3D-Druck ist ein additives, materialaufbauendes Verfahren, um einen dreidimensionalen Gegenstand, das Werkstück herzustellen.
Anders als klassische Techniken, wie zum Beispiel das Umformen (Schmieden, Gießen usw.) und die subtraktiven, materialabtragenden Herstellungstechniken (Fräsen, Drehen, Bohren usw.) ist der 3D-Druck eine sehr junge Technik.
3D-Druck-Verfahren
- Die Stereolithografie (SLA), das erste 3D-Druckverfahren, wurde 1981 erfunden. Ihm liegt eine Kunststoffhärtungstechnik mittels Laserlicht zugrunde, wobei flüssige Harze zum Einsatz kommen.
- Das zurzeit gebräuchlichste 3D-Druckverfahren ist Fused Filament Fabrication (FFF), da die niedrigen Preise für diese Geräte dafür sorgen, dass auch immer mehr Privatpersonen solche Drucker erwerben. Gedruckt wird hier mit thermisch verformbaren Kunststoffen (Thermoplaste), die extrudiert werden.
- Das selektive Lasersintern (SLS) ist technisch mit der Stereolithografie verwandt. Hier wird mit Laserlicht Kunststoffpulver gesintert.
Neben diesen Techniken für den Kunststoffdruck gibt es noch Verfahren zum Druck von Metallen, wie das selektive Laserschmelzen, welches technisch dem Lasersintern eng verwandt ist.
Für Materialien wie Keramik (Porzellan, Ton usw.) und Lebensmittel (Schokolade, Marzipan usw.) wurden Geräte entwickelt, bei denen – ähnlich wie bei der Fused Filament Fabrication – Material extrudiert wird.
Vor- und Nachteile
Zu den großen Vorteilen des 3D-Drucks gegenüber anderen Fertigungstechniken gehört die Tatsache, dass räumlich komplex aufgebaute Werkstücke problemloser und schneller als mit anderen Techniken (Urformen, Umformen, Materialabtragen) hergestellt werden können.
Zu den Nachteilen zählt, dass Werkstücke, die per 3D-Druck hergestellt werden, in Stabilität und Oberflächenqualität selten an Werkstücke, die mit klassischen Techniken hergestellt wurden, heran reichen. Daher wird 3D-Druck heute meist für das Rapid Prototyping in der Produkt- und Designentwicklung eingesetzt. Allerdings schreitet der Stand der Technik schnell voran. Schon heute gibt es 3D-Drucker, deren Druckqualität (zumindest in einigen Anwendungsgebieten) gut genug für die Produktion ist, wobei der 3D-Druck bisher vor allem für die Kleinserienproduktion geeignet ist.
Der Druckkopf eines 3D-Druckers muss exakt definierte räumliche Bewegungen ausführen können.
Zur Ortsbestimmung im mathematischen Sinn werden Koordinatensysteme für den euklidischen Raum verwendet. Die Position des Druckkopfes kann dabei zum Beispiel mittels Polarkoordinaten, bei denen ein Abstand zum Koordinatenursprung sowie Winkelmaße zu Bezugsgeraden angegeben werden, definiert sein. Auch Triangulation kann theoretisch für die Positionsbestimmung des Druckkopfes eingesetzt werden. Das Koordinatensystem, welches der Philosoph und Universalgelehrte Descartes, der gerne mit „Ich denke, also bin ich“ zitiert wird, bekannt machte, ist jedoch das meistverwendete Koordinatensystem für den Betrieb von 3D-Druckern.
Mit den drei sich orthogonal zueinander im Koordinatenursprung schneidenden Achsen des kartesischen Koordinatensystems kann jeder Punkt
eines euklidischen Raumes mathematisch exakt beschrieben werden. Die exakt parallele Bewegung des Druckkopfs und/oder des Druckbettes
entlang dieser drei Achsen X, Y und Z wird durch Linearführungen gewährleistet.
Einige Druckerhersteller verbauen beheizbare Druckbetten, die verhindern sollen, dass sich Werkstücke während des Drucks beim Abkühlen schon gedruckter Schichten verziehen.
Zum einen kann solch ein Verzug zu einem ungewollten Ablösen des Drucks vom Druckbett führen, zum anderen wird dadurch das Werkstück eventuell unbrauchbar – dies vor allem bei technischen Bauteilen, die maßhaltig gefertigt sein müssen.
Bei manchen Kunststoffen, wie beispielsweise bei ABS, ist das Vorhandensein einer Druckbettheizung eine unabdingbare Voraussetzung für den Einsatz im FFF-Druckverfahren. Technisch ist diese Druckbettheizung meist analog zur Düsenheizung umgesetzt.
Folgende Druckbett-Temperaturen haben sich bewährt:
- für PTEG: 80 Grad,
- für PLA: 50 bis 60 Grad,
- für ABS: 120 Grad.
Dieser Teil eines Extruders besteht aus einer Filamentfördermechanik, die durch einen Steppermotor angetrieben wird.
Seine Drehzahl, die Umdrehungszahl sowie die Drehrichtung werden von der Steuerelektronik des Druckers exakt gesteuert.
Auf der Motorwelle sitzt ein Ritzel, welches das in einem Filamentkanal geführten Filament in die Heizdüse drückt. Dafür, dass das Ritzel das Filament zuverlässig im Kanal bewegt, sorgt meist eine gefedert gelagerte Rolle, die den Kunststoffdraht an das Ritzel drückt.
Es existieren zwar andere Coldend-Konstruktionen, jedoch ist die oben erläuterte die meistgebräuchliche.
Die erste Druckschicht (Layer) eines 3D-Druckes im FFF-Verfahren wird auf eine ebene Fläche gedruckt, die als Basis für den schichtweisen Aufbau eines Werkstückes dient.
Zwischen erstem Layer und dem Druckbett sollte eine möglichst kraftschlüssige Verbindung entstehen, damit der wachsende Ausdruck nicht irgendwann während des Druckvorganges die Haftung am Druckbett verliert. Sollte dies geschehen, wird der Druck nämlich unbrauchbar.
Andererseits darf die Haftung des Werkstücks am Druckbett nicht zu groß sein, weil sonst Beschädigungen des Druckbetts und/oder des Werkstückes beim Ablösen des fertigen Druckes zu befürchten sind. Für die Erzeugung der nötigen Haftung gibt es diverse Möglichkeiten:
- beheiztes Druckbett,
- Haftungshilfen,
- Skirt, Raft, Brim.
Die Extrusionsdüse, durch welche der verflüssigte Kunststoffdraht (Filament) gespritzt wird, besteht neben der eigentlichen Düse aus einem elektrischen Heizelement und einem Thermistor. Diese Bauteile sind im metallenen Düsenkopf montiert.
Das Heizelement wird von der Druckersteuerung kontrolliert mit Strom versorgt, um exakt die für den jeweils verwendeten Kunststoff benötigte Verarbeitungstemperatur zu erzeugen.
Der Thermistor fungiert als Thermometer, mittels dessen Messwerte die Steuerung einen Soll-Ist-Abgleich vornehmen und die Heizung nachregulieren kann.
Die eigentliche Druckdüse ist die für die Druckgeschwindigkeit und die Druckqualität entscheidende Komponente eines FFF-Druckers.
Der Durchmesser der Düsenöffnung legt direkt fest, mit welcher Druckauflösung in der x-y-Ebene das Gerät maximal arbeiten kann. Üblich sind Düsengrößen zwischen 0,2 und 0,5 Millimetern. Kleine Düsenöffnungsdurchmesser ermöglichen eine feinere Detaillierung, größere eine höhere Druckgeschwindigkeit.
Empfehlenswert sind Drucker, bei denen ein Düsenwechsel schnell und unkompliziert handhabbar ist.
Siehe Host-Programm.
Detailansicht eines Extruders mit den für passiv gekühlte Hotends typischen großen Kühlrippen am Filamentkanal.
Um die Bewegung eines Druckkopfes zu einem bestimmten Punkt im Raum hin exakt zu beschreiben, bedarf es unter Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems nur dreier einfacher Sätze (Befehle) wie zum Beispiel:
- Fahre vom Koordinatenursprung um 3,6 cm auf der x-Achse nach rechts (x=+3,60).
- Fahre nun um 5,8 cm parallel zur y-Achse nach hinten (y=+5,80).
- Fahre nun um 0,01 cm parallel zur z-Achse nach oben (z=+0,01).
Je nach Bauart des Druckers muss der Mikroprozessor diesen Befehlssatz in die entsprechenden Bewegungen der Maschinenteile umsetzen.
Bei einem Drucker, bei dem zum Beispiel der Druckkopf in der Höhe und in Richtung der x-Achse und das Druckbett in der y-Achse verfahrbar sind,
- fährt der Druckkopf um 3,6 cm nach rechts,
- fährt dann das Druckbett 5,8 cm nach vorne (anstatt, dass der Druckkopf um diese Strecke nach hinten fährt),
- fährt und schließlich der Druckkopf um 0,01 cm nach oben.
Eine Kette von solchen Befehlen, die in einer vom Mikroprozessor der Druckersteuerung interpretierbaren Sprache (Programmiersprache) geschrieben ist, nennt sich G-Code.
Der Satz- und Adressaufbau der zu übermittelnden numerischen Steuerungsinformationen eines G-Codes ist in der Norm DIN 66025/ISO 6983 beschrieben.
G-Code hat den Vorteil, von Menschen gelesen und geschrieben werden zu können, sodass erfahrene Anwender von computergesteuerten Maschinen in der Lage sind, G-Code ohne Spezialsoftware zu entwickeln und/oder zu optimieren.
Obige Anweisung in deutscher Sprache sähe im G-Code etwa so aus:
G00 X360 Y580 Z001
G00 steht für „Schnellgang“, der Rest des Codes ist selbsterklärend.
Um das Werkstück zuverlässig auf dem Druckbett zu halten, gibt es diverse Techniken, die – oft auch in Kombination – beim 3D-Druck zum Einsatz kommen:
- Ein beheizbares Druckbett vermindert den thermischen Verzug des Werkstückes.
- Chemische Hilfsmittel können die Haftung verbessern, sollten jedoch nur eingesetzt werden, wenn das verwendete Druckbett dafür geeignet ist. Ein beliebtes „Hausmittel“ zur Haftungsverbesserung ist zum Beispiel Haarspray.
- Spezielle Druckbett-Oberflächen können durch ihre Struktur zu einer guten Haftung beitragen. Es gibt zum Beispiel einen Hersteller, der gelochte Pertinax-Platten als Druckbett verwendet. Ein anderer Hersteller bietet Druckbetten aus aufgerautem Acrylglas an. All diese Druckbetten mit spezieller Oberflächenstruktur haben den Nachteil, dass der erste Layer des Werkstücks keine glatte Oberfläche haben kann, was vor allem beim Upside-Down-Druck störend ist.
- Krepp-Klebebänder können die Haftung deutlich erhöhen. Hier wird derselbe Effekt wie bei strukturierten
Druckbettoberflächen genutzt.
- Spezielle Druckbettmaterialien erzeugen in Verbindung mit dem passenden Filament eine gute Haftung. Falls der Drucker
abwechselnd mit verschiedenen Filamenten bestückt wird, können austauschbare Betten oder Spezialklebebänder mit einer
Oberfläche aus dem gewünschten Material eine Lösung sein. Ein typisches Beispiel stellen leicht aufgeraute Glasplatten, die
auf Aluminiumheizbetten aufgeclipst werden können, dar.
- Per G-Code erzeugte Haftungshilfen sind vor allem bei Werkstücken mit einer sehr kleinen Auflagefläche auf dem Druckbett empfehlenswert. Die Standardtechniken Skirt, Raft und Brim werden beim Slicen zusätzlich zum G-Code des eigentlichen Werkstücks hinzugefügt.
Eine aufgeraute Acryl-Platte als Druckbett ist eine Möglichkeit, mittels optimierter Bett-Oberflächen für gute Haftung zu sorgen.
Der Host ist das Steuerprogramm für einen 3D-Drucker. Zumindest dann, wenn der Drucker über einen PC ferngesteuert wird.
Aktuelle Drucker können autonom drucken. Hier wird nur noch der auf dem PC errechnete G-Code auf einen Datenträger gespeichert und der Controller des Druckers übernimmt die Host-Aufgabe des Steuerns der Maschine.
Als Benutzeroberfläche für den Slicer und zur Positionierung der Werkstücke auf dem Druckbett beziehungsweise im Druckraum werden die Host-Programme aber noch immer eingesetzt.
Außerdem kann mit dem Hostprogramm eine manuelle Steuerung der einzelnen Motoren und Heizelemente des Druckers vorgenommen werden, um zum Beispiel Wartungs- und Reinigungsarbeiten durchführen zu können.
Die meistverwendete Open-Source-Host-Software ist RepetierHost, welche von vielen Druckerherstellern mit speziell auf ihre Produkte optimierten Modifikationen an die Kunden als Host-Programm ausgeliefert wird.
Das Hotend besteht aus einem vom Coldend kommenden Filamentkanal sowie einer am Ende des Kanals sitzenden beheizbaren Druckdüse.
Der Filamentkanal verfügt über eine Kühlung, die dafür sorgt, dass der Kunststoffdraht erst kurz vor Erreichen der Druckdüse flüssig wird.
Verliert das Filament im Kanal zu früh seine Festigkeit, ist ein zuverlässiger Filament-Vorschub nicht mehr gewährleistet, weil dann zum Beispiel das Vortriebsritzel des Coldend mit weich gewordenem Kunststoff verklebt werden und/oder an der Düse nicht genügend Druck für die Extrusion aufgebaut werden kann.
Die Kühlung des Filamentkanals kann passiv durch Kühlrippen und/oder durch Lüfter realisiert sein.
- Skirt: Bevor mit dem Druck des eigentlichen Werkstücks begonnen wird, druckt der Druckkopf auf dem ersten Layer eine Filamentspur außerhalb der Auflagefläche des Druckguts. Meist besteht diese Spur aus einer oder mehreren Kreisen um das Werkstück. Dies erhöht zwar nicht unmittelbar die Haftung, soll jedoch dafür sorgen, dass die Druckdüse bei Beginn des eigentlichen Druckes schon über einen kontinuierlichen Filamentfluss verfügt, sodass keine Lücken im ersten Layer des Werkstückes vorhanden sind, was wiederum zuträglich für die Haftung und eine glatte Oberfläche der Werkstückunterseite ist.
- Raft: Unter dem ersten Layer des Werkstückes werden mehrere Layer mit einem Gittermuster gedruckt. Dies ist sinnvoll, wenn das Verhältnis Druckvolumen/Auflagefläche ungünstig ist. Durch das Raft wird die Auflagefläche auf dem Druckbett vergrößert. Nachteil beim Einsatz dieser Technik ist die relativ aufwendige Nachbearbeitung des Werkstückes, da das Raft mechanisch, zum Beispiel mit einem Cuttermesser, vom Werkstück getrennt werden muss.
- Brim: Um die Kontur des Werkstückes werden beim ersten Layer passend mehrere Filamentspuren gedruckt, die die Auflagefläche vergrößern. Ein Brim lässt sich nach dem Druck leichter vom Werkstück entfernen als ein Raft.
Der G-Code für einen Probewürfel kann so einfach gestrickt sein, dass er notfalls manuell mit einem Texteditor geschrieben werden kann.
Wenn nun der Druckkopf eine Form wie zum Beispiel einen Kreis als eine von vielen Schichten eines Werkstückes auf das Druckbett drucken soll, wäre dies eventuell auch ohne den Einsatz einer Spezialsoftware umsetzbar.
Nun sind die Formen der Werkstücke, die gedruckt werden sollen, aber in der Regel deutlich komplexer als ein Würfel oder ein Zylinder. Gerade die Tatsache, dass Werkstückformen ermöglicht werden, die mit anderen Fertigungstechniken nicht realisierbar sind, gehört zu den großen Vorteilen des 3D-Drucks.
Hier kommt der sogenannte Slicer zum Einsatz. Das englische slice steht für „in Scheiben schneiden“. Und genau das tut diese Kategorie von Software. Sie schneidet das Werkstück virtuell in Scheiben, deren Dicke einer Schichtstärke beim Druck entspricht.
Nun kommt der mathematisch aufwendigere Teil des Slicing-Vorgangs. Die Software berechnet den optimalen Verfahrweg des Druckkopfs für alle Schichten. Dabei sind viele Parameter zu beachten. Neben dem Erzielen einer möglichst glatten Oberfläche, welche zum Beispiel dadurch erreicht werden kann, dass der Drucker pro Schicht jeweils zuerst die Außenkanten der Schicht druckt, spielen die Wandstärken, der Grad der Füllung des Werkstücks, die Druckgeschwindigkeit, eventuell nötige Stützkonstruktionen bei Überhängen, um nur einige Einflussgrößen zu nennen, eine Rolle bei der Berechnung des G-Codes.
Bei den Slicing-Ergebnissen der diversen verfügbaren Slicer gibt es durchaus Qualitätsunterschiede, da die zugrunde liegende Mathematik komplex ist. Die proprietären Slicer, die einige Druckerhersteller – speziell für ihre Geräte optimiert – anbieten, liefern meist brauchbare Ergebnisse. Es gibt aber auch Open-Source-Slicer, wie Marlin, Cura, Sli3er usw., die guten G-Code erzeugen.
Eine grafische Benutzeroberfläche für die Slicing-Software bieten sogenannte 3D-Drucker-Hosts.