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Reverse Engineering (RE) bedeutet vereinfacht gesagt umgekehrtes Entwickeln. Normalerweise wird bei der Entwicklung eines Produkts zuerst ein Plan angefertigt und nach diesem das Produkt hergestellt. Beim RE läuft der Prozess andersherum: Aus dem Objekt heraus wird der Bauplan rekonstruiert. Hierfür untersucht man den Aufbau, die Zustände und Reaktionen des Objekts und analysiert diese. Umgekehrtes Entwickeln wird in unterschiedlichen Einsatzgebieten angewendet – Produktentwicklung, Qualitätsprüfung, Fehlersuche.

Verwendung des 3D-Drucks im RE

Durch Verwendung des 3D-Drucks im Reverse Engineering kann man einfach und kostengünstig Modelle herstellen, um sie mit dem Original zu vergleichen – zum Beispiel zur Analyse stark beanspruchter Stellen.

Außerdem ermöglicht der 3D-Druck das Kopieren: eine Reproduktion von Teilen, von denen keine Konstruktionsdaten mehr vorliegen, zum Beispiel sehr alte oder abgenutzte Teile. Auch ganze Objekte wie zum Beispiel Flugzeuge lassen sich so herstellen.

Digitale Ersatzteile?

Ersatzteile können problemlos mit dem 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Tatsächlich gibt es die Idee, Ersatzteile digital zu lagern. Das würde beinhalten, Ersatzteile nicht wie bisher im physischen Sinne in Lagerräumen aufzubewahren, sondern lediglich in digitaler Form als Daten. Bei Bedarf könnte man diese dann mithilfe des 3D-Drucks schnell und preiswert produzieren. Zwei Jahre lang wurden die Vorteile digitaler Ersatzteile vom finnischen VTT Technika Research Center und der Aalto University untersucht. Die Forscher kamen zu dem Ergebnis, dass durch die Nutzung digitaler Ersatzteile Lagerkosten entfallen würden, die Ersatzteile individuell angepasst werden könnten und es für die Unternehmen einfacher und schneller als bisher wäre, die richtigen Teile zu beschaffen. Etwa fünf Prozent von Ersatzteilen ließen sich auf diese Weise fertigen – nämlich diejenigen, die selten Verwendung fänden.

Methoden des RE

Elementar für RE ist eine besonders genaue Messung des Objekts. Hierfür werden vor allem zwei Methoden angewandt: der 3D-Scan und die taktile Messung.

Ein Scan kann mithilfe eines 3D-Scanners durchgeführt werden oder mit einem CT-Scan. Die Verwendung eines Scanners hat mehrere Vorteile: Es ist kein Kontakt zum Objekt erforderlich, der herkömmliche 3D-Scanner klein und handlich, das Verfahren ist sehr schnell und Freiflächen können problemlos gemessen werden. Als Nachteil bringt die Anwendung mit sich, dass er durch die Reflexion des Lichts nicht immer ganz genaue Werte ermittelt. Das ist abhängig von der Oberflächenbeschaffenheit. Wenn möglich, sollte man das Objekt vor dem Scannen mit einer matten Schicht wie zum Beispiel Kreidespray überziehen. Außerdem kann es zu Hinterschneidungen kommen, es können Bereiche fehlen, wenn das Objekt nicht vollständig ausgeleuchtet wird.

Der CT-Scan verursacht keine Hinterschneidungen, allerdings nimmt das Gerät viel Platz in Anspruch und ist sehr kostenintensiv.

Taktile Messung

Die taktile Messung kann man mit einem Koordinatenmessgerät (CMM) vornehmen oder manuell. Die Verwendung eines Messgerätes eignet sich für Objekte mit einer einfachen Geometrie, für die sehr genaue Ergebnisse benötigt werden. Meistens liefert eine taktile Messung noch genauere Ergebnisse als ein Scan.

Welche Methode des 3D-Drucks auch angewendet wird – die gesamte Technologie liefert einen wichtigen Beitrag zum Reverse Engineering und ist eng mit diesem verzahnt.

Wer sich kreativ betätigen möchte und auf der Suche nach einem neuen Malgrund ist, könnte es mit dem Bemalen eines ausgedruckten 3D-Modells versuchen. Die Technik des 3D-Drucks wird immer beliebter, seit einiger Zeit sind die Drucker im Handel erhältlich. Ein eigener 3D-Drucker ist hierfür gar nicht unbedingt erforderlich, man kann sich fertig ausgedruckte Modelle kaufen. Die dreidimensionalen Objekte gibt es in jeder Form und Größe. In Verbindung mit der richtigen Ausrüstung kann man seiner Kreativität freien Lauf lassen und ganz besondere Kunstwerke erschaffen. Was man dafür benötigt? Um das Ganze einmal auszuprobieren, sollte man die Grundausstattung am Anfang möglichst klein – und damit kostengünstig – halten. Später kann man immer noch alles Mögliche dazu kaufen.

Welche Farben eignen sich?

Die Modelle sind weiß, das ist perfekt: So spart man sich das Grundieren. Zum Bemalen der dreidimensionalen Objekte ist Acrylfarbe sehr gut geeignet. Diese hat deckende Eigenschaften, wenn man sie nicht mit Wasser verdünnt und pastos aufträgt. Alle Farben können miteinander vermischt werden. Acrylfarbe trocknet schnell, sie ist recht lichtbeständig.

Gut zu wissen: Acrylfarbe besteht aus Pigmenten und Bindemittel. Das Bindemittel hat klebende Eigenschaften. Deswegen lassen sich durch Hinzufügen von kleinen Partikeln wie Sandkörnern reliefartige Strukturen erzielen. Man kann auch andere Elemente mit der Farbe am Objekt befestigen: Papierschnipsel zum Beispiel, Holzstückchen, Watte …

Grundsätzliches über Pinsel

Je nachdem, wie das Modell beschaffen ist, eignen sich Borstenpinsel verschiedener Größen für die Flächen. Für kleine Zwischenräume kann man Haarpinsel verwenden. Um das Bemalen von 3D-Modellen mit Acrylfarbe nur einmal auszuprobieren, genügen einfache und günstige Pinsel aus Kunsthaarfasern. Diese haben den Nachteil, dass sie häufig Haare verlieren und die Farbe weniger gut aufnehmen. Mehr Freude hat man mit Pinseln aus Naturhaaren; diese sind entsprechend teurer. Allerdings ist das eine Investition, die sich lohnt. Mit entsprechender Pflege halten sie sehr lange. Und es verteilen sich keine Haare auf dem Modell.

Wichtig: Nach dem Malen mit lauwarmem Wasser und Seife auswaschen.

Eine Farbpalette zum Mischen

Für das Mischen der Farben untereinander benötigt man eine Palette. Diese gibt es in unterschiedlichen Ausführungen. Verwendet man eine Kunststoffpalette, sollte man eine Aluminiumfolie über die Fläche legen. Gibt man die Farbe direkt auf die Palette, lassen sich die Farbreste nur sehr schwer entfernen. Sie kleben am Kunststoff fest und man kann nicht mehr erkennen, welche Farbe wohin gehört. Die Aluminiumfolie hingegen kann man später einfach abmachen und entsorgen. Man kann sich eine Palette auch einfach selbst basteln: Ein Stück fester Karton, ein dünnes Stück Holz, Metall oder Kunststoff mit Aluminiumfolie umwickelt – fertig ist die Farbpalette.

Wasserbehälter

Um den Pinsel zwischendurch auszuwaschen, benötigt man einen Wasserbehälter. Er sollte groß genug sein, sodass das Wasser lange frisch bleibt. Gut geeignet sind Joghurtbecher oder große Gläser – natürlich muss man sie vorher abwaschen.

Lappen oder Küchenrolle

Um überschüssige Farbe vom Pinsel abzutupfen oder eventuelle Korrekturen vorzunehmen, sollte man einen Mallappen verwenden. Hierfür eignet sich ein zum Beispiel ein altes Geschirrtuch oder anderes Stück Stoff. Alternativ kann man auch Küchenrolle verwenden. Hat man alle Utensilien zusammen, steht einem kreativen Ausleben der eigenen Ideen nichts mehr im Weg.

Bisher werden Dauermagneten für Elektromotoren noch unter Einsatz von bewährten und traditionellen Methoden hergestellt. Die Produktion mit Pulverkompression und Sintern oder das Spritzgussverfahren machen es allerdings immer nötig, den Magneten nachträglich noch zusammenzufügen. Forscher vom National Research Council of Canada haben es jetzt erstmals geschafft, ein neues Herstellungsverfahren zu erproben. Mithilfe von Kaltgasspritzen ist es ihnen gelungen, alle Produktionsschritte zu vereinen und ein neues 3D-Druckverfahren einzusetzen.

Was ist Kaltgasspritzen?

Die Methode des Kaltgasspritzens wird folgendermaßen vollzogen: Spezielles Pulver wird mit hoher Geschwindigkeit auf ein Trägermaterial geschossen. Gesteuert wird dies von einem Roboter. Die Düsen gehen dabei äußerst präzise und schnell vor. Große Produkte können in nur kurzer Zeit hergestellt werden. So ist es nun auch bei den Magneten der Fall.

Welche Vorteile bieten sich durch die neue Methode?

Wie bereits erwähnt, fallen viele zeitaufwändige Produktionsschritte weg. Somit werden auch die Produktionskosten gesenkt. Der Magnet wird komplett zusammenhängend hergestellt. Deshalb verfügt er über deutlich weniger Schwachstellen als gebräuchliche Magneten. Hinzu kommt, dass kein Zusammenbau notwendig ist. Durch die feste und zusammenhängende Verarbeitung wird es außerdem viel einfacher sein, die Magneten maschinell anzupassen und bearbeiten zu können. Daher besteht die Möglichkeit, in deutlich breiteres Spektrum an Designmöglichkeiten abzudecken. Des Weiteren bieten die modernen Magnete eine höhere Beständigkeit gegenüber Hitze, Korrosion und Oxidation an. Die Lebensdauer liegt deshalb weitaus höher als bei traditionell produzierten Magneten.

Ist das Produkt schon vollkommen ausgereift?

Perfekt sind die 3D-gedruckten Magneten natürlich noch nicht. Allerdings arbeiten die kanadischen Forscher stetig daran, weichere magnetische Materialien einzusetzen. Diese würden noch bessere Bearbeitungsmöglichkeiten bieten. Trotz dieser noch vorhandenen Verbesserungschance ist das Kaltgasspritzen definitiv zukunftsfähig. Dabei sind sich zumindest die kanadischen Forscher zu einhundert Prozent einig.

Wo können die kaltgasgespritzten Magnete zum Einsatz kommen?

Grundlegend sind die neuen Magneten für Elektromotoren entwickelt worden, z. B. für Elektroautos. Sie könnten damit einen weiteren Fortschritt in der elektrischen Mobilität bedeuten. Während dies als das Primärziel der Entwicklung markiert wurde, schauen die Forscher Fabrice Bernie und Jean-Michel Lamarre vom National Research Council of Canada schon weiter in die Zukunft. Sie hoffen, bald auch Magneten für andere Endprodukte herstellen zu können. Als Fernziel wurde daher auch festgelegt, dass Windkraftanlagen, Telekommunikation oder magnetische Kühlsysteme mithilfe des Kaltgasspritzens weiterentwickelt werden können. Bis dahin bietet sich allerdings noch ein stetiges Potential zu Verbesserung der neuen Technik, sodass diese ihren festen Platz auf dem Markt einnehmen kann. Die Zeit- und Kostenersparnis kann aber sicherlich schnell dafür sorgen, dass sich die neue Herangehensweise schnell etablieren wird.

Der 3D-Druck setzt sich langsam aber sicher in vielen Branchen durch. Mit Kunststoffen kann schon seit langer Zeit sehr gut gearbeitet werden. Bei Metallen war dies bis jetzt noch nicht immer der Fall. Das Problem liegt bei gedruckten Metallen in der Struktur. Metalle sind schwieriger zu bearbeiten. Bisher konnte man entweder feste und stabile Metalle oder flexible Metalle drucken. Eine Kombination aus beiden Aspekten war nicht möglich. Neuerdings wurden allerdings Forschungen durchgeführt, welche möglicherweise den Durchbruch auf diesem Gebiet bringen könnten.

Welche neuen Techniken gibt es?

Es gibt zwei vielversprechende neue Vorgehensweisen. Einerseits haben Forscher der Stockholm University, der University of Birmingham und der Zhejiang University ein neues 3D-Druckverfahren für Metalle entwickelt. Dieses Verfahren wird als SLM-Technik bezeichnet. Die Metalle werden im Drucker sehr schnell abgekühlt. Die Rate liegt bei unglaublich hohen Werten. Durch die fehlende Zeit zur Anpassung werden Mikrostrukturen innerhalb des Metalls ausgebildet. Diese sorgen dafür, dass eine mechanische Dehnbarkeit vorhanden ist. Zudem wird aber auch eine stabile Struktur erreicht. Folglich entsteht durch diese Technik ein flexibles und dennoch stabiles Metall.

Andererseits wurde von der Universität Kassel eine neue Methode zum 3D-Druck von Metallen vorgestellt. Hier wurde eine TRIP-Stahl-Legierung zugrunde gelegt. Durch ein Elektronen-Druck-Verfahren wird ein hohes Maß an Wärme erzeugt. Der Stoff nimmt so die Fähigkeit an, sich vor Brüchen und Schäden zu schützen. In Kombination mit der SLM-Technik können so enorm widerstandsfähige und stabile Edelstahle entstehen.

Wie wurde die SLM-Technik erprobt?

Unter Zuhilfenahme von Elektronenmikroskopen ist ein genaues Testen der 3D-Druckerzeugnisse möglich. Das von chinesischen Forschern entwickelte Verfahren dient dazu, die Metalle bestmöglich unter analytischen Gesichtspunkten zu betrachten. Die Erforschung und stetige Verbesserung der Mikrostrukturen kann somit pausenlos voranschreiten. So bietet sich die Möglichkeit, die metallischen 3D-Drucke ständig weiterentwickeln zu können.

Wo kann die neue Technik zum Einsatz kommen?

Vor allem Luft- und Raumfahrt werden von dieser neuen technischen Errungenschaft profitieren. Allerdings wird dies auch bei der Automobilbranche der Fall sein. Mithilfe der neuen SLM-Technik können sensible Bauteile hergestellt werden. Diese sind nun auch in flexibler, sowie stabiler Form, produzierbar. Dabei bieten die 3D-Drucker für Metalle äußerste Präzision. Eine reibungslose, schnelle und dennoch hochwertige Ausarbeitung von Edelstahl wird so erst möglich.

Bisher werden Gegenstände im 3D-Druck mit Metallen meist aus Titan gefertigt. Hierbei ist allerdings eine Nachbearbeitung der Druckerzeugnisse unausweichlich. Dieser aufwändige und kostenintensive Arbeitsschritt würde bei der neuen Vorgehensweise mit Edelstahl wegfallen.

Wenn man sich gerade einen nagelneuen 3D-Drucker bestellt hat und dieser endlich angekommen ist, stellt sich eine wichtige Frage. Was soll ich überhaupt drucken? Das Erstellen eigener 3D-Modelle erscheint zunächst zu kompliziert. Deshalb gibt es im Internet Hilfe. Eine ganze Reihe von Anbietern eröffnet ein großes Modellangebot. Dabei den Überblick zu behalten, fällt oft schwer. Einige bieten die Vorlagen kostenfrei an, andere fordern hingegen eine Bezahlung ein. Um die bestmögliche Wahl möglich zu machen, werden nun die besten fünf Anbieter von 3D-Modellen vorgestellt.

1. Thingiverse

Das Designangebot von Thingiverse zeichnet sich durch mehrere Faktoren aus. Die 2008 gegründete Website, bietet eine enorme Bandbreite an Modellen an. Die Orientierung auf der Seite fällt jedoch nicht besonders schwer. Denn die Suchfunktion ermöglicht ein unverzügliches Finden der präferierten Modelle. Die Open-Source Plattform bietet dabei allerlei Designformen an. Die verschiedenen Modelle können von Nutzern hochgeladen werden, sodass der Zugriff durch jede andere Person möglich wird. Bisher wurden beinahe 1.000.000 3D-Modelle zur Verfügung gestellt. Dabei entstehen keinerlei Kosten. Die Nutzung der Modelle von Thingiverse ist vollkommen kostenfrei. Bei der Orientierung und Suche besteht außerdem die Möglichkeit, auf die Android- oder iOS-App zurückzugreifen. Alle genannten Elemente sorgen im Zusammenspiel dafür, dass der amerikanische Anbieter als besonders nutzerfreundlicher Anbieter von 3D-Drucker-Vorlagen betrachtet werden kann.

2. YouMagine

Bei diesem niederländischen Anbieter sind ähnliche Vorgehensweisen erkennbar. Die Vielfalt an Modellen liegt mit knapp 15.000 jedoch noch deutlich niedriger als bei Thingiverse. Allerdings bietet sich YouMagine als willkommene Alternative an. Denn auch hier besteht die Möglichkeit, selbstentwickelte Designs mit anderen Nutzern zu teilen. Des Weiteren können fremde Modelle online betrachtet und an individuelle Präferenzen angepasst werden. Bei diesen Vorgängen ist keinerlei Zahlung von Gebühren notwendig. Es gilt jedoch anzumerken, dass YouMagine bisher nicht die Möglichkeit bietet, über Apps auf die Website zuzugreifen. Sie ist lediglich unter Nutzung eines einschlägigen Browsers erreichbar.

3. Pinshape

Der kanadische Anbieter Pinshape verfolgt ein anderes Geschäftsmodell als die beiden bisher genannten Websites. Er bietet zwar auch die Möglichkeit an, 3D-Modelle kostenfrei zu veröffentlichen. Dies ist jedoch nicht die einzige Vermarktungsweise. Denn jedem Designer steht die Entscheidung frei, ob er nicht etwa einen gewissen Preis für sein Modell verlangt. So sind nicht alle knapp 25.000 Designs auf Pinshape kostenlos verfügbar. Die Nutzerfreundlichkeit für Einsteiger ist deshalb nicht unbedingt in dem Maße gegeben, wie es bei Thingiverse oder YouMagine der Fall ist. Des Weiteren gibt es auch bei diesem Anbieter keine Möglichkeit, die Seite über Apps aufzurufen.

4. Threeding

Dieser kleine bulgarische Anbieter ermöglicht es, 3D-Modelle auch über Apps herunterzuladen. Mit knapp 1.000 verschiedenen Designs ist die Auswahl aber eher gering. Auch hier bietet sich die Möglichkeit zur monetarisierten Veröffentlichung von eigenen Designs. Eine kostenfreie Verfügung ist nicht immer gegeben.

5.Cults

Der französische Anbieter macht sowohl kostenlose, als auch kostenpflichtige 3D-Modelle, öffentlich zugänglich. Insgesamt kamen bis heute etwa 12.000 verschiedene Designs zustande. Der Zugriff auf diese kann jedoch ausschließlich über den Browser erfolgen, nicht etwa über spezielle Apps.

Sind alle Farben mit allen Verfahren kompatibel?

Nicht alle 3D-Druckvorgänge sind für den Farbdruck gleichgut geeignet. Daher sollte man sich vorher angucken, welches Produkt man herstellen möchte und ob man bei diesem auch in Farbe drucken möchte. Bei dem FDM-Verfahren ist es beispielsweise sehr schwierig, die Integration der Farben erfolgreich umzusetzen. Am einfachsten ist es bei diesem Verfahren, die verwendeten Filamente noch während des Druckvorganges auszutauschen oder gar mehrere Extruder zu verwenden. Somit kann man diverse Farben in den Druck miteinbauen. Da der Umbau des Druckers bei dem FDM-Verfahren problematisch und aufwendig ist, sieht man die mit dem Verfahren hergestellten Objekte oftmals nur als einfarbige Gegenstände.

Anders sieht es da schon aus mit so genanntem Powder Binding, also dem Pulverdruckverfahren, aus. Hier kann man Farben sehr gut und auch sehr simpel integrieren. Von 3D Systems gibt es schon extra Farbdrucker, wie beispielsweise die Markenserie „Color Jet Printing“. Diese Drucker gehen nach dem 3DP-Verfahren vor, bei dem einfach Klebstoff und Pulver nacheinander geschichtet werden und somit ein zusammenhängendes Objekt bilden. Der einzige Zusatz bei den Farbdruckern ist nun, dass es noch spezielle Tintenstrahldruckknöpfe gibt. Diese färben, je nach Codierung durch den Computer, das Pulver ein, bevor es weiterverarbeitet wird.

Es kommt also noch ein Zwischenschritt zur schichtweisen Verarbeitung dazu. Das Färben des Pulvers durch die Tinte muss bei jeder Schicht wiederholt werden. Die hierbei verwendete Tinte besteht aus CMYK-Farben. Damit liefert der Drucker ein farbiges Objekt, welches außergewöhnlich gut aussieht. Viele Farbvariationen sind möglich. Einen Nachteil hat das Verfahren jedoch, denn nach dem Druck müssen die Objekte aufwendig gereinigt werden. Um bei der Reinigung nicht die Färbung zu verlieren, muss eine weitere Schutzschicht aufgetragen werden. Daher sollte man das Verfahren, nur für optische Anwendungen benutzen. Für Designer und Architekten, die einen visuellen Prototyp benötigen, ist das Bindingverfahren mit Farbe empfehlenswert.

Weitere Möglichkeiten

Auch mit dem Polyjetting kann man einen 3D-Farbdruck erstellen. Die Tintenstrahltechnik ist vergleichbar mit der in herkömmlichen Druckern. Für das Verfahren in Zusammenhang mit Farben spricht eine große Auswahl an Farben und auch an Materialien. Jedoch sind die Objekte aufgrund deren UV-Licht-Behandlung besonders anfällig für Licht- und Wärmeabbau. Außerdem sind solche Maschinen relativ teuer und damit eher weniger für einen Farbdruck in 3D geeignet.

Als letztes Verfahren in Kombination gibt es das SDL-Verfahren, bei dem die Basis der Papierschichtungsprozess ist. Man bedruckt also mit unterschiedlichen Farben mehrere Blätter, die man dann aufeinander klebt und plastisch zurechtschneidet. Danach wird ein Lack über das Objekt gegeben, welcher erhärten muss. Vorteile des Verfahrens sind die große Farbauswahl und auch sehr gute Farbqualität. Dadurch, dass Tinte und Papier verwendet werden, handelt es sich um eine relativ kostengünstige Variante.

Ablauf der diversen Verfahren

Als erstes ist hier das Stereolithographie-Verfahren, kurz SLA-Verfahren, anzusprechen. Dieses beinhaltet bereits im Namen die Stereolithographie, mit deren Hilfe das Verfahren funktioniert. Man hat ein Harzbad aus Epoxidharz, welches punktuell mit gebündeltem UV-Licht bestrahlt wird. Das Harz, welches von UV-Licht bestrahlt wurde, härtet sofort aus und bildet somit nach einer Weile einen zusammenhängenden, festen Gegenstand. Das Objekt wird Schicht für Schicht von dem UV-Licht bestrahlt und härtet somit Schritt für Schritt aus. Am Ende holt man das Objekt aus dem Harzbad heraus und lässt dieses vollkommen aushärten. Wenn das fertige Druckstück jedoch zu groß ist für das Harzbad, dann wird der rausragende Teil erneut mit flüssigem Harz beschichtet und bestrahlt. Das geschieht solange, bis das Objekt fertiggestellt wurde.

Als nächstes ist das Muti-Jet-Modeling (MJM) zu erwähnen. Das Muti-Jet-Modeling wird oftmals als eine Mischung aus FDM und SLA beschrieben. Denn wie bei FDM wird das Material zuerst geschmolzen und dann durch kleine Düsen (oder Nano-Jets) auf die Plattform gegeben und plan gerollt. Hierbei werden bestimmte Stellen, wie beim SLA-Verfahren, von UV-Licht bestrahlt und härten somit aus. Der Druck erfolgt erneut Schicht für Schicht.

Das nächste Verfahren ist das Film Transfer Imaging (FTI), welches dem SLA-Verfahren sehr ähnelt. Hier werden jedoch anstatt UV-Laser Beamer verwendet. Weiterhin gibt es kein Harzbad, denn man verwendet eine Transportfolie, welche einen Film des Materials auf sich trägt. Daher auch der Name „Film Transfer Imaging“. Der Beamer führt zur punktuellen Aushärtung des Materials, welches dann kurzzeitig hochgehoben wird, um neues Material auf der Folie zu verteilen. Das Objekt wird immer wieder abgesenkt und erneut belichtet. Das Objekt wächst somit von unten nach oben.

Das letzte Verfahren in diesem Bereich ist Digital Light Processing (DLP). Es ist eine Mischung aus SLA- und FTI-Technik.

Grundlegend läuft der Druckvorgang wie beim FTI-Verfahren ab, jedoch entstehen die Objekte in einem Bad wie beim SLA-Verfahren.

Anwendungsgebiete der einzelnen Verfahren

Die Anwendungen des SLA-Verfahrens sind erneut hauptsächlich für private Haushalte geeignet, aber auch der Prototypenbau kann mit Hilfe der Technik umgesetzte werden. Sogar der industrielle Prototypenbau ist dabei miteingeschlossen. Auch bei den FTI-, DLP- und MJM-Verfahren ist als Hauptanwendungsgebiet der Prototypenbau angegeben.

Vor- und Nachteile der Verfahren

Ein großer Vorteil der SLA-Techniken ist die verbesserte Präzision sowie die höhere Geschwindigkeit im Vergleich zu den FFF- oder FDM-Verfahren. Jedoch müssen die Objekte oft nachgebessert werden. Zudem ist die Auswahl an möglichen Materialien relativ gering.

Die Vorteile des MJM-Verfahrens bestehen in der sehr hohen Genauigkeit und Präzision sowie der hohen Geschwindigkeit und der geringen Nachbearbeitungszeit, die bei der Fertigung anfallen. Der einzige Nachteil sind die hohen Kosten, die das Verfahren ungeeignet für den privaten Gebrauch machen. Auch dem FTI- und DLP-Verfahren kann man eine hohe Genauigkeit zuschreiben. Jedoch beinhaltet das Film Transfer Imaging einen hohen Materialaufwand. Und das Digital Light Processing hat das Problem des aufwendigen Entfernens der Stützkonstruktionen.

Ablauf des Verfahrens

Man kann sich das Verfahren wie eine Heißklebepistole vorstellen. Man gibt hinten das Material, welches man verbrauchen will, in Form eines festen Stoffes bzw. Stäbchens hinein. Dieses wird dann erwärmt bzw. eher geschmolzen und dann in die passende Form gebracht und kann aushärten. Um keine Druckstellen durch die Plattform zu erhalten, wird diese ebenfalls erwärmt. Das Material gelangt durch sogenannte Extruder, welche als Fördergerät bekannt sind.

Je nach verwendetem Material werden die Bewegung und die Dauer des Vorgangs verändert. Denn manche Materialien härten schneller aus als andere und müssen daher schneller verarbeitet werden. Es ist unterschiedlich, ob man zum Herstellen die Düse oder die Plattform darunter bewegt. Bei dem Verfahren ist zu beachten, dass erst die nächste Schicht aufgetragen wird, wenn die untere ausgehärtet ist. Auf diesem Prinzip sind die meisten 3D-Drucker derzeit aufgebaut. Sie verwenden also das FFF- oder FDM-Verfahren und das, wie bei vielen anderen, mit einem Schichtsystem, bei dem Schicht auf Schicht aufgetragen wird. Die beiden Kürzel des Verfahrens sagen eigentlich nur aus, dass etwas geschmolzen und dann verarbeitet wird. Öfter hört man jedoch FDM oder „Fused Deposition Modeling“ als Bezeichnung für das Verfahren.

Die Anwendungsgebiete des Verfahrens

Das Verfahren wird bisher in den meisten 3D-Druckern verwendet und wurde dort stetig weiterentwickelt und verbessert. Zu den Anwendungsgebieten von FFF oder FDM zählen heutzutage hauptsächlich private Haushalte. Auch im Prototypenbau ist das Verfahren sehr beliebt. Weiterhin gibt es bereits einen sogenannten 3D-Stift, welcher nach dem Prinzip aufgebaut ist und mit dem man diverse 3-dimensionale Gegenstände „zeichnen“ kann.

Vor- und Nachteile

Ein großer Vorteil von FFF oder FDM ist, dass diese Techniken farblich beeinflusst werden können und man farbige bzw. bunte Objekte herstellen kann. Die Qualität der Produkte ist jedoch abhängig von den Materialien und den angepassten Einstellungen sowie von der Präzision der Bewegung und dem Extruder des Druckers. Zudem beschränkt sich das Verfahren hauptsächlich auf das Verarbeiten von Kunststoffen, welche leicht zu schmelzen sind. Das gesamte Verfahren ist relativ günstig und simpel.

Leider hat es einige Schwächen, denn mehrmalige Neukalibrierungen sind kaum auszuschließen. Oft müssen die Produkte aus solchen Geräten nachbearbeitet und mit Stützstrukturen ausgestattet werden. Ein weiterer Makel der Produkte sind die klar erkennbaren Schichten, welche das Produkt optisch abwerten. Die meisten Produkte wirken sehr stabil, jedoch sind sie oftmals nicht oder kaum belastbar.

Allgemeine Informationen

Das Verfahren kommt aus dem Bereich „Additive Layer Manufacturing“, das heißt hier werden mehrere verschiedene Schichten also Layers übereinandergelegt. Bei dem so genannten 3DP, also dem 3D-Druck mit Pulver, wird von einem oder mehreren verschiedenen Druckknöpfen ein Klebstoff abgegeben, auf den dann Pulver gelangt, danach wieder eine Schicht Klebemittel und dann Pulver und so weiter. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Klebstoff nur die Partikel des Pulvers miteinander verbindet. Um das Pulver auf den Klebstoff zu bekommen, wird das Pulverbett immer um eine Schicht nach unten versetzt. Somit wächst das Objekt von unten nach oben heraus. Das Prinzip wird solange wiederholt, bis man das fertige Produkt hat. Man erstellt hier also aus verschiedenen 2D-Schichten eine 3D-Konstruktion. Die Abgabe des Klebemittels ist vergleichbar mit der Abgabe der Tinte bei einem normalen Drucker. Man druckt sozusagen mehrere Schichten Klebemittel aus.

Das nächste und ein dem 3DP sehr ähnlichen Verfahren ist das Selektive Laserschmelzen (SLS). Das Verfahren ist auch als Selective Laser Melting (SLM) bekannt und verwendet als Edukt wie 3DP auch Pulver. Jedoch verwendet man hier keinen Klebstoff, sondern man benutzt einen CO₂-Laser. Mit dem sogenannten Hochleistungslaser lassen sich dann unter einer Schutzatmosphäre die einzelnen Layer von Pulver einfach verbinden.

Zuletzt ist hier noch das Electron Beam Melting (EBM) oder auch Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)-Verfahren zu erwähnen, bei dem auch wieder Pulver verwendet wird. Jedoch wird das Pulver hier mithilfe von einem Elektronenstrahl verschmolzen und lässt so unter Vakuum erneut Schicht für Schicht den gewünschten Gegenstand entstehen. Dann muss nur noch, wie bei dem SLM Verfahren, das Objekt vom restlichen Pulver befreit werden.

Wo wird das Verfahren angewendet?

Das EBM/ EBAM-Verfahren wird teilweise zum Herstellen von Bauteilen für Flugzeuge verwendet. Beispielsweise findet man in einer Turbine eines Flugzeuges bereits heute schon so hergestellte Teile. Auch die anderen Verfahren wie SLS und 3DP werden in der Industrie häufig verwendet und sparen somit Zeit.

Was sind Vor- und Nachteile der Verfahren?

Ein großer Vorteil von 3DP ist die große Auswahl an Materialien, die man hat, da man diverse Stoffe für Kleber sowie Pulver verwenden kann. Auch wird hierbei durch überschüssiges Pulver eine Art Stützstruktur für das Objekt aufgebaut und man kann damit noch weitere Hohlräume erschaffen. Jedoch sind die Geräte für das Verfahren derzeit noch sehr teuer. Weiterhin muss man die Objekte meistens hinterher erneut bearbeiten, damit sie so sind, wie man sie möchte.

Ein großer Vorteil von SLS bzw. SLM ist, dass man hier zusätzlich zu Kunststoffen auch Metalle, Keramiken sowie Sand verarbeiten kann. Im Vergleich zu dem EBM-Verfahren ist die Auflösung besser. Jedoch ist die Produktion mit EBM schneller. Man kann mit EBM zugleich Metalle verwenden, die eine hohe Schmelztemperatur haben. Dabei wird durch das Vakuum ein stabiles und sehr festes Objekt garantiert, ohne Sauerstoff kann es sich nicht in dem Objekt einlagern. Es lässt sich letztendlich sagen, dass die Qualität der Produkte abhängig ist von den Edukten.

So funktioniert das Verfahren

Das 2015 vorgestellte Verfahren wurde von Carbon 3D entwickelt. Das Continuous Liquid Interface Production, kurz CLIP-Verfahren, soll die Problematik anderer 3D-Drucker beheben. Hierzu wird eine Photopolymerisation von flüssigem Resin durchgeführt. Dieses wird im Folgenden als Harz beschrieben. Das Harz wird in einem Tank als eine Art Harzbad gelagert. Am Boden dieses Gefäßes befindet sich eine kontaktlinsenähnliche Schicht, welche luft- und lichtdurchlässig ist. Mit Hilfe von einem UV-Licht wird ganz unten im Tank, in der sogenannten „deadzone“, welche durch Sauerstoff erzeugt wurde, das Harz gezielt geschmolzen und gleichzeitig leicht erhärtet. Durch die Hinzugabe von Sauerstoff härtet der Harz jedoch nicht zu früh aus.

Daraufhin wird die sogenannte „Build-Plattform“ hochgezogen. Die Plattform ist eine flexible Platte, auf der das Produkt entsteht. Zu Beginn des Druckvorganges wird sie nach ganz unten gefahren, um dort den Beginn des Druckes zu unterstützen. Während des Druckvorganges wird die Plattform kontinuierlich aus dem Harzbad gezogen und legt dann das erhärtete Objekt frei.

Wenn das Objekt fertig ist und komplett aus dem Tank gezogen wurde, ist der Druckvorgang beendet. Entscheidend bei dem Verfahren ist die Steuerung durch UV-Licht und Sauerstoff. Diese erstellen das Objekt durch diverse chemische Prozesse. Hierfür benötigt man jedoch die passende Software von Carbon3D.

Wo kann dieses Verfahren angewendet werden?

In dem Verfahren können jegliche Polymere verarbeitet werden, somit und durch die hohe Geschwindigkeit kann das Verfahren in diversen Bereichen verwendet werden. Die einzigen Grenzen sind, dass man nur Polymere als Edukte verwenden kann und die Software sowie den CLIP-Drucker benötigt.

Was sind die Vor- und Nachteile des CLIP Verfahrens?

Der einzige Nachteil, den man bisher kennt, ist, dass man den Drucker sowie die spezielle Software dazu braucht. Im Gegensatz dazu stehen jedoch auch einige Vorteile. Beispielsweise verspricht Carbon3D, dass das Verfahren 25- bis 100-mal schneller ist als andere 3D-Druckverfahren. Das liegt daran, dass man nicht jede Schicht einzeln drucken und zusammenkleben muss, auch ist die Oberfläche eine ganz andere, denn man sieht bei den entstandenen Produkten mit CLIP keinerlei Rillen bzw. Schichten.

Vor allem unter dem Mikroskop betrachtet, erkennt man den eindeutigen Unterschied zwischen CLIP und anderen Verfahren. Somit haben die Objekte auch weniger Schwachstellen. Weiterhin kann man jegliches Polymer als Edukt verwenden und hat somit eine Flexibilität bei den Eigenschaften der Produkte. Vor allem mit den letzten beiden Aspekten steigt die Qualität der Produkte an und revolutioniert somit das 3D-Drucken.