Einleitung:Für das Prototyping und die Kleinserienfertigung (ca. 10-1000 Teile) von kleinen Objekten bieten 3D-gedruckte Spritzgussformen eine zeitsparende und kostengünstige Lösung. Außerdem bieten sie flexiblere Fertigungsmethoden, die es Ingenieuren und Designern ermöglichen, Formdesigns zu testen und Änderungen einfach vorzunehmen. Dieser Artikel befasst sich mit der Verwendung eines 3D-Druckers zum Spritzgießen kleiner Objekte.

3D-Druck verstehen

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck Technologie ist eine Form des Rapid Prototyping. Dabei wird ein von einem Computer erstelltes dreidimensionales digitales Modell in Schichten von ebenen Scheiben zerlegt. Diese Schichten werden dann mit pulver-, flüssigkeits- oder fadenförmigen Materialien wie Kunststoffen, Metallen, Keramiken oder Sand gedruckt. Bei dieser Technologie werden diese Verbundwerkstoffe auf der Grundlage von Schichtmustern Schicht für Schicht aufeinander geschichtet, so dass ein vollständiges Objekt entsteht.

Der geschmolzene Kunststoff wird dann komprimiert und unter dem Druck des Kolbens oder der Schnecke vorwärts bewegt, bevor er mit hoher Geschwindigkeit durch die Düse am vorderen Ende des Zylinders in eine geschlossene Form gespritzt wird. Sobald der Kunststoff abgekühlt ist und nach einer bestimmten Zeit seine Form angenommen hat, wird die Form geöffnet, um das Endprodukt zu enthüllen.

Einrichten des 3D-Druckers

FDM3D-Drucker

FDM-Drucker (Fused Deposition Modeling) sind die am meisten verbreitete Art von 3D-Druckern auf dem heutigen Markt. Fast 60% der 3D-Druckerhersteller konzentrieren sich hauptsächlich auf das Angebot von FDM-Modellen. FDM-Drucker ermöglichen ein schnelles Prototyping durch das Auftragen von geschmolzenen Materialien, wobei die wichtigsten Materialien ABS und PLA sind. Einer ihrer Hauptvorteile ist die Kosteneffizienz.

FDM-Drucker haben jedoch auch Nachteile wie geringere Präzision, langsamere Druckgeschwindigkeiten und raue Oberflächen der gedruckten Produkte. Trotz der Schwankungen in den letzten Jahren hat die 3D-Drucktechnologie, die auf FDM basiert, die anfängliche Wachstumsphase hinter sich gelassen.

Desktop-3D-Drucker haben sich von Open-Source-Hardware und persönlicher Ungeschliffenheit wegbewegt und bedeutende Fortschritte bei kommerziellen und intelligenten Funktionen gemacht. Darüber hinaus legen professionelle Geräte jetzt den Schwerpunkt auf menschenzentriertes Design und Benutzerfreundlichkeit, was sich stärker an praktischen Anwendungsszenarien orientiert.

SLA3D Drucker

Im Vergleich zu FDM-Druckern bieten SLA-3D-Drucker eine höhere Druckgenauigkeit und liefern Modelle mit feineren Konturen. Dennoch führen die hohen Hardwarekosten zu einem teuren Gesamtpreis für die Maschine. Darüber hinaus erweist sich die Komplexität der Slicing-Software und der Betriebsverfahren für viele Benutzer als Herausforderung. Diese Faktoren schränken sowohl das Angebot als auch die Nachfrage ein.

Der aktuelle Entwicklungstrend geht zu lichthärtenden 3D-Druckern für den Desktop, insbesondere zu FDM-Desktop-3D-Druckern. Allerdings haben Probleme wie langsame Druckgeschwindigkeiten, begrenzte Druckvolumina und die komplizierte Handhabung von flüssigen lichtempfindlichen Harzmaterialien zu einer weit verbreiteten Ablehnung dieser Technologie geführt.

SLS3D Drucker

SLS-3D-Drucker werden vor allem in der industriellen und militärischen Produktion eingesetzt. Die Weiterentwicklung der SLS-3D-Drucktechnologie wird durch die Nachfrage nach verschiedenen Materialien zur Herstellung von Funktionsteilen stetig vorangetrieben. Das primäre Material, das in diesen 3D-Druckern verwendet wird, ist Pulvermaterial, das durch selektives Lasersintern verfestigt wird.

DLP3D-Drucker

Die DLP-3D-Drucktechnologie ist schneller als das vergleichbare SLA-Verfahren, da jede Schicht in Plattenform ausgehärtet wird. Bei der DLP-Technologie wird hauptsächlich die DLP-Projektion verwendet, um die gesamte Laserfläche auf die Oberfläche des Materials zu fokussieren. 3D-Druck Material.

DLP 3D-Drucker haben eine gute Leistung in High-Definition-Druck, in der Regel mit einem kleinen Farb-Touchscreen, mit mehreren Sprachen, klare Display-Schnittstelle ausgestattet, und unterstützen USB-Kabel, Wi-Fi, kabelgebundene Netzwerkverbindung, etc. Und einfach zu verwalten.

Designformen für winzige Objekte

Was umfasst der Prozess der Formgestaltung im Wesentlichen?

a. Akzeptieren Sie das Abtretungsschreiben.

b. Analysieren Sie Zeichnungen: Analysieren Sie die technischen Anforderungen an das Produkt, die wichtigsten Kontrollmaße und die Toleranzanforderungen.

c. Bestätigen Sie vorläufig den Formplan: Bestätigen Sie die Werkzeugstruktur, die Werkzeugspezifikationen und die Anzahl der Kavitäten.

d. Führen Sie eine Kostenanalyse für Formen durch und erstellen Sie ein Angebot.

e. Bestimmen Sie die Hauptstruktur der Form.

f. Erstellen Sie das Formdiagramm.

g. Überprüfung, Ausgabe und Archivierung von Formzeichnungen.

h. Entwicklung von Verfahren zur Bearbeitung von Formen.

i. Erstellen Sie Prozessdokumente (Prozesszeichnungen, Prozesskarten) für jeden Schritt.

j. Überprüfung, Ausgabe und Archivierung von Prozessdokumenten.

Materialauswahl für 3D-Drucker-Spritzgießen

Das lichthärtende Rapid-Prototyping-3D-Druckmaterial aus lichtempfindlichem Harz in milchigem Weiß weist eine angenehme Textur und ausreichende Festigkeit auf, wenn auch mit relativ geringer Zähigkeit. Kleine und dünne Teile können anfällig für Sprödbrüche sein, lassen sich aber leicht polieren, galvanisieren und vielseitig lackieren und einfärben.

Das lichtempfindliche Harz besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Fotoinitiator und einem Harz (bestehend aus Präpolymer, Verdünnungsmittel und einer geringen Menge an Zusatzstoffen). Die Dosierung des Fotoinitiators und des Verdünnungsmittels hat einen erheblichen Einfluss auf die Aushärtungsgeschwindigkeit und die Qualität des Harzes. Ein optimales Verhältnis von Fotoinitiator und Verdünnungsmittel erhöht nicht nur die Aushärtungsgeschwindigkeit, sondern verbessert auch die Aushärtungsqualität. Daher ist die Auswahl eines seriösen Herstellers, der sich auf ausgereifte und stabile 3D-Druckmaterialien aus lichtempfindlichem Harz spezialisiert hat, von größter Bedeutung.

Was die Leistungsfähigkeit von 3D-Druckmaterialien aus lichtempfindlichen Harzen betrifft, so gibt es importierte Optionen, die sich durch hohe Festigkeit, Transparenz, hohe Temperaturbeständigkeit sowie Feuchtigkeits- und Wasserfestigkeit auszeichnen.

Darüber hinaus bieten keramische 3D-Druckmaterialien wie Aluminiumoxid (AI2O3), Zirkoniumdioxid (ZRO2), Hydroxylapatit (HAP) und Tricalciumphosphat einen porzellanartigen Glanz. Diese Materialien, die aus hochauflösendem Keramikpulver und lichtempfindlichem Harz bestehen, sind eine Alternative für 3D-Druck-Enthusiasten.

FDM Fused Deposition Modeling Thermoplastische 3D-Druckmaterialien

Im Vergleich dazu sind die Abdrücke der Druckschicht auf der Oberfläche relativ auffällig und rau. Dennoch eignen sich die Materialeigenschaften wie gute Festigkeit, Flexibilität, hohe Schlagzähigkeit, starke Lösungsmittelbeständigkeit und stabile Haltbarkeit perfekt für präzise Funktionstests, Formen und Endprodukte. Die in dieser Technologie verwendeten 3D-Druckmaterialien umfassen Materialien in Industriequalität und Verbrauchsmaterialien für Desktop-3D-Drucker.

SLS Selektives Lasersintern Pulver 3D-Druckmaterialien

PA-Serie Nylon 3D-Druck Materialien: verschleißfest, hohe Festigkeit und Steifigkeit, gute chemische Beständigkeit, ausgezeichnetes langzeitstabiles Verhalten, hohe Selektivität und Detailauflösung, biokompatibel, konform mit EN ISO 10993-1 und USP, konform mit der EU-Kunststoffrichtlinie, zugelassen für die Verwendung im Kontakt mit Lebensmitteln. Typische Anwendungen für dieses Material sind voll funktionsfähige Kunststoffteile von höchster Qualität. Die Oberfläche ist jedoch relativ rau.

Yansir bietet PA3200GF Nylon-Glasfasermaterial für Tiefziehformen und alle Anwendungen, die eine besondere Steifigkeit, hohe Wärmeformbeständigkeit und geringen Verschleiß erfordern. Darüber hinaus bieten wir aluminiumgefüllte Nylonmaterialien an, die üblicherweise für hitzebelastete Teile in Metalloptik verwendet werden. Für das LS-Lasersintern auf dem Schreibtisch bieten wir auch PA12-Nylonpulver als Alternative an.

DLP Digitale Bildprojektion 3D-Druck Materialien

Die Maskenprojektionsschichtung mit unabhängiger Pixelkontrolle führt zu einer dreidimensionalen Verarbeitungsmethode, die sowohl hochwertig als auch hochpräzise ist. Die Druckgenauigkeit ist außergewöhnlich und führt zu einer empfindlichen Oberfläche, die nicht poliert werden muss.

Es ist jedoch wichtig, lokale Stützpunkte bei Bedarf zu entfernen, zu reparieren und zu polieren. Verschiedene physikalische Materialien stehen in unterschiedlichen Branchen zur Auswahl. Eine häufige Anwendung ist der 3D-Druck von Animationspuppen aus rotem Wachs.

Derzeit sind zahlreiche DLP-Drucker für den Desktop erhältlich, die die Flexibilität bieten, farbige 3D-Druckmaterialien nach Belieben zu mischen. Dennoch ist die Druckgenauigkeit dieser Geräte im Vergleich zu Druckern für den industriellen Einsatz immer noch mangelhaft.

Schritt-für-Schritt-Anleitung zum 3D-Druck

Designer verwenden Computermodellierungssoftware, um dreidimensionale digitale Modelle von Produkten zu erstellen, die dann automatisch für den Druckprozess auf der Grundlage des Modells analysiert werden. Sobald die Analyse abgeschlossen ist, kann der Benutzer einfach auf die Schaltfläche "Drucken" drücken, und der 3D-Drucker wird das Objekt herstellen. Während das Prinzip des 3D-Drucks dem des herkömmlichen Drucks ähnelt, unterscheiden sich die verwendeten Rohmaterialien.

Beim herkömmlichen Druck wird Tinte verwendet, während für den 3D-Druck Materialien wie Kunststoffe, Metalle usw. benötigt werden, die verflüssigt, pulverisiert oder in Form von Filamenten vorliegen können. Auch Materialien wie Keramik oder Sand können in 3D-Druckverfahren verwendet werden, so dass diese Materialien nach dem Druck rekombiniert werden können, um optimale physikalische und chemische Eigenschaften zu erhalten.

3D-Entwurf

Der Entwurfsprozess für den 3D-Druck beginnt mit der Verwendung von Computermodellierungssoftware, um ein Modell zu erstellen. Anschließend wird das Modell in segmentierte, schichtweise Abschnitte oder Slices unterteilt, die dem Drucker während des Druckvorgangs als Orientierung dienen. Die 3D-Konstruktionssoftware dient als primäre Datenquelle für den 3D-Druck und erzeugt die für den Druckprozess erforderlichen Modelle.

Zu den gängigen 3D-Konstruktionssoftwares gehören u. a. CAD, ZW3D und CAx. Es gibt zwar zahlreiche spezialisierte Softwareprogramme für den 3D-Druck, aber die Entwicklung benutzerfreundlicher, einfacher und praktischer Lösungen, die speziell auf den 3D-Druck zugeschnitten sind, wird fortgesetzt.

Slicin

Beim 3D-Druck wird, wie beim Lasergießen, eine schichtweise Verarbeitung und ein überlagerndes Gießen eingesetzt, um den 3D-Volumendruck zu vervollständigen. Der Druckvorgang für jede Schicht ist in zwei Schritte unterteilt. Zunächst liest der Drucker die Querschnittsinformationen in der Datei und trägt eine Schicht eines speziellen Klebstoffs auf den vorgesehenen Bereich auf. Die Klebstofftröpfchen sind winzig klein und schwer zu verteilen.

Anschließend wird eine gleichmäßige Schicht Pulver aufgesprüht. Bei Kontakt mit dem Klebstoff verfestigt sich das Pulver schnell und haftet, wobei die nicht verklebten Bereiche frei bleiben. Durch den Wechsel zwischen einer Klebstoff- und einer Pulverschicht wird das physische Modell in Form "gedruckt". Nach dem Druck kann das lose Pulver mühelos durch Abfegen entfernt werden, und das verbleibende Pulver ist recycelbar.

Vollständiger Druck

Die Auflösung von 3D-Druckern ist im Allgemeinen für die meisten Anwendungen ausreichend, obwohl sie bei gekrümmten Oberflächen weniger präzise sein kann, was zu gezackten Kanten auf dem endgültigen Bild führt. Um eine höhere Auflösung zu erzielen, besteht eine Strategie darin, die Objekte zunächst mit vorhandenen 3D-Druckern etwas größer zu drucken. Durch sanftes Polieren der Oberfläche ist es möglich, ein "hochauflösendes" Objekt mit einer glatten Oberfläche zu erhalten.

Fehlersuche bei allgemeinen Problemen

Es gibt eine Lücke in der obersten Schicht

Um Material zu sparen, weisen die meisten Drucke massive Kanten auf, die von einer hohlen Gitterstruktur umgeben sind. Bei einem Füllverhältnis von 30% besteht beispielsweise nur 30% des Drucks aus einem festen Material, der Rest ist Luft. Obwohl das Innere hohl ist, soll die Illusion eines massiven Äußeren aufrechterhalten werden. Aus diesem Grund bietet die Slicing-Software eine Einstellung zur Bestimmung der Dicke der oberen und unteren Schicht. Es gibt verschiedene mögliche Ursachen für dieses Problem und entsprechende Lösungen:

a. Problem: Unzureichende Dicke der obersten Schicht (unzureichende Anzahl von Schichten).

Lösung: Erhöhen Sie die Dicke der obersten Schicht (oder erhöhen Sie die Anzahl der Schichten) in der Slicing-Software.

b. Problem: Niedriger Füllungsgrad.

Lösung: Erhöhen Sie den Füllungsgrad über die Slicing-Software.

c. Problem: Unzureichendes Extrusionsvolumen.

Lösung: Vergrößerung des Extrusionsvolumens mit Hilfe der Slicing-Software

Probleme mit Schichtentrennung und Einschnitten

Das Grundprinzip von FDM-3D-Druckern besteht darin, Objekte herzustellen, indem eine Schicht nach der anderen gedruckt und nacheinander gestapelt wird, um das endgültige Objekt zu erzeugen. Die Festigkeit des hergestellten Objekts hängt stark von der sicheren Haftung zwischen den einzelnen Schichten ab. Eine unzureichende Haftung kann zur Trennung der Schichten und zu Mängeln führen.

Im Folgenden finden Sie einige mögliche Ursachen für dieses Problem sowie Lösungsvorschläge:

Ursache: Überhöhte Schichthöhe (Schichtdicke)

Die Lösung: Die Düsen der meisten 3D-Drucker haben einen Durchmesser von 0,3 mm bis 0,5 mm. Es wird empfohlen, die Schichthöhe auf weniger als 20% des Düsendurchmessers einzustellen. Durch die Einhaltung dieser Richtlinie wird jede neue Schicht mit leichtem Druck auf die vorherige Schicht aufgetragen, was eine robuste Verschmelzung zwischen den Schichten erleichtert.

Ursache des Problems: Die Drucktemperatur ist zu niedrig.

Vorschlag für eine Lösung: Im Vergleich zu einer niedrigeren Drucktemperatur kann eine höhere Drucktemperatur eine bessere Bindung der Verbrauchsmaterialien gewährleisten. Wenn Sie sicher sind, dass es keine Probleme mit der Schichthöhe gibt, können Sie die Drucktemperatur anpassen. Ich empfehle, sie um 10 Grad zu erhöhen und den Druckeffekt zu beobachten, bis Sie die optimale Temperatureinstellung erreicht haben.

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Problem des Fadenbeißens

Ein Filamentbeißer tritt auf, wenn das Filamentquetschrad im Extruder das Filament festklemmt, es aber nicht vorwärts bewegt. Dieses Problem wird dadurch angezeigt, dass das Filament stillsteht, während sich das Quetschrad weiterdreht, was zu einer Ansammlung von Kunststoffresten in der Nähe des Extruders führt. Im Folgenden finden Sie mögliche Ursachen für dieses Problem sowie empfohlene Lösungen:

Ursache des Problems: Die Drucktemperatur ist zu niedrig.

Lösungsvorschläge: Versuchen Sie, die Drucktemperatur um 5-10 Grad zu erhöhen.

Ursache des Problems: Die Druckgeschwindigkeit ist zu hoch.

Lösung: Wenn sich die Situation nach Erhöhung der Drucktemperatur nicht verbessert, reduzieren Sie die Druckgeschwindigkeit um 50%.

c.Ursache des Problems: Die Düse ist verstopft. Lösungsvorschläge: Wenn die beiden vorherigen Lösungen das Problem nicht beheben, ist die Düse höchstwahrscheinlich verstopft.

Tipps für die Festigkeit von kleinen, mit 3D-Druckern hergestellten Objekten

Kühlung reduzieren

Die Kühlung spielt eine entscheidende Rolle bei der 3D-Druck Prozess, da er sich direkt auf die Haftung der Schichten auswirkt, sobald diese ausgehärtet sind. Eine rasche Abkühlung kann die Haftung beeinträchtigen, da die aufeinanderfolgenden Schichten möglicherweise nicht richtig haften. Es ist wichtig zu beachten, dass die Wirksamkeit der Kühlung von der Art des verwendeten Materials abhängt. So zeigt PLA beispielsweise optimale Ergebnisse, wenn es mit einem robusten Kühlgebläse kombiniert wird. Daher ist es ratsam, die Kühlrate an das verwendete Material anzupassen.

Leistungsstarke Ausfüllmodi verwenden

Um Ihre 3D-Druckergebnisse weiter zu verbessern, sollten Sie das passende Füllmuster auswählen. Füllmuster ergänzen die Dichte der Füllung, indem sie als interne Stützstruktur für Ihre 3D-Drucke dienen. Diese Muster verbessern nicht nur die Steifigkeit des Teils, sondern helfen auch, Wandverformungen zu verhindern. Um einen stabilen 3D-Druck zu erzielen, wählen Sie ein dichtes Füllmuster zwischen 30-50%.

Fallstudien und Beispiele

Die jüngsten Fortschritte in der 3D-Drucktechnologie haben die Audiobranche revolutioniert und ermöglichen es den Herstellern, mit Hilfe des Digitaldrucks individuelle Ohrgeräte für die Audiologie, den Lärmschutz und Hörprodukte für Verbraucher zu bemerkenswert niedrigen Kosten herzustellen. Im Laufe der Jahre haben die Hersteller von 3D-Druckern biokompatible Materialien vorgestellt, die sicher für den Hautkontakt sind und den Anwendern die Eigenproduktion von Ohrmodellen und Ohrstöpseln erleichtern.

Maßgefertigte Kopfhörer bieten ein unverwechselbares, individuelles Hörerlebnis, da sich das Design nahtlos an die Ohren des Benutzers anpasst. Diese individuelle Passform sorgt dafür, dass die Ohrhörer sicher an ihrem Platz bleiben und nicht herausrutschen können. Außerdem wird der Komfort und die Geräuschisolierung für ein unvergleichliches Hörerlebnis verbessert.

Durch die Integration von Drucktechnologie, mobilem Scannen und maschinellem Lernen können die mit der personalisierten Fertigung verbundenen Hürden effektiv angegangen werden. Dieser Durchbruch ermöglicht es Kunden, mühelos eine individuelle Version des Headsets zu produzieren und die Produktionszeit von vier auf zwei Tage zu verkürzen. Darüber hinaus eröffnet dies die Möglichkeit einer beschleunigten Lieferung am selben Tag, was das Kundenerlebnis revolutioniert.

Die 3D-Drucktechnologie hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt, und es gibt eine ganze Reihe von Anwendungsfällen, bei denen 3D-gedruckte Organe ein bemerkenswertes Beispiel sind.

Die einfache Herstellung neuer Organe ist seit langem ein begehrtes Ziel von Wissenschaftlern, die sich auf regenerative Medizin spezialisiert haben. Die Nutzung von 3D-Workflows zur Erzeugung von Organoiden, die für die Transplantation geeignet sind, befindet sich zwar noch im Anfangsstadium, liefert aber bereits vielversprechende Ergebnisse.

Federführend bei dieser bahnbrechenden Forschung ist Dr. Sam Pashneh-Tala von der Universität Sheffield. Dr. Pashneh-Tala setzt in seiner Forschung die Stereolithographie (SLA) 3D-Drucktechnologie im Desktop-Maßstab ein, um gewebeverstärkte Blutgefäße mit unterschiedlichen Geometrien herzustellen.

Dieser Durchbruch könnte den Weg für die Entwicklung patientenspezifischer Gefäßtransplantate, die Verbesserung chirurgischer Verfahren und die Bereitstellung einer einzigartigen Testplattform für neuartige vaskuläre medizinische Geräte zur wirksamen Bekämpfung von Herz-Kreislauf-Erkrankungen ebnen - der Erkrankung, die derzeit weltweit die höchste Sterblichkeitsrate aufweist.

Die Fertigungslandschaft wurde durch die Fortschritte im 3D-Druck erheblich beeinflusst und geht über die theoretischen Möglichkeiten hinaus. Wie 3D-Druck In den letzten Jahren haben sich die Methoden rasch weiterentwickelt und sind in verschiedene Sektoren vorgedrungen, so dass die transformativen Fähigkeiten dieser Technologie deutlich geworden sind.

Von der Wissenschaft und dem Gesundheitswesen bis hin zu Konsumgütern, dem Bauwesen und der Fertigung kommen die Menschen immer häufiger mit Endprodukten in Berührung, die durch 3D-Druck hergestellt wurden. Die Entwicklung des 3D-Drucks deutet auf eine weitere Ausweitung seiner Auswirkungen hin. Er ermöglicht eine wirtschaftlichere Anpassung von Teilen, eine Rationalisierung der Durchlaufzeiten und der Betriebskosten sowie eine Verbesserung der Funktionalitäten durch die Förderung einer engeren Verbindung zwischen den Verbrauchern und dem Herstellungsprozess von Produkten.

Schlussfolgerung

Im Wesentlichen können 3D-Drucker komplizierte Geometrien und innere Hohlräume zum Leben erwecken, die mit anderen Methoden unmöglich zu erstellen wären, was zu komplizierten Formen, feinen Details und polierten Oberflächen führt.

Außerdem ist der Formgebungsprozess beim 3D-Druck in hohem Maße automatisiert. Diese Technologie bietet einen vielseitigen und kosteneffizienten Ansatz für die Kleinserienproduktion. Indem sie die Präzision und Anpassungsfähigkeit des 3D-Drucks nutzen, können Hersteller ihre Gussformentwürfe schnell testen und verbessern, was letztlich die Produktqualität erhöht und die Markteinführungszeit verkürzt.

In Zukunft werden sich die Anwendungsbereiche der 3D-Drucktechnologie weiter ausdehnen, mit einer größeren Vielfalt an Druckmaterialien und verbesserten Funktionen der Druckgeräte. Es wird erwartet, dass dieser Fortschritt tiefgreifende Auswirkungen auf die traditionellen Produktionsmethoden und das menschliche Leben haben wird und eine neue Ära der Fertigungsrevolution einläutet.