsübliche 3D-Drucker oft nachträglich Verbessert werden. Für die besten Ergebnisse sollte es auch in einem beheizten Bauraum gedruckt werden, die Lagerung ist oft problematisch da PC die Feuchtigkeit aus der Luft zieht und dann Fehler beim Druck entstehen.

Polypropylene PP 2320

Polypropylens Plastik ist mit seiner geringen elektrischen Leitfähigkeit eine Alternative zu PVC(Vinyl 303). Vor allem da es auch leicht flexibel und wasserabweisend können damit Isolatoren oder Steckerteile gedruckt werden. Auch die geringe Dichte sind nennenswert aber die absolute Dichte des Bauteils wird stark von den Druckeinstellungen beeinflusst.

Komposite

CPE CF112 Carbon

CPE CF112 Carbon ist mit Kohlenstofffaser verstärktes CPE HG100 damit kann es besser länger durchgehende Belastungen aushalten ohne zu verformen. Kurz um ist es abriebresistenter, härter und schlechter wärmeleitend als das Ausgangfilament CPE.

Nylon CF15 Carbon

CF15 Carbon wurde besonders mit dem Ziel ein sehr starkes und sowohl chemisch als auch thermisch resistentes Filament zu entwickelt. CF15 ist ein mit 15% gemahlenen Kohlenstofffasern verstärktes Polyamid und kann in Gebieten eingesetzt werden in denen es immer belastet wird, also Zahnräder, Lager oder Verstärkungen.

Nylon AF80 Aramid

AF80 Aramid besteht zu 8% aus Aramid Fasern besser bekannt als Kevlar, es hat besonders gute tribologische Eigenschaften und kann deshalb gut als Teil von rotierenden Systemen benutzt werden. Dazu kommt noch eine Resistenz gegenüber Chemikalien so kann es auch mit Kühlschmiermitteln in Kontakt kommen ohne die mechanischen Eigenschaften zu verschlechtern.

Flexible Filamente(TPEs)

Diese Gruppe von Filamenten(TPU, TPC, TPE) sind besonders Schlagresistent und ermöglichen den Druck von besonders beweglichen Teilen(z. B. Gelenke) oder Schutzhüllen und Schockdämpfer. Durch die Flexibilität muss aber die Druckgeschwindigkeit gesenkt werden da es sonst zu Fehler oder sogar Versagen kommt, dies macht es auch zu einem schweren und Anfänger unfreundlichem Material.

Design

3D-Modelle sind hauptsächlich an ihrem Dateityp zu erkennen, die bekanntesten sind .stl , .obj und .3mf .

Eigendesign oder Outsourcing?

Seit neustem bieten wir auch einen indirekten CAD-Service, unsere Designer sind Ingenieure. Zur Zeit arbeiten wir auch an einer kostenlose Checkliste um Ihr CAD für den FDM Druck zu optimieren.

Diese wird hier verfügbar sein sobald sie fertig ist.

Quellen: