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Additive Fertigung

3D-Drucktechnik hängt 3D-Modellierung ab

| Autor/ Redakteur: Ralf Steck / Monika Zwettler

Der 3D-Druck bietet viele neuer Möglichkeiten, Bauteile zu gestalten und zu fertigen. Dazu ist Wissen nötig, wie diese Freiheit der Gestaltung genutzt werden kann, aber auch neue Werkzeuge, die mit den Fähigkeiten der Drucker mithalten können.

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Aktuelle Polyjet-Drucker drucken in einem Modell unterschiedliche Materialien – mit unterschiedlichen Farben oder Eigenschaften. Für die CAD-Systeme ist das eine Herausforderung.
Aktuelle Polyjet-Drucker drucken in einem Modell unterschiedliche Materialien – mit unterschiedlichen Farben oder Eigenschaften. Für die CAD-Systeme ist das eine Herausforderung.
(Bild: Stratasys)

Schon seit der Mensch Material bearbeitet, arbeitet er subtraktiv: Er nimmt ein Stück Holz, Stein oder Metall und entfernt so lange Material, bis die gewünschte Form erreicht ist. Das gilt für den Steinzeitmenschen mit seinem Faustkeil ebenso wie für den CNC-Fräser an seinem Bearbeitungszentrum. Zwei Punkte sind dabei sehr wichtig: Am Anfang steht nahezu immer ein massiver, homogener Materialblock, und dieser wird von außen nach innen bearbeitet – was wiederum bedeutet, dass weite Bereiche des Bauteils nicht erreichbar oder bearbeitbar sind.

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Bauteile frei gestalten

Die Welt der Gestaltung änderte sich mit dem Aufkommen der additiven Technologien völlig: Da Objekte im 3D-Druck schichtweise aufgebaut werden, kann jeder Punkt des Bauteils erreicht werden. Das Innere lässt sich damit nahezu völlig frei gestalten. Damit ergeben sich interessante Gestaltungsmöglichkeiten. So drucken viele Geräte – vor allem im unteren Preissegment – 3D-Druckmodelle mehr oder weniger hohl. Innenstrukturen stabilisieren die relativ dünne Deckschicht, so dass bei geringem Festigkeitsverlust viel Material und damit Gewicht, aber auch Druckzeit gespart werden kann.

Innenstruktur beeinflusst Bauteileigenschaften

Diese Innenstrukturierung ist bei den Hobbygeräten relativ primitiv umgesetzt – es kann zwischen zwei oder drei Innenstrukturmustern gewählt und die prozentuale Füllung definiert werden. Dabei ist das Muster in allen Schichten dasselbe, bei einem Gittermuster laufen also die Gittersprossen als Wände von unten bis oben durch das Modell. Inzwischen gibt es auch Lösungen, die dreidimensionale Muster erstellen, sodass etwa die Wände im Innern Würfelchen bilden.

Noch interessanter wird diese Technik, wenn man die Geometrie, mit der Hohlräume zum Teil gefüllt werden, so modelliert, dass sich bestimmte Eigenschaften ergeben. So werden oft Gitterstrukturen eingesetzt, die aus pyramidenförmigen Streben bestehen. Diese Strukturen ergeben einen guten Kompromiss zwischen geringem Materialverbrauch und in allen Richtungen ordentlichen Festigkeitswerten.

Unterschiedliche Materialeigenschaften durch verschieden dicke Streben

Autodesk hat schon vor Jahren mit solchen Strukturen experimentiert bei denen die Dicke der Streben gezielt angepasst wurde. Das Beispielwerkstück war eine Sandwichmatte aus zwei Außenschichten mit einer Gitterstruktur zwischen den Schichten. Beim Druck in weichem Kunststoffmaterial ließen sich so unterschiedliche Materialeigenschaften in einem Werkstück erzeugen: Dickere Streben machten die gedruckte Matte härter, dünnere Streben gaben eher nach, so dass die Matte dort weicher war.

Anwendung in der Medizintechnik

Das Einsatzszenario für eine solche Matte lieferte Autodesk gleich mit: In der Orthopädie ist die Auspolsterung des Stumps einer Beinprothese eine sehr aufwändige Arbeit, da je nach Ausformung des verbleibenden Beinstumpfs des Patienten bestimmte Bereiche weicher und andere Härter ausgepolstert werden müssen. Diese Polsterung wird heute mit viel Erfahrung durch den Orthopädietechniker mit unterschiedlichen Polsterwerkstoffen hergestellt – eine 3D-gedruckte, in ihrer Steifigkeit angepasste Matte könnte sich schneller, preiswerter und vor allem jederzeit genau reproduzierbar anfertigen lassen.

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