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Generative Fertigung So wählen Sie den richtigen 3D-Drucker aus

Der 3D-Druck bietet Elektronikentwicklern attraktive Möglichkeiten für ihre Projekte. Einstiegsdrucker sind für unter 200 Euro erhältlich. Bei der Auswahl sind Kosten, Qualität, Funktionalität und Materialanforderungen sorgfältig abzuwägen.

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(Bild: Farnell GmbH)

Der 3D-Druck bietet Elektronikentwicklern eine viel größere Flexibilität, sodass Innovationsprojekte beschleunigt werden. Frühe Anwender wie die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Verteidigungsindustrie setzen seit langem den 3D-Druck zur schnellen Konzeptmodellierung, zur Prototypenerstellung von Bauteilen und zur Herstellung von Endprodukten ein, ohne die Fertigungslinien dabei ständig umrüsten zu müssen.

Obwohl es die Technologie seit fast drei Jahrzehnten gibt, haben erst die jüngsten Fortschritte 3D-Drucker zu einer viel attraktiveren Investition für Elektronikentwickler gemacht. 3D-Drucker sind heute erschwinglicher denn je und einige Einstiegsdrucker sind sogar für unter 200 Euro erhältlich. Es gibt auch viel mehr Optionen, da sich die Anzahl der 3D-Druckerhersteller zwischen 2014 und 2018 fast verdreifacht hat und heute etwa 120 beträgt. Darüber hinaus haben sich Druckqualität und -geschwindigkeit verbessert und es steht eine größere Auswahl an Materialien zum Drucken von Teilen und Modellen zur Verfügung. Infolgedessen und dank der jüngsten Fortschritte, wie dem 3D-Druck von Halbleiter-Metall, sehen wir allmählich die Entstehung von 3D-gedruckten Schaltungen. Laut einer Studie von Ernst & Young könnte die Druckelektronik den Zeitaufwand für die Prototypenerstellung um 63 Prozent verringern.

Die Nutzung eines 3D-Druckdienstes anstelle des direkten Kaufs eines eigenen 3D-Druckers bleibt für viele Entwickler eine brauchbare Alternative. Wenn sie jedoch bereit sind, den Sprung zu wagen, sollten Entwickler ihre 3D-Druckanforderungen in Bezug auf Kosten, Qualität, Funktionalität und Materialanforderungen sorgfältig abwägen, um sicherzustellen, dass sie den richtigen 3D-Drucker für ihre Bedürfnisse erhalten.

Der richtige Drucker-Typ

Der erste Schritt bei der Auswahl des richtigen 3D-Druckers besteht darin, zu verstehen, welche Art von 3D-Drucktechnologie verwendet werden soll. Zwei der bekanntesten Technologien sind Fused Filament Fabrication (FFF) – auch bekannt als Filament Deposition Manufacturing (FDM) oder Molten Polymer Deposition (MPD) – und Stereolithographie (SLA), bei der Laser- oder DLP-Harzdrucker (Digital Light Processing) verwendet werden.

Fused Filament Fabrication-Drucker (FFF)

FFF-Drucker verwenden ein Filament aus thermoplastischem Material, das einen beheizten beweglichen Kopf passiert, der Kunststoffschicht für Kunststoffschicht auf einem beweglichen Druckbett extrudiert, das sich mit jeder aufgetragenen Schicht absenkt. Das ist die Technologie, die am häufigsten bei Desktop-3D-Druckern verwendet wird. Folglich ist FFF tendenziell günstiger, benutzerfreundlicher und relativ schnell beim Drucken.

Andererseits drucken FFF-Drucker weniger genau als andere Arten von 3D-Druckern. Dies kann bei Projekten, bei denen sehr enge Toleranzen vorgegeben sind, ein Problem darstellen. FFF-Drucker erfordern außerdem tendenziell mehr Abstimmung und Wartung, damit sie ordnungsgemäß funktionieren, und die Technologie reagiert empfindlich auf Temperaturänderungen.

Stereolithographie-Drucker (SLA)

SLA-Drucker (häufig als Harzdrucker bezeichnet) verwenden eine lichtemittierende Vorrichtung (Laser oder DLP), um das Produkt in einem Tank mit flüssigem photopolymerisierenden Harz oder in einem Pulverbett auszuhärten. Ein Lichtstrahllaser tastet dazu die Oberfläche des Materials basierend auf dem vom Computermodell bereitgestellten 3D-Design ab, wobei das Produkt schrittweise aus dem Material gehoben wird.

Der riesige Pluspunkt der Stereolithographie liegt in ihrer größeren Präzision und höheren Detailgenauigkeit, was sie zu einer besseren Wahl für Projekte macht, die komplexere Geometrien und glattere, realistischere Oberflächen erfordern. SLA-Drucker eignen sich auch gut für kleinere Projekte und für sehr große Projekte, die eine hohe Auflösung erfordern. Während FFF-Drucker im Allgemeinen schnell sind, sind SLA-Drucker schneller.

Diese Vorteile haben jedoch ihren Preis. SLA-Drucker kosten erheblich mehr (normalerweise im Bereich von 1.000 bis 10.000 Euro) und es stehen auch weniger Materialien zur Verfügung, welche wiederum tendenziell teurer sind. Aus thermoplastischen Harz- oder Pulvermaterialien hergestellte Produkte sind gewöhnlich zerbrechlicher.

(Bild: Farnell GmbH)

Die richtigen Materialien

Materialien sind ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei der Auswahl eines 3D-Druckers berücksichtigt werden muss. Es gibt zahlreiche unterschiedliche Materialien für den 3D-Druck. Diese reichen sogar bis hin zu essbaren Stoffen (wie Schokolade, Zucker oder Pfannkuchenteig) und zu Baustoffen (wie bei 3D-gedruckten Häusern aus extrudiertem Beton).

Elektronikentwickler werden für ihre Entwicklungen konventionellere Materialien in Erwägung ziehen müssen.

Polymilchsäure oder Polylactid (PLA): Für FFF-Drucker ist Polymilchsäure oder Polylactid (PLA) eines der beliebtesten thermoplastischen Materialien, da es biologisch abbaubar ist und aus natürlichen Ressourcen wie Mais und Zuckerrohr gewonnen wird. Das Material ist ideal für die schnelle Prototypenerstellung, bei der Form und Ästhetik die wichtigsten Aspekte sind. PLA weist auch eine größere Zugfestigkeit auf und neigt daher weniger zum Verziehen.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) ist ein weiteres beliebtes thermoplastisches Polymer für FFF-Drucker. ABS-Druckprodukte haben tendenziell eine bessere Biegefestigkeit und überlegene mechanische Eigenschaften und sind daher ideal, wenn Bruchbedenken bestehen. Das Material eignet sich auch besser für Anwendungen, bei denen die Temperatur höher ist, da seine strukturelle Integrität steigenden Temperaturen besser standhält.

Polyethylenterephthalat (PETG) ist ein Polymer, das sich ideal für sichere Lebensmittelanwendungen eignet. Es wird häufig zur Herstellung von Wasserflaschen, Lebensmittelbehältern und ähnlichen Kunststoffprodukten verwendet, da es kein Wasser absorbiert. Es weist feste mechanische Eigenschaften auf, kann jedoch für Einsteiger eine Herausforderung darstellen, da es knifflig ist, die genaue Temperatur richtig einzustellen, und es häufig eine gründliche Feinabstimmung der Düse erfordert.

Nylon: Für Anwendungen, die eine noch höhere Festigkeit und Haltbarkeit als ABS erfordern, ist Nylon eine beliebte Wahl. Nylon ist sehr reißfest und recht flexibel und eignet sich daher gut für Anwendungen mit beweglichen Teilen, die einer hohen Belastung oder Reibung ausgesetzt sind. Seine Festigkeit beruht teilweise auf seiner hohen Schmelztemperatur, allerdings kann Nylon in geschmolzenem Zustand giftig sein. Nylon eignet sich auch nicht gut für Anwendungen, die durch Nässe oder Feuchtigkeit gekennzeichnet sind.

Thermoplastisches Elastomer (TPE) ist ein beliebtes Material, wenn Flexibilität erforderlich ist. TPE führt, ähnlich wie Gummi, zu elastischeren und dehnbareren Produkten, doch seine Weichheit und Elastizität schränken den Bereich der Anwendungen, für die es geeignet ist, erheblich ein.

Materialien für harz- oder pulververarbeitende SLA-Drucker werden normalerweise gezielt für eine bestimmte Anwendung gekauft, die vorgibt, welche Harze und Pulver zu verwenden sind. Diese Materialien und Drucker sind in der Regel hochwertiger als 3D-Technologien auf Verbraucherebene. Es gibt fünf grundlegende Harztypen: Standardharz (für Projekte mit niedrigem Budget), graues Harz (für glattere Oberflächen), Mammut-Harz (für großformatige Drucke), transparentes Harz (für transparente Teile) und hochdetailliertes Harz (für kompliziertere Geometrien).

Polymerpulver werden beim Lasersintern verarbeitet, wobei winzige Partikel des Polymers durch einen Hochleistungslaser miteinander verschmolzen und ausgehärtet werden, um das 3D-Objekt zu erzeugen. Pulver sind ideal für Projekte, die einen leistungsstarken Kunststoff erfordern, metallimprägniert werden oder die Flexibilität von Gummi mit der Festigkeit von Kunststoff verbinden.

(Bild: Farnell GmbH)

Weitere Aspekte

Infills sind ein wichtiger Materialaspekt. Sie dienen zum Aussteifen der leeren Räume innerhalb eines 3D-gedruckten Modells. Infills erzeugen eine sich wiederholende Struktur (wie bei Waben), deren Muster und Dichte die Festigkeit und das Gewicht des Modells beeinflussen. Ohne diese Aussteifung wären viele Modelle zu zerbrechlich. Da Infills in vielen Größen und Mustern anwendbar sind, müssen Entwickler die richtige Kombination für den Zweck ihres Modells bestimmen – je höher die Dichte, desto schwerer und stärker der Druck.

Die richtige Unterstützung für Ihr 3D-Modell

In ähnlicher Weise benötigen einige 3D-Modelle eine Abstützung in leeren Räumen, die nach Abschluss des Druckvorgangs wieder entfernt werden muss. Als Trägermaterial werden üblicherweise zwei Arten von Kunststoffen verwendet: Polyvinylalkohol (PVA) und hochschlagfestes Polystyrol (HIPS). PVA ist wasserlöslich und relativ leicht wieder zu entfernen, obwohl er aufgrund seiner Temperatur- und Feuchtigkeitsempfindlichkeit chemisch instabil werden kann, wenn er nicht richtig gelagert und gehandhabt wird, was dazu führen kann, dass sich der Extruder verklemmt. Bei HIPS besteht dieses Problem nicht, aber es ist nicht so leicht wieder zu entfernen und erfordert die Verwendung von Limonen, das in Haushaltsreinigern und Aromaprodukten für Lebensmittel enthalten ist.

Entwickler müssen auch die Stützstruktur und die Überhänge des Modells berücksichtigen. Viele Modelle benötigen eine Stützstruktur, auf der das Modell Schicht für Schicht extrudiert werden kann. Diese Stützstrukturen können das Aussehen und die Oberfläche des fertigen Modells beeinflussen, häufig wird eine Oberflächenbearbeitung nötig, um Unebenheiten und Fehler auszubessern. Ob ein Modell eine Stütze benötigt oder nicht, ist eine wichtige Entscheidung, da sich diese auf die Stabilität und die Materialkosten des Modells auswirkt. Wenn das Modell einen Überhang (oder eine Brücke) aufweist, unter dem sich keine Abstützung befindet, ist möglicherweise eine Stützstruktur erforderlich. Wenn der Überhang jedoch in einem Winkel von 45 Grad oder weniger geneigt ist, kann eventuell auf eine Stützstruktur verzichtet werden. Für eine Brücke gilt als Faustregel, dass bei einer Länge von weniger als 5 mm wahrscheinlich keine Stützstruktur erforderlich ist.

Der richtige Slicer

Um das Modell für den Druck vorzubereiten, muss der richtige Slicer ausgewählt werden: die Software, die die Befehle für den Drucker generiert. Der Slicer übersetzt die CAD-Zeichnung in einen geometrisch druckbaren Code. Dazu schneidet er praktisch das 3D-Modell in einzelne dünne Schichten, die der Drucker extrudiert, womit das Modell Gestalt annimmt. Hunderte Slicing-Softwareprogramme sind verfügbar, viele davon kostenlos, und Entwickler sollten bei der Auswahl des Programms folgende Aspekte berücksichtigen: unterstütztes Betriebssystem, unterstützte Dateiformate (z. B. STL, OBJ, X3D oder 3MF), Integration in CAD-Software, cloud- oder desktop-basiert, 3D-Druckerkompatibilität, Open Source vs. proprietäres System, Infill-Optionen und Verarbeitung von Stützstrukturen.

Welcher 3D-Drucker passt also zu Ihnen? Identifizieren Sie die Faktoren Kosten, Qualität, Funktionalität und Materialanforderungen, um die Suche einzugrenzen und die richtige Auswahl zu treffen. Es gibt auch eine breite Palette an Ressourcen im neuen Stay Home Stay Tuned-Bereich von Farnell, darunter Informationen zu den besten 3D-Druckprodukten und eine Reihe kostenloser 3D-Druck-Webinare, die Ihnen helfen, eine fundierte Entscheidung zu treffen.

Wie der 3D-Druck im Kampf gegen Covid-19 in den Mittelpunkt rückte

3D-Drucker sind im Kampf gegen die Coronavirus-Pandemie (COVID-19) von entscheidender Bedeutung. Während der Krise spendete Farnell 3D-Druckgeräte im Wert von 50.000 Euro an Freiwillige und Hilfsgruppen, die 3D-Drucker einsetzen, um dringend benötigte persönliche Schutzausrüstung (PSA) für das Gesundheitspersonal, das an vorderster Front steht, bereitzustellen.

In ganz Europa verwenden Freiwillige unterschiedliche 3D-Drucker und 3D-Druckausrüstungen, um Schutzvisiere und Gehörschutzprodukte anzufertigen, von Creality CR10- und CRX-Modellen bis hin zu leistungsstärkeren Ultimaker 2+-Druckern. Beim Filament entschieden sich die meisten für PLA, das in einer Zeit, in der die weltweiten Lieferungen knapp sind, auch weiterhin gut erhältlich ist. Andere verwenden PETG, da dieses Filament sterilisiert werden kann und daher für eine sofortige Anwendung im Gesundheitswesen besser geeignet ist.

Ein Farnell-Kunde und Mitglied der element14 Community arbeitete rund um die Uhr, um Gesundheitspersonal in Großbritannien mit der nötigen Schutzausrüstung zu versorgen, indem er sein Zuhause mit von Farnell gespendeten 3D-Druckern in eine 24-Stunden-Produktionsstätte verwandelte. So konnte er jede Woche rund 3.000 Visiere herstellen und auf erstaunliche Weise dazu beitragen, die Gesundheitsversorgung in einer Zeit knapper Hilfsmittel zu unterstützen. Näheres über diese Geschichte lesen Sie im Abschnitt „3D-Druck rettet Leben“ im Stay Home Stay Tuned-Hub von Farnell. Farnell spendete für ähnliche Projekte in ganz Europa.

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