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Die Vorteile des 3D-Drucks

Geschrieben von Ben Redwood

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The Advantages of 3D Printing

Einführung

Der 3D-Druck erzeugt Teile, indem Objekte schichtweise aufgebaut werden. Diese Methode bietet viele Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungstechniken (z.B. CNC-Bearbeitung), von denen die wichtigsten, die für die gesamte Branche gelten, in diesem Artikel behandelt werden.

3D-Druck wird wahrscheinlich viele traditionelle Herstellungsmethoden nicht ersetzen, aber es gibt viele Anwendungen, bei denen ein 3D-Drucker in der Lage ist, ein Design schnell und mit hoher Genauigkeit aus einem funktionalen Material zu liefern.

Das Verständnis der Vorteile des 3D-Drucks ermöglicht es den Designern, bessere Entscheidungen bei der Auswahl eines Herstellungsverfahrens zu treffen und ein optimales Produkt zu liefern.

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3D-Druck mit Kunststoff 3D-Druck mit Metall

Geschwindigkeit

Einer der Hauptvorteile der additiven Fertigung ist die Geschwindigkeit, mit der Teile im Vergleich zu traditionellen Fertigungsmethoden hergestellt werden können. Komplexe Designs können von einem CAD-Modell hochgeladen und in wenigen Stunden gedruckt werden. Dies hat den Vorteil, dass Designideen schnell überprüft und entwickelt werden können.

Wo es in der Vergangenheit Tage oder sogar Wochen gedauert haben kann, bis ein Prototyp geliefert wurde, gibt die additive Fertigung innerhalb weniger Stunden ein Modell in die Hände des Konstrukteurs. Während die eher industriellen Maschinen zur additiven Fertigung länger zum Drucken und zur Nachbearbeitung eines Teils benötigen, bietet die Möglichkeit, funktionale Endteile in geringen bis mittleren Stückzahlen zu produzieren, einen enormen Zeitvorteil im Vergleich zu traditionellen Fertigungstechniken (oft kann die Vorlaufzeit allein bei einem Spritzgusswerkzeug Wochen betragen).

Eine individuell gestaltete funktionale Halterung, 3D gedruckt mit SLS-Nylon.

Herstellung in einem Schritt

Eines der größten Anliegen eines Konstrukteurs ist es, ein Teil so effizient wie möglich herzustellen. Die meisten Teile erfordern eine große Anzahl von Fertigungsschritten, wenn sie mit traditionellen Technologien hergestellt werden. Die Reihenfolge dieser Schritte beeinflusst die Qualität und Umsetzbarkeit des Designs.

Betrachten Sie eine kundenspezifische Stahlhalterung, die mit traditionellen Fertigungsmethoden hergestellt wird:

Ähnlich wie bei der additiven Fertigung beginnt der Prozess mit einem CAD-Modell. Sobald der Entwurf abgeschlossen ist, beginnt die Fertigung mit dem ersten Zuschnitt der Stahlprofile. Die Profile werden dann in Position eingespannt und nacheinander verschweißt, um die Halterung zu bilden. Manchmal muss eine kundenspezifische Spannvorrichtung angefertigt werden, um sicherzustellen, dass alle Komponenten korrekt ausgerichtet sind. Die Schweißnähte werden dann poliert, um eine gute Oberflächenqualität zu erzielen. Als Nächstes werden Löcher gebohrt, damit die Halterung an der Wand montiert werden kann. Zum Schluss wird die Halterung sandgestrahlt, grundiert und lackiert, um ihr Aussehen zu verbessern.

Maschinen für die additive Fertigung schließen einen Druck in einem Schritt ab, ohne dass der Maschinenbediener während der Druckphase eingreifen muss. Sobald der CAD-Entwurf fertiggestellt ist, kann er in einem Schritt in wenigen Stunden auf die Maschine hochgeladen und gedruckt werden.

Die Möglichkeit, ein Teil in einem Schritt herzustellen, reduziert die Abhängigkeit von verschiedenen Herstellungsverfahren (Bearbeitung, Schweißen, Lackieren) erheblich und gibt dem Konstrukteur eine größere Kontrolle über das Endprodukt.

Das 3D-Druckverfahren (rot) im Vergleich zum traditionellen Herstellungsverfahren (schwarz).

Kosten

Die Herstellungskosten lassen sich in 3 Kategorien unterteilen: Maschinenbetriebskosten, Materialkosten und Arbeitskosten.

Maschinenbetriebskosten: Die meisten 3D-Desktopdrucker verbrauchen die gleiche Menge an Energie wie ein Laptop-Computer. Industrielle additive Fertigungstechnologien verbrauchen dagegen eine hohe Menge an Energie, um ein einzelnes Teil herzustellen. Die Fähigkeit, komplexe Geometrien in einem einzigen Schritt zu produzieren, führt jedoch zu höherer Effizienz und zu einem höheren Durchsatz. Die Betriebskosten von Maschinen tragen in der Regel am wenigsten zu den Gesamtkosten der Herstellung bei.

Materialkosten: Die Materialkosten für die additive Herstellung variieren je nach Technologie erheblich. Desktop-FDM-Drucker verwenden Filamentspulen, die etwa 25 USD pro kg kosten, während für das SLA-Drucken Harz erforderlich ist, das etwa 150 USD pro Liter kostet. Die Bandbreite der für die additive Fertigung verfügbaren Materialien macht einen Vergleich mit der traditionellen Fertigung schwierig. Nylonpulver, das beim SLS verwendet wird, kostet etwa 70 USD pro kg, während vergleichbare Nylonpellets, die im Spritzguss verwendet werden, für nur 2 - 5 USD pro kg gekauft werden können. Die Materialkosten sind der größte Kostenfaktor bei einem Teil, das durch additive Fertigung hergestellt wird.

Arbeitskosten: Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks sind die niedrigen Arbeitskosten. Abgesehen von der Nachbearbeitung benötigen die meisten 3D-Drucker nur einen Bediener, der einen Knopf drückt. Die Maschine folgt dann einem vollständig automatisierten Prozess zur Herstellung des Teils. Verglichen mit der traditionellen Fertigung, bei der in der Regel hoch qualifizierte Maschinenführer und Techniker benötigt werden, sind die Arbeitskosten für einen 3D-Drucker nahezu Null.

Die additive Fertigung bei geringen Stückzahlen ist im Vergleich zur traditionellen Fertigung sehr wettbewerbsfähig kalkuliert. Für die Herstellung von Prototypen, mit denen Form und Passung überprüft werden sollen, ist der 3D-Druck wesentlich kostengünstiger als andere alternative Herstellungsverfahren (z.B. Spritzguss) und oft auch konkurrenzfähig für die Herstellung von einmaligen Funktionsteilen. Traditionelle Fertigungstechniken werden mit zunehmendem Volumen günstiger, da die hohen Einrichtungskosten bei großen Produktionsmengen gerechtfertigt sind.

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3D-Druck mit Kunststoff 3D-Druck mit Metall

Risikominderung

Die Bestellung eines fehlerhaften Prototyps kostet den Designer Zeit und Geld. Selbst kleine Änderungen an einer Form oder einem Herstellungsverfahren können große finanzielle Auswirkungen haben.

Die Möglichkeit, einen Entwurf durch das Drucken eines serienreifen Prototyps zu verifizieren, bevor in teure Fertigungseinrichtungen (z.B. Formen oder Werkzeuge und Vorrichtungen) investiert wird, eliminiert das Risiko während des Prototyping-Prozesses. Dies hilft, Vertrauen in das eigene Design aufzubauen, bevor man die für die Massenproduktion erforderlichen großen Investitionen tätigt.

Komplexität und Gestaltungsfreiheit

Die Einschränkungen, die durch die traditionelle Herstellung auferlegt werden, sind für die additive Herstellung im Allgemeinen nicht relevant. Da die Komponenten schichtweise aufgebaut werden, gelten bei der Konstruktion von Teilen, die in 3D gedruckt werden sollen, keine Konstruktionsanforderungen wie Entwurfswinkel, Hinterschneidungen und Werkzeugzugriff.

Es gibt zwar einige Einschränkungen hinsichtlich der Merkmale der Mindestgrößen, die präzise gedruckt werden können, aber die meisten Einschränkungen der additiven Fertigung betreffen die optimale Ausrichtung eines Drucks, um die Abhängigkeit von der Abstützung und die Wahrscheinlichkeit eines Fehldrucks zu verringern. Dies gibt den Designern eine große Designfreiheit und ermöglicht die einfache Erstellung sehr komplexer Geometrien.

Komplexe und komplizierte Designs können mit einigen 3D-Drucktechnologien leicht hergestellt werden.

Individuelle Anpassung

Der 3D-Druck ermöglicht nicht nur mehr Designfreiheit, sondern auch die vollständi individuelle Anpassung von Designs. Da die derzeitigen additiven Fertigungstechnologien sich durch die Einzelteilfertigung auszeichnen, eignen sie sich perfekt für die Einmalfertigung.

Dieses Konzept wurde von der medizinischen und zahnmedizinischen Industrie für die Herstellung von maßgefertigtem Zahnersatz, Implantaten und zahnärztlichen Hilfsmitteln übernommen. Von hochwertiger Sportausrüstung, die perfekt auf einen Sportler zugeschnitten ist, bis hin zu maßgefertigten Sonnenbrillen und Modeaccessoires ermöglicht die additive Fertigung eine kostengünstige Einzelfertigung von maßgefertigten Teilen.

Individuell anpassbare, 3D-gedruckte Kopfhörer, die von Print+ entworfen wurden

Leichter Zugang

Während es die additive Fertigung seit mehr als 30 Jahren gibt, ist der Großteil des Wachstums seit 2010 zu verzeichnen. Dies musste dazu führen, dass eine große Anzahl von 3D-Druckern in die Branche gelangte, wodurch es für Designer wesentlich einfacher wird, Zugang zu additiver Fertigungstechnologie zu erhalten.

Allein im Jahr 2015 wurden weltweit mehr als 278.000 Drucker für die additive Fertigung im Wert von unter 5000 USD verkauft. Die Zahl der verkauften Drucker hat sich seitdem kontinuierlich verdoppelt. Was ursprünglich eine Nischentechnologie war, die nur für ein kleines Segment der verarbeitenden Industrie zugänglich war, ist heute eine leicht verfügbare und kostengünstige Methode der Teileproduktion, die von einer Vielzahl von Branchen genutzt wird.

Anzahl der weltweit verkauften Drucker unter 5000 USD pro Jahr - Wohlers Bericht 2015

Nachhaltigkeit

Subtraktive Fertigungsmethoden, wie CNC-Fräsen oder Drehen, entfernen eine beträchtliche Menge an Material von einem Ausgangsblock, was zu großen Mengen an Abfallmaterial führt.

Bei additiven Fertigungsmethoden wird im Allgemeinen nur das Material verwendet, das für die Herstellung eines Teils benötigt wird. Die meisten Prozesse verwenden Rohstoffe, die recycelt und in mehr als einem Druck wiederverwendet werden können. Infolgedessen produziert der additive Herstellungsprozess sehr wenig Abfall.

3D-gedrucktes Zubehör von Fairphone, das auf Anfrage aus recyceltem Holzfasermaterial hergestellt wird

Die Zunahme der Zahl der Maschinen für die additive Fertigung in der Welt hat sich auch auf die Entfernung, über die Prototypen ausgeliefert werden, ausgewirkt:

Da 3D-Tischdrucker eine relativ flache Lernkurve haben, bis sie erfolgreich arbeiten, müssen die Entwürfe nicht zu einem Experten geschickt werden, um sie herzustellen. Darüber hinaus sind die ökologischen Auswirkungen eines industriellen additiven Fertigungssystems viel kleiner als die einer traditionellen Produktionsstätte.

Aus diesem Grund werden weltweit professionelle 3D-Druckdienste geschaffen, selbst an Orten, an denen die Grundstückskosten hoch sind (z.B. in London oder New York). Die Verringerung des Versandbedarfs hat eine positive Auswirkung auf die Umwelt. Zusammen mit der Möglichkeit, Ersatzteile vor Ort zu drucken und zu produzieren, führt dies zu viel geringeren CO2-Emissionen für die meisten Teile, die durch additive Fertigung hergestellt werden.

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