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3D-Prototyping: Ein Überblick über den 3D-Prototypdruck

Entdecken Sie die Welt des 3D-Prototypdrucks! Erfahren Sie mehr über verschiedene Drucktechniken, Materialien, Anwendungen und mehr. Arbeiten Sie bei Ihren innovativen Projekten mit HiTop Industrial zusammen.
HITOP / Der Blog / <a href="https://hitopindustrial.com/de/3d-prototypendruck/" title="3D-Prototyping: Ein Überblick über den 3D-Prototypdruck">3D-Prototyping: Ein Überblick über den 3D-Prototypdruck

Die Zeiten handgefertigter Modelle sind vorbei. Wenn Sie heute Ihre potenziellen Investoren, Kunden oder Manager überzeugen möchten, benötigen Sie einen greifbaren Prototyp oder ein Modell, um die Machbarkeit und Funktionalität des Produkts zu demonstrieren. Dies kann erreicht werden durch die Verwendung von 3d Drucken für die Prototypenentwicklung. Nichts kann den Präsentationswert und die Attraktivität eines Produkts mehr steigern als ein 3D-Prototyp. Er ist einfach herzustellen, erschwinglich und bietet eine Reihe weiterer Vorteile. 

Hier haben wir für Sie einen Überblick über die Herstellungstechnik gegeben. 

Was ist 3D-Prototypdruck?

3D-Prototyping oder Additive Fertigung ist ein leistungsstarkes Tool für Prototyping und Innovation. Der Prozess hilft bei der Erstellung physischer Modelle dreidimensionaler Objekte und wird häufig zum Erstellen von Prototypen für Produktdesign, Engineering und andere Anwendungen verwendet.

Anstatt Materialien wie bei den traditionellen Methoden (subtraktive Fertigung) zu entfernen, werden Materialschichten (Materialien, Kunststoff usw.) hinzugefügt. Dies macht es aus mehreren Gründen beliebt:

  • Erstellen komplexer Geometrien: Während herkömmliche Methoden bei komplizierten Formen oder inneren Merkmalen Probleme bereiten, können diese mit der additiven Fertigung problemlos Schicht für Schicht aufgebaut werden.
  • Flexibilität und Iteration: Müssen Sie ein Design optimieren? Ändern Sie einfach die digitale Datei und drucken Sie eine neue Version. Dieser schnelle Iterationszyklus ist perfekt, um Prototypen schnell zu testen und zu verfeinern, bevor Sie mit der Massenproduktion beginnen.
  • Reduzierter Abfall und Materialverbrauch: Im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren, bei denen Abfallmaterial entsteht, wird bei der additiven Fertigung nur das Material verwendet, das für das Endobjekt benötigt wird. Dies kann effizienter und umweltfreundlicher sein.

Arten von 3D-Druckern für die Prototypenentwicklung

Auf dem Markt sind verschiedene Drucker erhältlich, die speziell für die Prototypenentwicklung entwickelt wurden. Einige davon sind: 

FDM (Fused Deposition Modeling)

3D-Drucker führt Fused Deposition Modeling mit gelbem Filament aus und veranschaulicht den additiven Herstellungsprozess

Ein anderer Begriff für diese Technologie ist Fused Filament Fabrication (FFF). Fused Deposition Modeling ist ein Verfahren, das sich für grundlegende Proof-of-Concept-Modelle eignet, abgesehen von der schnellen und kostengünstigen Prototypisierung einfacher Teile. Im Vergleich zu anderen Methoden sind Genauigkeit und Auflösung höher. Bei komplizierten Designs sollte es jedoch vermieden werden. 

Materialien für den FDM-3D-Druck: ABS, PLA, PETG, Nylon, TPU, PVA, HIPS und Verbundwerkstoffe (Kohlefaser, Kevlar, Fiberglas). 

VorteileNachteile
Sehr erschwinglichNiedrigere Auflösung
Einfach zu machenDie Qualität ist nicht zu hoch
Keine Sorge wegen KontaminationDie strukturelle Integrität ist nicht hoch
Verwendet eine breite Palette von FilamentmaterialienBegrenzte Farboptionen

SLS (selektives Lasersintern)

Darstellung des selektiven Lasersinterprozesses mit Übergang vom CAD-Design zur CAM- und Laserfertigung

Beim SLS-Verfahren (Laser Powder Bed Fusion) werden pulverförmige Polymere mithilfe eines Lasers schichtweise geschmolzen. So können Sie funktionsfähige Prototypen erstellen, die für Tests in Motoren und Maschinen in der Praxis bereit sind. Ihre Qualität ist beim Rapid Prototyping unübertroffen. Beispielsweise wird kohlenstofffaserverstärktes Nylon mit größter Liebe zum Detail hergestellt, sodass es widrigen klimatischen Bedingungen standhält.  

Materialien für das selektive Lasersintern: Standardharze, klares Harz, Zugharz, robuste und langlebige Harze, starre Harze, Polyurethanharze, Hochtemperaturharz, flexible und elastische Harze, Silikonharz 40A, medizinische und zahnmedizinische Harze, ESD-Harz, flammhemmendes (FR) Harz, Aluminiumoxidharz 4N und Schmuckharze. 

VorteileNachteile
Schneller Druck einer großen StückzahlVerformung durch Schrumpfung nach der Herstellung
Die generierten Teile sind hochflexibel und präziseOberfläche mangelt es an Glätte
Keine Unterstützungsstruktur erforderlichAtemprobleme durch Pulvergebrauch

Stereolithografie (SLA)

Diagramm einer Stereolithografievorrichtung mit einem flüssigen Fotopolymer, das durch Laserhärtung schichtweise 3D-Teile erzeugt

Bei der Photopolymerisationstechnologie wird eine UV-Lichtquelle verwendet, um lichtempfindliche Harze zu verfestigen und Schicht für Schicht komplexe Prototypen aufzubauen, bis das Modell fertig ist. Sie ist nur für hochauflösende 3D-Prototypen anwendbar. Sie können sie zur Herstellung mechanischer Teile, Architekturmodelle, Schmuckdesigns und anderer Konsumgüter verwenden.

Materialien für die Stereolithografie: Nylon 12, Nylon 11, Nylon-Verbundstoffe, Polypropylen und TPU. 

VorteileNachteile
Glatte Oberfläche mit hoher OberflächengüteNicht umweltfreundlich
Druckt sowohl interne als auch externe Geometrie präziseGroße Ausdrucke können nicht gedruckt werden
Kurze DruckzeitMuss nach jedem Druck ausgehärtet werden 

Zwei-Photonen-Polymerisation (TPP)

Schematische Darstellung des Aufbaus einer Zwei-Photonen-Polymerisation mit Femtosekundenlaser und präzisem XYZ-Positionierungstisch.

Als Mikrodrucktechnologie kann TPP Teile drucken, die kleiner als 0,1 Mikrometer sind. Dabei wird ein lichtempfindliches Harz und ein gepulster Femtosekundenlaser verwendet, der auf ein spezielles Harz gerichtet ist. Dieser Laser wandelt winzige Flüssigkeitspartikel in feste Stücke um und baut so Schicht für Schicht ein 3D-Objekt auf. So können Sie detaillierte Objekte erstellen, die mehrere Millimeter groß sein können und Details im Nanometerbereich aufweisen.

TPP findet Anwendung in der Medizin, in der Forschung und bei der Herstellung winziger Teile wie Mikroelektroden und optischer Sensoren.

Materialien für die Zwei-Photonen-Polymerisation: flüssige Polymerharze

VorteileNachteile
Unübertroffene AuflösungLangsame Druckgeschwindigkeit
Direkte 3D-Fertigung. Keine Stützstrukturen erforderlichKostspielige Ausrüstung
MaterialvielfaltEingeschränkte Materialauswahl
Minimale HitzeeinwirkungBegrenztes Bauvolumen

Digitale Lichtverarbeitung (DLP)

Digital Light Processing (DLP)-Projektor-Setup in einem Kontrollraum mit zugehöriger elektronischer Ausrüstung

Beim DLP-3D-Druck wird ein digitaler Lichtprojektor verwendet, um ein Bild jeder Schicht darzustellen. Dies geschieht auf einer Harzschicht. DLP ist eine gängige Wahl für die Herstellung größerer Teile oder mehrerer Teile in einer einzigen Charge, da es unabhängig von der Anzahl der Teile eine gleichbleibende Zeit bietet. 

Digital Light Processing ist in statischen Displays, interaktiven Displays sowie in Sicherheits-, Medizin- und Industrieanwendungen anwendbar.

Materialien für die digitale Lichtverarbeitung: thermoplastische Harze, Metalle und ultraviolett-härtbare Harze

VorteileNachteile 
Hohe Genauigkeit und DetailliertheitBegrenztes Bauvolumen
Schnelle DruckgeschwindigkeitenVerursacht Voxelisierung
Große Auswahl an MaterialienHarzchaos
Relativ erschwinglichVerursacht Voxelation

Flüssigkristallanzeige (LCD)

Abbildung eines LCD-basierten 3D-Druckprozesses mit sequentieller Schichtprojektion und Höhenstufen

Dies ist fast identisch mit Digital Light Processing (DLP). Der Unterschied liegt jedoch in der Verwendung eines LCD-Bildschirms. Dies ist auch der Grund für den höheren Preis. Genau wie DLP zeigt der LCD-Bildschirm ein digitales Bild an, das aus kleinen quadratischen Punkten besteht. Die Größe dieser Punkte auf dem Bildschirm bestimmt, wie aufwendig der Druck sein wird. 

Materialien für Flüssigkristallanzeigen: Kompositmaterialien

Vorteile Nachteile
Hohe Detailgenauigkeit und AuflösungBegrenztes Bauvolumen
Schnellere DruckgeschwindigkeitZerbrechliche Drucke
Glattere OberflächenbeschaffenheitBenötigt Belüftung aufgrund von Harzverschmutzung
Große MaterialvielfaltHöhere Kosten

3D-Metalldruck

Für Metallprodukte benötigen Sie einen Metallprototyp. Denken Sie daran, dass Polymeralternativen billiger sind als die 3D-Drucktechnologie für Metall. Der 3D-Druck ist eine bessere Option als CNC-Fräsen Edelstahl oder Spritzguss denn diese erstellen Prototypen, ohne dass Abfallmaterial zurückbleibt.  

Arten des Metall-3D-Drucks

Metall-FDM: Genau wie herkömmliche FDM-Drucker werden hier Teile hergestellt, indem metallgefüllte Filamente zusammengedrückt und ihre Bindeschichten in einem Ofen abgelöst werden.  

SLM (Selective Laser Melting) und DMLS (Direct Metal Laser Sintering): SLM- und DMLS-Technologien sind eine Weiterentwicklung der Polymere und nutzen die Kraft von Lasern, um Metallpulver sorgfältig zu komplexen, schichtweise aufgebauten Kreationen zu verschmelzen. Sie eignen sich perfekt für zahlreiche Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizin.

Materialien für den Metall-3D-Druck: Titan, Edelstahl, Aluminium, Werkzeugstahl und Nickellegierungen.

VorteileNachteile
Ermöglicht die Erstellung hochkomplexer Geometrien und interner MerkmaleHohe Kosten
Rapid-PrototypingErfordert oft umfangreiche Nachbearbeitung
Reduziert MaterialabfallGenauigkeit und Oberflächengüte nicht wie gewünscht
Produziert LeichtbauteileBeschränkt die Materialauswahl

Verwendet 

Mit dem 3D-Druck können Sie sich von den starren Formen und Gestalten der Vergangenheit lösen. Komplizierte Kurven, komplizierte Gitter und Hohlstrukturen sind damit kein Problem.

Materialarten für den 3D-Druck

Für den 3D-Druck werden einige Rohstoffe benötigt, um innovative und futuristische Prototypen zu erstellen. Dazu gehören:

Kunststoffe

Eines der am häufigsten verwendeten Materialien im 3D-Druck ist Kunststoff. Der Grund für die breite Verwendung ist die Fähigkeit, Prototypen für verschiedene Branchen zu erstellen, beispielsweise für Kinderspielzeug und anspruchsvolle Haushaltsgegenstände. Beispiele hierfür sind Actionfiguren, Utensilien und Vasen. 

Kunststoff – das Rohmaterial ist transparent, farbig oder auf Spulen erhältlich. Je nach gewünschter Textur können Sie matten oder glänzenden Kunststoff kaufen. Darüber hinaus sind sie kostengünstig und schonen Ihren Geldbeutel. 

FDM-Drucker werden hauptsächlich zur Herstellung von Kunststoffprodukten verwendet. Der gesamte 3D-gedruckte Kunststoff kann jede erdenkliche Form annehmen, von flachen Untersetzern über komplizierte Zahnräder und sanfte Kurven bis hin zu strukturierten Landschaften. Hier sind einige häufig verwendete Kunststoffarten:

Polymilchsäure (PLA): eine umweltfreundliche Option – es wird aus natürlichen Produkten wie Zuckerrohr und Maisstärke gewonnen. Sie sind sowohl in weicher als auch in harter Form erhältlich. Letztere ist stärker und daher perfekt für verschiedene Industrieprodukte geeignet.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): Ein anderer Name, Lego-Kunststoff, dies ist die erste Wahl für 3D-Drucker. Es besteht aus nudelnartigen Filamenten, die ein superstarkes, biegsames Material erzeugen. Sie sind ideal, um endlos viele Dinge zu bauen oder lustige Designs auf jede Oberfläche zu kleben. Obwohl es von Hobbydruckern bevorzugt wird, wird es auch häufig bei der Herstellung handelsüblicher Konsumgüter verwendet.

Polycarbonat (PC): PC wird nicht so häufig verwendet wie die anderen Typen, ist aber mit Hochtemperaturdruckern kompatibel, deren Düsen eine hohe Präzision aufweisen. 

Polyvinylalkohol-Kunststoff (PVA): Wenn Sie nach einem preisgünstigen Drucker suchen, ist PVA die richtige Wahl. PVA ist eine gute Wahl als lösliches Trägermaterial. Obwohl es möglicherweise nicht für hochfeste Produkte geeignet ist, stellt es dennoch eine kostengünstige Lösung für vorübergehend verwendete Artikel dar.

Pulver

Hightech-3D-Drucker verwenden pulverförmige Materialien, um verschiedene Produkte durch Schmelzen und Schichten von Pulver zu formen. Dadurch entstehen Objekte mit perfekter Dicke, Textur und Mustern. Zu den verschiedenen Pulverarten, die beim 3D-Druck verwendet werden, gehören

Polyamid (Nylon): Zwei Gründe, die Polyamid von anderen Materialien unterscheiden, sind seine Festigkeit und Flexibilität. Dank dieser einzigartigen Kombination eignet es sich für den Druck von Objekten mit feinen Details, wie den Zahnrädern eines winzigen Roboters oder den feinen Gesichtszügen einer Miniaturfigur. 

Alumide: Polyamid ist eine Kombination aus Polyamid und grauem Aluminium und sorgt für extrem hohe Festigkeit bei 3D-gedruckten Modellen. Für industrielle Prototypen und Modelle ist es ein verlässlicher Werkstoff. 

Harze.

Im Vergleich zu anderen Materialien ist Harz nicht so stark oder flexibel. Da es sich um ein flüssiges Polymer handelt, verfestigt sich Harz bei Einwirkung von UV-Licht. Es ist hauptsächlich in den Farben Schwarz, Weiß und Transparent erhältlich; einige Drucksachen wurden auch in Orange, Rot, Blau und Grün hergestellt. Es kann in drei Kategorien unterteilt werden:

Transparentes Harz. Seine unübertroffene Festigkeit macht es zu einem der gefragtesten Harze für 3D-gedruckte Produkte. Die daraus resultierenden Prototypen sind transparent (wie der Name schon sagt) und glatt. 

Überstreichbares Harz: Einige Harze zeichnen sich durch eine hervorragende Ästhetik aus. So sind beispielsweise die Figuren mit lebensechten, bemalbaren Gesichtsdetails oder eleganten Skulpturen, die alle Blicke auf sich ziehen, alle aus bemalbaren Harzen entstanden. 

Hochdetaillierte Harze: Winzige Modelle, aber mit umfangreichen Details, das ist es, was hochdetaillierte Harze ermöglichen. Stellen Sie sich Figuren vor, die kaum zehn Zentimeter groß sind und mit aufwendiger Kleidung und lebensechten Gesichtszügen geschmückt sind. 

Metalle

Nach Kunststoffen sind Metalle das am häufigsten verwendete Material. Sie können Produkten Leben einhauchen, die dem täglichen Verschleiß standhalten, wie beispielsweise aufwendigem Schmuck und sogar Flugzeugteilen. Darüber hinaus ermöglichen Fortschritte in der metallbasierten 3D-Drucktechnologie den Herstellern, DMLS für die Produktion bei hohen Geschwindigkeiten und Mengen zu nutzen. 

Hier ist die große Auswahl an Metallen, die für den 3D-Druck verwendet werden

  • Aluminium: Ideal für dünne Metallobjekte
  • Bronze: Vasen und andere Einrichtungsgegenstände
  • Edelstahl: Die Komponenten, die in direkten Kontakt mit Wasser kommen können
  • Nickel: Werke zum Drucken von Münzen

Andere Materialien 

Einige andere für den 3D-Druck verwendete Materialien sind Kohlefaser, Nitinol, Graphit, Graphen und Papier. 

So drucken Sie einen 3D-Prototyp

Es erfolgt in 4 einfachen Schritten:

  • Entwerfen Sie ein Modell mithilfe eines Computerprogramms. Nehmen Sie in dieser Phase Änderungen vor, wenn Ihnen Fehler auffallen. 
  • Verwenden Sie eine Slicing-Software, um es in dünne Schichten aufzuteilen. Passen Sie Einstellungen wie Schichthöhe, Füllprozentsatz, Stützstrukturen und Druckgeschwindigkeit an. Dieser Vorgang generiert einen G-Code.
  • Der Drucker baut das Objekt Schicht für Schicht unter Verwendung ausgewählter Materialien und Methoden auf. Wenn alle Schichten gedruckt sind, ist das Objekt fertig und kann von der Bauplattform entfernt werden. 
  • Entfernen Sie die Stützstrukturen vorsichtig mit Zangen und Cuttern. Entfernen Sie Materialreste und Schmutz von der Oberfläche des gedruckten Objekts, beispielsweise durch Bürsten, Schleifen oder Waschen.

Anwendungen des 3D-Drucks

Konsumgüter

Individualisierung und Innovation sind die Eckpfeiler des Erfolgs im dynamischen Verbrauchermarkt von heute. 3D ist die neue Technik, mit der Einzelhändler und Hersteller all diese Möglichkeiten nutzen können. Es ist die neue Art, die Produkte, die wir lieben, zu entwerfen, herzustellen und zu erleben.

Die Forschung und Entwicklung industrieller Desktop-3D-Drucker erleichtert Ingenieuren und Designern, die Arbeitsweise dieser Branche zu revolutionieren. 

Mode

Die Herstellung individueller Designs war noch nie so einfach. Die Modebranche nutzt jetzt die 3D-Drucktechnologie, um ihre Kunden zufriedenzustellen. Sie können komplizierte Designs einfach und schnell ohne viel manuelles Eingreifen erstellen. 

Sie verwenden für ihre Designs sogar ungeahnte Materialien wie Kunststoffe und erweitern so den textilen Horizont.

Luft- und Raumfahrt

Die Luft- und Raumfahrt ist eine der ersten Branchen, die 3D-Druck einsetzt. Tatsächlich erreichte der globale Markt für 3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt im Jahr 2023 satte 4,6 Milliarden US-Dollar. Darüber hinaus wird von 2024 bis 2032 ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 16,21 TP3Billionen erwartet. 

Airbus, Boeing, GE, GKN und Safran sind die wichtigsten Akteure auf diesem Gebiet. Sie nutzen den 3D-Druck, um Leichtbauteile, funktionale Prototypen und Werkzeuge herzustellen. 

Ausbildung

Dieser Sektor nutzt die Leistungsfähigkeit von 3D, um die Art und Weise des Lernens von Schülern zu revolutionieren. Die Schüler können diese Technologie nutzen, um Modelle zu erstellen. Dies hilft ihnen, die Konzepte besser zu verstehen. Darüber hinaus nutzen die Lehrer die Technologie auch zur Erstellung ihrer Unterrichtspläne.

Kein Wunder also, dass der Markt für 3d Drucken im Bildungsbereich wird zwischen 2022 und 2027 mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 12,121 TP3T wachsen. 

Konstruktion

Im Bauwesen werden verschiedene Komponenten und Strukturen mithilfe des 3D-Drucks hergestellt. Alle komplizierten Strukturen können zu einem viel geringeren Preis hergestellt werden. Einige der Strukturen, die diese Technologie verwenden, umfassen Gussformen und Formen. 

Aus diesen Gründen wird erwartet, dass der Markt für 3D-Druck in der Bauindustrie bis 2032 ein Volumen von 519,49 Milliarden US-Dollar erreichen wird. 

Medizinisch

Der Einsatz von 3D-Druck nimmt in dieser Branche zu und wird in den kommenden Jahren weiter zunehmen. Experten sind davon überzeugt, dass dieser Einsatz auch in Zukunft bestehen bleibt. Die Anwendungen sind vielseitig und reichen von Prothesen, Implantaten und Bioprinting bis hin zu Operationsplanung und -tests.

Dank kostengünstigem Rapid Prototyping können Hersteller medizinischer Geräte ihre Designs schnell testen und verfeinern. So können neue Ideen noch schneller zum Patienten gebracht werden. Darüber hinaus kann 3D auch dabei helfen, patientenspezifische Geräte zu bauen und eine perfekte Passform und optimale Ergebnisse sicherzustellen.

Automobilindustrie:

Laut einem Bericht von SmartWatch werden die weltweiten Einnahmen aus dem 3D-Druck bis 2027 $7,9 Milliarden erreichen. Dies zeigt, wie wichtig 3D-Prototyping für diese Branche geworden ist. Abgesehen vom Prototyping nutzen die Unternehmen Werkzeuge als eine der wichtigsten Anwendungen des 3D-Drucks. 

Durch den Einsatz von 3D-Prototyping in der Automobilindustrie kann man neben einer schnelleren Produktion auch maßgeschneiderte Lösungen erwarten. Darüber hinaus erhalten die Designer mehrere Designalternativen und Flexibilität bei der Gestaltung der Prototypen.

Abschluss

Wir wissen, dass Prototyping ein wesentlicher Prozess in der Produktentwicklung ist, der verschiedenen Branchen auf unterschiedliche Weise hilft. Der 3D-Druck bietet erstaunliche Möglichkeiten bei der Prototypenentwicklung. Durch den Einsatz dieser Technologie können diese Branchen sicherstellen, dass sie der Konkurrenz immer einen Schritt voraus sind. 

Wenn Sie das volle Potenzial des 3D-Drucks für Ihre Projekte nutzen möchten, sollten Sie eine Partnerschaft mit HiTop Industrie. Wir nutzen unsere Erfahrung und unser Fachwissen, um allen Innovatoren, Designern und Ingenieuren zu helfen, ihre Visionen zum Leben zu erwecken. 

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