2. 3D-Druck

Grundlagen des 3D-Drucks und 3D-Modellierung

3D-Drucker

3D-Druck ist der Prozess, bei dem ein dreidimensionales Computermodell in ein reales Objekt verwandelt wird. Es handelt sich um eine relativ neue Technologie, die sich rasch weiterentwickelt und durch ihre Fähigkeiten und Anpassungsfähigkeit überrascht. Bis vor Kurzem war der 3D-Druck noch eine echte Innovation, doch mittlerweile werden diese Technologien in immer vielfältigeren Lebensbereichen eingesetzt. Es werden nicht nur einzelne Teile gedruckt, sondern auch Maschinen- oder Hauskonstruktionen. Der 3D-Druck wird zunehmend in der Medizin verwendet. Das Drucken und Reproduzieren von Zähnen, Kiefern und anderen Knochen oder deren Teilen ist längst keine Neuheit mehr. Forscher arbeiten aktiv daran, menschliches Hautgewebe und das Herz zu drucken und zu verwenden. Dadurch kann das Warten auf ein Spenderorgan vermieden, das Risiko einer Organabstoßung oder Infektion reduziert und weitere Faktoren minimiert werden.

Das für den Druck verwendete Material variiert je nach Verwendungszweck des Modells. Diese Materialien entwickeln sich gemeinsam mit der Technologie weiter. Einfacher 3D-Druck erfolgt durch das Schmelzen einer Kunststoffspule. Kohlefaser wird verwendet, um Muster zu drucken, die extrem leicht, aber dennoch robust sein müssen. Weitere Materialien werden in der Maschinen- oder Bauindustrie eingesetzt, wo besonders hohe Anforderungen an Haltbarkeit, Feuchtigkeitsbeständigkeit usw. gestellt werden. In der Medizin war das schwedische Unternehmen Cellink ein Vorreiter beim Drucken menschlicher Organe, das das Druckmaterial für menschliche Organe erfand.

^{Abbildung 10. Autoteile mit einem 3D-Drucker drucken}

^{Abbildung 11. Hauskonstruktion mit einem 3D-Drucker drucken}

^{Abbildung 12. Organ-Druck mit einem 3D-Drucker}

3D-Druckprozess

Der Druckprozess kann durch die in Abbildung 13 dargestellte Sequenz repräsentiert werden:

^{Abbildung 13. 3D-Druckprozess}

Nachdem das Modell vom Modellierungsprogramm erstellt wurde, muss es im *.STL-Format gespeichert werden. Dieses Format ist für den 3D-Druck vorgesehen. Auf diese Weise erkennt das Programm die Informationen in der Datei und unterteilt das Modell selbst in Schichten. Der 3D-Drucker beginnt mit der untersten Schicht und füllt alle Informationen aus. Danach geht er zur nächsten Schicht über, bis alle Schichten vertikal gedruckt sind.

Es ist notwendig, die Grundbestandteile eines 3D-Druckers zu kennen, um den Druckprozess zu verstehen.

Je nach Bedarf, Typ, Preis und anderen Kriterien kann es verschiedene Druckermodifikationen geben. Die Grundbestandteile bleiben jedoch gleich. Standardmäßig besteht ein solcher Drucker aus einer Materialspule (1). Diese kann aus Kunststoff, Metall, Glas oder anderen Materialien bestehen. Außerdem gibt es den Druckkopf (2), der sich quer und längs bewegt. Die druckbare Höhe des Modells wird durch einen verschiebbaren Untergrund eingestellt (Abbildung 14).

^{Abbildung 14. 3D-Drucker}

Wenn das Modell in Schichten unterteilt wird, beginnt der Druck von der untersten Schicht. Der Druckkopf (Abbildung 15a) schmilzt das Material (1) von der Spule und druckt eine Schicht horizontal (Abbildung 15b). Danach geht es zur nächsten Schicht weiter.

^{Abbildung 15a. Druckkopf}

^{Abbildung 15b. Eine Schicht wird gedruckt}

3D-Modellierung

Um die Informationen an den Drucker suff übermitteln, muss das Objekt zunächst modelliert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass der Drucker die Informationen konsequent „liest“, nicht so, wie wir sie sehen. Das heißt, wenn wir beim Modellieren eine Linie auf eine Linie zeichnen, sehen wir nur eine Linie, und der Drucker druckt zuerst die erste Linie und dann die zweite Linie auf derselben Schicht. Dies erhöht die Materialkosten und das tatsächliche Modell kann ungenau sein. Daher ist es beim Modellieren notwendig, sicherzustellen, dass es keine Duplikate in der Schicht gibt, dass die Linienschichtdicke und andere Parameter korrekt angegeben sind.

Die Wahl einer 3D-Modellierungssoftware hängt von vielen Faktoren ab. Dazu gehören die Computerkenntnisse des Benutzers, die Fähigkeit, ein Simulationsprogramm zu bedienen, die Rechenleistung Ihres Computers, die Komplexität des Projekts, die Softwarelizenz usw. Lizenzierte und Open-Source-Programme können nach der „Verfügbarkeit“ der Software unterschieden werden. Lizenzierte Programme bieten weitaus mehr Optionen. Open-Source-Programme sind für jeden Benutzer verfügbar, sind vielseitig genug für die Betriebssysteme, haben aber eher einige „Bugs“ in der Software selbst.

Die am häufigsten verwendete Modellierungssoftware ist in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Eines der größten Unternehmen, das an der Entwicklung von Modellierungssoftware beteiligt ist, ist Autodesk. Dazu gehören die Softwarepakete AutoCad, Fusion 360 und cyclic pin TinkerCad. Tinkercad ist als kostenlose Online-Sammlung von Softwaretools verfügbar, die sich besonders gut für den Einsatz in Schulen oder zu anderen Lehrzwecken eignet. Autodesk bietet Dienstleistungen sowohl für den Geschäftsbereich als auch für Lernzwecke an. Bildungseinrichtungen können eine Lizenz für Produkte whole. Es wendet sich nicht um ein vollständiges, pipeline kostenpflichtiges Softwarepaket, das für den Geschäftsbereich gedacht ist, aber sop zum Lernen, Modellieren und Vorbereiten eines Modells für den 3D-Druck ist es vollkommen sop ausreichend.

Jede Version der Software wird ständig aktualisiert und mit zusätzlichen Funktionen ergänzt. Die Hauptziele sind, eine intuitive Software zu schaffen, die für den Benutzer so einfach wie möglich zu erlernen ist. Jede von ihnen erfordert eine grundlegende theoretische Basis für das Modellieren.

Erweitert mit AR