3D-Druck – für schnellere Prototypen-
Erstellung und inspirierende Entwicklungen

3D-Druck – für schnellere Prototypen-Erstellung und inspirierende Entwicklungen
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22.12.2014 | Der 3D-Druck hat sich schnell zu einem integralen Bestandteil im Elektronik-Design-Prozess entwickelt. Immer mehr Unternehmen erkennen die Vorteile dieser Technik, die es erlaubt, schnell Prototypen zu erstellen und so Entwicklungszeiten um Monate zu verkürzen.

Bisher existierten einige Hürden für den flächendeckenden Einsatz des 3D-Drucks. Dazu zählten insbesondere die hohen Preise der Hardware sowie komplizierte Design-Software, die es Nicht-CAD-Spezialisten erschwerte, den Einstieg zu finden. Nun schafft der Open-Source Autoreplikations-3D-Drucker Ormerod Abhilfe. Er ist geeignet für Open-Source-Projekte wie auch zur Autoreplikation und entstammt der RepRap-Initiative. Der Ormerod 3D-Drucker bietet Unternehmern und Entwicklern im Zusammenspiel mit der Modellierungssoftware DesignSpark Mechanical die Chance, Produktentwicklungen zu beschleunigen und Innovationen zu fördern, so Mark Cundle, Leiter des technischen Marketings bei RS Components.


Der dreidimensionale 3D-Druck, auch „Additives Manufacturing“ genannt, stellt eine Revolution im Bereich der Produktentwicklung und auch für einige Bereiche der Herstellung dar. Ziel ist die Produktion eines Festkörpers mithilfe eines CAD-Modells (Computer Aided Design) und eines generativen Fertigungsprozesses. Grundsätzlich werden dabei verschiedene Materiallagen (Plastik, Metall, etc.) in verschiedenen Formen aufgetragen. Traditionelle Herstellungstechniken basieren oft auf subtraktiven Verfahren, bei denen Material abgetragen wird - sozusagen wie ein Bildhauer, der die unnötigen Teile eines Marmorblocks beseitigt, um Auguste Rodin frei zu zitieren.


Obwohl der 3D-Druck in der öffentlichkeit erst seit etwa einem Jahr ein Thema darstellt, läuft die Entwicklung bereits seit den 80ern. Es gibt zahlreiche 3D-Druckmethoden, darunter FDM (Fused Disposition Modelling), der aktuell beim preiswerten 3D-Druck am weitesten verbreitete Prozess, SLA (Stereo Lithography), EBM (Electron Beam Melting), LOM (Laminated Object Manufacturing) und viele andere. Diese Techniken werden in zahlreichen Industriebranchen zunehmend zum Rapid Prototyping und zuweilen auch zur Fertigung verwendet. Einsatzbereiche sind Engineering, Bauwesen, Fahrzeugbau, Verteidigungswesen, Medizin und auch zahlreiche Verbraucherbranchen, wie die Bekleidungsindustrie.

 


Steigende Verbreitung


Seit der Jahrtausendwende sind die Verkaufszahlen von 3D-Druckern stark gestiegen, und dank der schnell sinkenden Preise werden sie immer attraktiver: Modelle für den Massenmarkt sind inzwischen für unter 2.000,-€ zu haben. Ein jüngerer Marktforschungsbericht des Analysten Markets&Markets prognostiziert ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 23% für 3D-Drucker zwischen 2013 und 2020, mit einem Zielvolumen von $8,41 Milliarden.


Der 3D-Druck verwandelt sich von einer Nischentechnologie, die vor allem von großen Unternehmen eingesetzt wird, zu einem Massenmarkt für Verbraucher und kleine Unternehmen. 3D-Drucker könnten auch zu Hause eingesetzt werden, um dort die Kosten für den Einkauf üblicher Haushaltsprodukte einzusparen. Die Technik wird immer zugänglicher; bald werden Verbraucher selbst verschiedene Produkte herstellen können, die mit denen großer Unternehmen vergleichbar sind.


Aus diesem Bereich gibt es ein interessantes Zitat des Dotcom-Pioniers Joe Kraus, der vor ein paar Monaten in „In Business“, einer BBC Radio-Sendung, Folgendes über die aktuelle Revolution in Sachen Herstellung und Produktion sagte: “Im 20. Jahrhundert ging es um einige Dutzend Märkte mit Millionen von Kunden. Im 21.Jahrhundert geht es um Millionen von Märkten mit einigen Dutzend Kunden.” Es ist durchaus wahrscheinlich, dass der 3D-Druck, zusammen mit anderen Entwicklungen, wie z. B. Open Source, eine wichtige Rolle dabei spielen wird, eine Zukunft zu schaffen, in der Anpassung an individuelle Verbraucher-Wünsche und eine optimierte Nutzeranpassung wichtiger ist, als der althergebrachte Ansatz der Massenware und „Produkte von der Stange“.


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Schnelles Prototyping – Stunden statt Wochen


Der 3D-Druck macht sich bei der Produkt-Entwicklung in vielen Branchen bemerkbar, besonders bei der Herstellung geringer Stückzahlen oder individualisierter Produkte. Für die Produktion großer Stückzahlen stößt die Technik allerdings an ihre Grenzen. Beim 3D-Druck werden Produkte in Schichten aufgebaut. Das bedeutet, dass die strukturelle Integrität der Komponenten dem Einsatz in Produktionsgeräten nicht unbedingt gewachsen ist. Aus diesem Grund wird der 3D-Druck die Produktion mit geschmolzenem Metall in absehbarer Zeit nicht ersetzen können. Für die Produktion großer Stückzahlen ist hingegen die Schnelligkeit der Protoypenfertigung mithilfe des 3D-Drucks von großer Bedeutung, denn zur Erstellung von Prototypen sind keine Maschinenkenntnisse mehr erforderlich. Dies ermöglicht eine schnellere Markteinführung und mehr Freiheit beim Entwurf.


Die Produktentwicklung hat sich in zahlreichen Branchen verbessert wie beispielsweise in der Automobilindustrie, der Verbrauchertechnik bis hin zur Fertigung medizinischer Geräte. Die 3D-Drucktechnik dient in großen und kleinen Unternehmen der Entwicklung und Erprobung neuer Konzepte als eine Alternative zum Einsatz speziell gefertigter Maschinen-Werkzeuge zur Herstellung von Prototypen für neue Teile oder Komponenten. Dank dieser Methode können Produktentwickler Prototypen innerhalb von Stunden erstellen, statt wie bisher, Wochen oder Monate warten zu müssen. Doch das Verfahren bietet mehr als nur Zeit und Kosteneinsparungen. Rapid Prototyping per 3D-Druck ermöglicht innovativere und hochwertigere Produkte. Produktentwickler müssen nicht mehr darauf warten, dass ihre Teile oder Werkzeuge von externen Werkstätten oder Spritzgussunternehmen angeliefert werden. 3D-Drucker ermöglichen den physischen Test sowie die weitere Optimierung und Verbesserung von Prototypen, bevor das Produkt in die Massenfertigung geht.

 

 

RepRap und Autoreplikation

 

Aktuelle Trends beim 3D-Druck sind Open Source-Initiativen und die Entwicklung selbst replizierender 3D-Drucker: Stellen Sie sich vor ein 3D-Drucker könnte sich selbst duplizieren? Das „Replicating Rapid Prototyper“-Projekt, auch „RepRapPro“ genannt, wurde 2004 von Adrian Bowyer, einem früheren Professor für Maschinenbau an der Universität von Bath, UK, gegründet. Ziel war, der öffentlichkeit 3D-Druckmöglichkeiten zu einem annehmbaren Preis zur Verfügung zu stellen. Einfach gesagt ist das RepRap-Projekt eine Initiative zur Entwicklung eines preiswerten 3D-Druckers, der den Großteil seiner Komponenten selbst drucken kann.


RepRap-Drucker verwenden eine auf FDM (Modellbau aus schmelzbarem Material) basierende 3DDruckmethode, wobei eine computergesteuerte Kunstoff-Klebepistole und ein in eine erwärmte Kammer eingeführter Kunstoffdraht eingesetzt werden. Der Kunststoff wird über eine feine Düse eingespritzt, um eine erste Lage auf einer Bodenplatte zu erzeugen, die dann Schritt für Schritt abgesenkt wird, um Platz für die nächste Lage zu schaffen usw.


Gemäß Bowyers Vorstellungen gibt es bei RepRap eine symbiotische Beziehung zwischen Maschinen und Menschen: Die Maschinen sind Blumen, die etwas erzeugen, Menschen sind Insekten, die bei der Vervielfältigung behilflich sind. Während die Maschine alle ihre Plastikteile selbst herstellen kann, bestimmt RepRap, dass alle weiteren für die Erzeugung einer Kopie der Maschine erforderlichen Komponenten, darunter Elektromotoren, Elektronik-Baugruppen und verschiedene andere Bauteile (Gewindestäbe aus Metall, etc.) zwei Bedingungen erfüllen müssen: Sie müssen relativ günstig, einfach erhältlich und für jedermann verfügbar sein.


Einer der grundlegenden Beweggründe von RepRap ist es, den 3D-Druck allen zugänglich zu machen. Entsprechend ist das Projekt grundsätzlich ein Open- Source-Projekt. Was immer sich selbst vervielfältigen kann unterliegt den Gesetzen der Evolution; da es sich um eine Maschine handelt, die ihre eigenen Teile herstellen kann, müssen die Designdateien leicht verfügbar sein. Allerdings wird sich die Maschine nicht durch zufällige Mutation weiterentwickeln, sondern eher entlang der Linien eines selektiven Programms, wie es bei der Entwicklung von Linux oder Open Source der Fall ist. Die Mitglieder der RepRap-Gemeinde werden das Design unweigerlich verbessern, es optimieren oder einfacher kopierbar machen, und natürlich werden diese Verbesserungen im Web veröffentlicht werden. Benutzer, die eine ältere RepRap-Maschine besitzen, können mit dieser dann eine neue, auf dem verbesserten Design basierende Maschine erzeugen.


Das Projekt war sehr erfolgreich: Es gibt inzwischen verschiedene günstige Drucker auf dem Markt, die meisten davon basieren auf RepRap. Bei einer jüngeren Umfrage zum 3D-Druck (Manufacturing in Motion, Moilanen, J. & Vadén, T) zeigte sich, dass das RepRap-Projekt den größten Marktanteil hat. Um das Konzept weiter zu fördern, startete 2011 RepRapPro als kommerzieller Zweig des RepRap- Projekts. Die ersten verfügbaren RepRapPro 3D-Drucker hießen Huxley und Mendel; beide wurden für einige Hundert Euro als Bausätze angeboten, mit oder ohne gedruckte Kunststoffkomponenten. Jetzt ist die nächste RepRap-Generation verfügbar – der Ormerod.


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RepRapPro Ormerod


Das preiswerte RepRapPro Ormerod 3D-Druck-Kit ist jetzt bei RS verfügbar. Zusammen mit der kostenlosen 3D-Software DesignSpark Mechanical ermöglicht der Drucker Designern auf der ganzen Welt die unerhört schnelle und preisgünstige Entwicklung fortschrittlicher Konzepte und Produkte. Der Ormerod ist für kleine Fertigungszahlen geeignet und damit einer der vielseitigsten verfügbaren 3D-Drucker; seine Möglichkeiten können leicht erweitert werden, und er kann schnell dupliziert und zusammengebaut werden.


Wie seine Vorgänger verwendet der Ormerod ebenfalls "Schmelzschichtung" (auch FDM genannt), um 3D-Objekte aus verschiedenen Kunststoffen und in unterschiedlichen Farben herzustellen. Dieses Verfahren ermöglicht es dem Benutzer, fast jede Form, die auf einem Computer modelliert werden kann, selbst herzustellen – einschließlich einiger Formen, die mit traditionellen Fertigungsverfahren nicht umsetzbar sind. Obwohl es sich beim Ormerod um einen monochromen, auf die Verwendung von jeweils einer Kunststoffart ausgelegten 3D-Drucker handelt, wurde der Gerätekopf schon für dreifarbigen Druck vorbereitet; ein Erweiterungskit wird bald verfügbar sein. Zudem wurde die Elektronik des Ormerod überarbeitet und erlaubt nun den Zugriff über einen Webbrowser. Weiter ist seine Konstruktion viel einfacher als die des Mendel, dessen Zusammenbau in der Regel Tage dauerte. Beim Ormerod werden nur wenige Stunden benötigt, was ihn sehr viel attraktiver macht.


Der RepRapPro Ormerod wird als Bausatz mit allen benötigten Komponenten verschickt und beinhaltet: alle gedruckten Teile, die gesamte Hardware, inklusive Gewinde- und Kolbenstangen, Schrauben, Muttern, Zahnriemen und Lager; vorgelötete und programmierte Elektronik; MicroSDKarte mit Adapter; beheizbare Montageplatte; Motoren; Düsenbaugruppe und Extruder-Antriebsmechanismus; 100 m 1,75 mm-PLA (Polymilchsäure)-Filamentmaterial (ca. 300 g); Netzteil (EU, UK, US, Australien); sowie die Software zum Betrieb des Geräts, inklusive der Elektronik-Firmware. Zu den weiteren Merkmalen des Ormerod zählen: Genauigkeit 0,1 mm, Auflösung 0,0125 mm, Aufschichttempo 1,8 mm/Minute, Ablagerungsrate 33 cm3/Stunde.


Die preiswerte 3D-Drucktechnik öffnet dank des RepRapPro Ormerod, der kostenlosen DesignSpark Mechanical Software sowie der ModelSource-Library mit 3D-Modellen 3D-Design und Rapid Prototyping nun einem breiten Personenkreis die Tore, anstatt nur den CAD-Profis. Das beschleunigt Innovationen und Markteinführungen.


Der RepRapPro Ormerod ist auf RS Online verfügbar; DesignSpark Mechanical steht als kostenloser Download auf der DesignSpark-Website zur Verfügung.


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