Grundlagen des 3D-Druckverfahrens

3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ermöglicht die Herstellung komplexer Bauteile Schicht für Schicht aus digitalen Daten. Dies bietet Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungsmethoden, insbesondere bei der Erstellung von Prototypen, individuellen Anpassungen und Kleinserien.

Mit 3D-Druckverfahren hergestellte Bauteile bestehen in vielen Fällen aus Kunststoffen. Das Rohmaterial, die sogenannten Filamente, bestehen aus Kunststoffdrähten meist mit einem Durchmesser von 1,75 mm, die auf Spulen aufgewickelt sind. Diese Drähte werden in einem 3D-Drucker zu einem Extruder geführt. Der Extruder hat die Aufgabe, die Kunststoffdrähte durch eine erhitzte Düse zu pressen. Die Öffnungen der Düsen bewegen sich im Bereich von 0,2 mm bis 0,8 mm. Der Standard-Düsendurchmesser ist 0,4 mm. Das Erhitzen der Düsen geschieht mit einem Hotend, einem Heizblock, der die Düsen je nach zu druckendem Material auf bis zu 300 °C aufheizt. Der nahezu verflüssigte Kunststoff wird dann schichtweise in Dicken von etwa 0,1 mm bis 0,4 mm auf ein ebenfalls beheiztes Druckbett aufgetragen und härtet dort aus. So entstehen Schicht für Schicht teils sehr komplexe Geometrien und internen Strukturen, die mit traditionellen Verfahren nur schwer oder gar nicht herstellbar wären. Dies führt zu leichteren, festeren und effizienteren Bauteilen.

Beim 3D-Druck entsteht nur wenig Abfall im Vergleich zu zerspanenden Fertigungsverfahren wir dem Fräsen, Drehen oder Bohren. Darüber hinaus sind viele 3D-Druckmaterialien recyclebar und können wiederverwendet werden.

3D-gedruckte Bauteile finden Anwendung in vielen Bereichen, von der Medizintechnik (Prothesen, Implantate) über den Automobilbau (Prototypen, Funktionsteile) bis hin zur Luft- und Raumfahrt (Leichtbauteile).

Allerdings sind die Oberflächen von 3D-gedruckten Bauteilen meist nicht sehr glatt. Das liegt an dem schichtweisen Aufbau der Teile. Die einzelnen Schichten sind mehr oder weniger deutlich zu erkennen. In manchen Fällen, z.B. bei starken Überhängen, sind zudem Stützen erforderlich. Diese Stützen werden sehr filigran gedruckt und müssen am fertigen Teil mechanisch entfernt werden. Dadurch entstehen oft etwas unsaubere erscheinende Flächen am Bauteil. Solche Unsauberkeiten sind aber keine Fehler oder Schwachstellen, sondern oft fertigungstechnisch einfach nicht zu vermeiden.

Manche Materialien (z.B. ABS) können zwar chemisch geglättet werden, das erfordert aber den Einsatz von teilweise gesundheitsschädlichen Chemikalien (z.B. Aceton) oder solchen, die für ‚normale‘ Konsumenten nicht erhältlich sind (z.B. Chloroform zum Glätten von PLA bzw. PETG). Aus diesen Gründen wird auf die chemische Glättung von Bauteilen bei best4dive verzichtet.

Verwendete Materialien

PLA:
Polylactid (PLA) ist ein auf nachwachsenden Rohstoffen wie Zuckerrohr oder Mais basierender Polyester. Der aus Milchsäuremolekülen aufgebaute Werkstoff gehört zu den bioabbaubaren Kunststoffen.

Vorteile:

• Natürlicher Rohstoff (Biokomponente – u.a. Maisstärke)
• Lebensmittelecht
• Geringe Feuchtigkeitsaufnahme
• Hohe Oberflächenhärte

PETG:
PETG ist im Grunde genommen PET, kurz für Polyethylenterephthalat. Dabei handelt es sich um einen thermoplastischen Kunststoff, welcher zu den Polyestern gehört. Aus Polyethylenterephthalat werden z. B. die meisten Plastikflaschen weltweit gefertigt. Für den 3D-Druck wird PET mit Glykol modifiziert und es entsteht das PETG-Filament, welches sich hervorragend für den 3D-Druck eignet.

Vorteile:

• Hart und dauerhaft
• Lebensmittelecht
• Wasser- und feuchtigkeitsbeständig
• Hohe Oberflächenhärte
• Hohe Temperaturbeständigkeit

Für mechanisch höher belastete Bauteile (z.B. Gehäuseteile der Reels oder die Oktopushalter) werden zudem faserverstärkte Kunststoffe eingesetzt. Diesen Werkstoffen sind Glasfasern oder Carbonfasern beigemischt, was den Materialien deutlich verbesserte mechanische Eigenschaften (Zähigkeit, Festigkeit) verleiht. Das solche Materialien stark abrasiv wirken, sind für deren Verarbeitung Düsen aus gehärtetem Stahl oder Rubinspitzen erforderlich.

TPU:
Thermoplastisches Polyurethan ist ein Elastomer, das sich bei der Weiterverarbeitung durch seine hohe Beständigkeit und Flexibilität auszeichnet, sowie die wichtigsten Eigenschaften von Elastomeren und Thermoplasten miteinander kombiniert.

Vorteile:

• Weich und flexibel
• Gute Reiß- und Abriebfestigkeit
• Lebensmittelecht
• Wasser- und feuchtigkeitsbeständig
• Sehr robust gegenüber Stößen und Schlägen