3D-Druck

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck bezeichnet alle Fertigungsverfahren, bei denen ein dreidimensionaler Gegenstand erstellt wird. Anders als beim herkömmlichen Druck wird nicht mit Farbe, sondern mit Materialien gedruckt, die durch Temperatur oder chemische Reaktionen formbar gemacht und wieder verhärtet werden können. Die gängigsten Materialien für den 3D-Druck sind Kunststoffe, Kunstharze und Keramiken. Beim 3D-Druck wird, anders als beispielsweise bei einem Gussverfahren, keine Form benötig, sondern nur eine Datei mit allen Druckinformationen.

Die Einsatzgebiete von 3D-Druckern sind vielfältig: Sowohl im Privatgebrauch als auch in der Industrie und Forschung werden 3D-Drucker eingesetzt um Modelle, Prototypen, Werkzeuge oder Bauteile herzustellen. Auch in der Medizin wird bereits mit 3D-Drucktechnologie gearbeitet und natürlich findet die Technologie auch in der Kunst und Unterhaltung Anwendung.

Prusa I3 MK3S+ 3D-Drucker im Druckvorgang mit grünem PETG Filament
Der Prusa I3 MK3S+ im Einsatz

Wie drucken wir?

3D-gedruckte Bildschirmhalterung nach VESA Standard in schwarzem PETG
Version 1.0 unseres Vesa Mount

Wir arbeiten hauptsächlich mit dem Modell Prusa I3 MK3S+, einem Open Source Drucker des tschechischen Herstellers Prusa. Dieser druckt mit der Technik Fused Filament Fabrication (FFF), auch additive manufacturing, oder zu Deutsch Schmelzschichtung bzw additive Fertigung. Dabei wird in unserem Fall Kunststofffilament durch Erhitzen formbar gemacht und über eine Düse auf ein ebenfalls erhitztes Metallbrett aufgetragen. Die Form wird mehrmals vom Drucker abgefahren, welcher laufend Material aufschichtet und zusammenschmilzt. Die Druckdauer variiert dabei je nach Dicke der einzelnen Schichten und Komplexität des Objekts.

Je nach Material und Drucker können verschiedene Schichtstärken gewählt werden. Diese liegen etwa zwischen 0.025 und 1.25 mm. Je nach Form kann ein Objekt hohl oder gefüllt gedruckt werden, wobei bei einem Hohlkörper die minimale Wandstärke je nach Drucker vorgegeben ist. Die Druckdauer kann von mehreren Minuten bis hin zu mehreren Stunden oder sogar Tagen reichen. Entscheidende Faktoren hier sind Grösse, Details, Material und Form. Bei überhängenden Strukturen müssen zusätzliche Stützstrukturen mitgedruckt werden, was die Druckzeit erhöht.

Womit drucken wir?

Für 3D-Druck mit Kunststoff gibt es mehrere Materialien.

PLA ist ein Polymerkunststoff, der aus nachhaltigen Rohstoffen wie zum Beispiel Maisstärke gewonnen wird. Für 3D-Druck wird das PLA meist mit weiteren Stoffen angereichert, um bestimmte Eigenschaften zu erhalten. Es ist das meistverbreitete Druckfilament, in vielen Farben erhältlich, kann nach dem Druck weiterbearbeitet werden und ist hautverträglich. Die Nachteile sind niedrige Schlagfestigkeit und Instabilität ab Temperaturen von 60 Grad. PLA ist aufgrund der biologischen Rohstoffe in Industriekompostanlagen kompostierbar.

PETG, eine mit Glycol modifizierte Variante des herkömmlichen PET, ist schwierig er zu drucken als PLA. Dafür ist es schlagfester als PLA, wird erst bei 80 Grad instabil und ist Lebensmittelecht. Da PETG ein modifizierter PET Kunststoff ist, kann es ähnlich wie PET Getränkeflaschen recycliert werden.

Nylon ist ein synthetisch hergestelltes Polymer und wird hauptsächlich für industrielle Fertigung verwendet. Es ist resistent gegen viele Lösungsmittel, Fette und Laugen. Ausserdem zeichnet es sich durch die Kombination von hoher Flexibilität und Festigkeit aus.

TPU ist ebenfalls ein synthetischer Kunststoff. Es vereint Eigenschaften von thermoplastischen Stoffen wie PETG und Elastomeren. Dies macht TPU zu einem sehr vielfältigen Kunststoff. Das Material wird beim Aushärten nicht starr wie PLA oder PETG sondern bleibt flexibel, ähnlich wie Silikon. Es eignet sich beispielsweise für den Druck von Handyhüllen.

Prusa I3 MK3S+ 3D-Drucker, Druckvorgang einer VESA Standard Bildschirmhalterung
Druckvorgang eines Vesa Mount

Unsere Möglichkeiten

3D-gedruckte Carry Pins im Einsatz auf einer Druckmaschine
Unsere Carry Pins im Einsatz

Grundsätzlich ist alles möglich, was wir am PC modellieren können. Es gibt aber auch einige Einschränkungen, die bei der Planung beachtet werden müssen.

Unsere Drucker haben ein maximales Druckvolumen von 250x210x210 mm. Grössere Produkte können durch geschickte Aufteilung in mehrere Parts hergestellt werden. Zwei weitere Herausforderungen beim Druck sind überhängende Strukturen und das sogenannte Bridging. Bei überhängenden Strukturen müssen Stützstrukturen miteingeplant werden, die die Stabilität während des Druckens und Aushärtens garantieren. Beim Bridging wird ohne Unterstützung von unten gedruckt. Dadurch kann das Filament leicht durchhängen, ähnlich wie bei einer Hängebrücke. Bridging kann aber bei der Druckplanung durch geschickte Platzierung möglichst umgangen werden.

Die grösste Hürde ist aus unserer Sicht die Erstellung des Teils in CAD. Dies sollte durch eine Fachperson geschehen, um Fehler bei der Konstruktion zu vermeiden, die den Druck beeinträchtigen würden.