3D-Drucken...und dann? (eBook)

Weiterbearbeitung, Verbindung & Veredelung von 3D-Druck-Teilen

Hartmut Rother (Autor)

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2017
288 Seiten
Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG
978-3-446-45451-4 (ISBN)

Infos

3D-Drucken...und dann? So kannst du deine 3D-Druck-Teile weiterbearbeiten, verbinden & veredeln

Begeistern dich die Möglichkeiten des 3D-Drucks? Hast du schon die ersten Dinge selbst gedruckt? Dann weißt du: Nach dem Druck geht die Arbeit meist erst richtig los. Die 3D-Druck-Teile müssen zurechtgeschliffen, lackiert oder verklebt werden, um ein in deinen Augen perfektes Objekt daraus entstehen zu lassen.

Anhand praktischer Beispiele stellt dir Hartmut Rother eine Vielzahl von Techniken vor, mit denen du deine 3D-gedruckten Teile weiterbearbeiten, verbinden und veredeln kannst.

Folgende Themen erwarten dich:

- Schnelleinstieg: So gelangst du zu deinem 3D-Modell

- 3D-Druck-gerechte Konstruktion inkl. Handling von Hohlräumen, variablen Wandstärken & Überhängen

- Aufbereitung der Modelle (Slicing) für 3D-Druck & Weiterbearbeitung

- Weiterbearbeitung von 3D-Druck-Objekten: Feilen, Schleifen, Bohren, Fräsen, Prägen, Lasercutting & Co.

- Verbindung von 3D-Druck-Teilen: Schrauben, Löten, Kleben, Nieten & Co.

- Oberflächenbehandlung & Beschichtung von 3D-Druck-Objekten: Versiegeln, Lackieren, Bemalen, Lasergravieren & Co.

Wenn du darauf brennst, deine 3D-Druck-Teile so weiterzubearbeiten, dass daraus Gegenstände entstehen, die voll und ganz deinen Ansprüchen an Ästhetik und Funktionalität entsprechen, dann liefert dir dieses Buch alle notwendigen Skills.

Autor

Hartmut Rother ist Projektleiter und -konstrukteur. In seiner Freizeit beschäftigt er sich mit Funktions- bzw. Mikromodellbau. Er besitzt einen kleinen Maschinenpark, um sich die passenden Teile für seine Modelle anzufertigen.

Inhalt

Inhaltsverzeichnis 6
1 Einführung 10
2 Schnelleinstieg in die Welt des 3D-Drucks 16
2.1 Die wichtigsten 3D-Druck-Verfahren im Überblick 17
2.1.1 Stereolithografie (SLA), Selektives Lasersintern (SLS) und Selective Laser Melting (SLM) 18
2.1.2 Fused Filament Fabrication (FFF)/Fused Deposition Modeling (FDM) 21
2.1.3 Ausblick 22
2.2 Das 3D-Modell – die Basis deines 3D-Druck-Projekts 23
2.2.1 Content-Plattformen – die Verwendung bestehender Modelle 24
2.2.2 3D-Modellierung – die Erstellung eigener Objekte 27
2.2.3 Scanning – die digitale Erfassung von Objekten 29
2.2.4 Mögliche Dateiformate 30
3 3D-Druck-gerechtes Konstruieren – die Basis für stabile und weiterbearbeitbare Objekte 32
3.1 Der Weg vom CAD-Modell zum 3D-gedruckten Teil 34
3.2 Umgang mit Kanten und Radien 37
3.3 Umgang mit Spitzen und Verrundungen 39
3.4 Umgang mit Wandstärken 40
3.5 Umgang mit variablen Wandstärken 43
3.6 Umgang mit „Bridge“-Segmenten 44
3.7 Umgang mit „Overhang“-Segmenten 48
3.8 Umgang mit Bohrungen 54
3.9 Geteiltes Modell und zusammengesetztes Werkstück 56
3.10 Funktionsgerechtes Konstruieren 57
3.10.1 Statisch optimiertes Konstruieren 57
3.10.2 Dynamisch optimierte Konstruktion 63
4 Slicing-Hinweise für 3D-Druck-Teile und deren Weiterverarbeitung 66
4.1 Vollkörper vs. Hohlkörper 67
4.2 Füllung von Hohlkörpern 72
4.2.1 Füllmodus 72
4.2.2 Füllungswinkel 79
4.2.3 Füllungsdichte 80
4.2.4 Das macht eine gute Füllung aus 82
4.3 Slicing von Boden-, Deckel- und Wandstärken 84
4.4 Optimale Ausrichtung auf dem Heatbed, Einsatz von Brim 85
4.5 Optimale Ausrichtung auf dem Heatbed, Vermeidung von Support 89
5 Weiterbearbeitung von 3D-Druck-Objekten 92
5.1 Grundlagen und Vorbereitung 95
5.2 Feilen 101
5.3 Manuelles Schleifen 105
5.4 Feinschleifen/Dremeln 106
5.5 Bohren 111
5.5.1 Bohren von Löchern mit einem Durchmesser kleiner 1,5 mm (d?< ?1,5?mm)
5.5.2 Bohren von Löchern mit einem Durchmesser größer 1,5 mm (d?> ?1,5 mm)
5.6 Fräsen 126
5.7 Gewindeschneiden 135
5.8 Passungen reiben 144
5.9 Drehen 146
5.9.1 Innendrehen 156
5.9.2 Außendrehen 157
5.10 Biegen 159
5.11 Prägen 162
5.12 Heißdrahtschneiden 165
5.13 Lasercutting 167
6 Verbindung von 3D-Druck-Teilen 172
6.1 Nut-Feder-Verbindung 174
6.2 Spundung 180
6.3 Schwalbenschwanzverbindung 184
6.4 Passstiftverbindung 191
6.5 Passfederverbindung 197
6.6 Verbindung durch eine Passverzahnung 201
6.7 Schraubverbindung 205
6.8 Nietverbindungen 212
6.8.1 Vollnieten 212
6.8.2 Hohlnieten 218
6.8.3 Blindnieten 220
6.9 Klebverbindung 224
6.10 Verbinden mittels Lötkolben 228
6.11 Verbinden mittels Heißluftlötstation 232
6.12 Verbindung mittels 3D-Pen 234
6.13 Verbindung mittels Rotationsreibschweißen (mit der Drehbank) 236
7 Oberflächenbehandlung und Beschichtung von 3D-Druck-Objekten 244
7.1 Versiegeln 245
7.1.1 Füllung mit Acryl-Spritzspachtel 246
7.1.2 Beschichtung mit Epoxidharz 248
7.1.3 Oberflächenbehandlung mittels Aceton 250
7.1.4 Oberflächenglättung mit dem Lötkolben 254
7.1.5 Oberflächenglättung mittels Heißluft 256
7.1.6 Oberflächenglättung mit dem 3D-Pen 257
7.2 Oberflächenglättung mittels Sandstrahlen 258
7.3 Bemalen 262
7.4 Spritzlackieren 265
7.5 Tauchbeschichtung mit Farbe/Lack 268
7.6 Rakelbeschichtung mit Farbe/Lack 270
7.7 Bedrucken 271
7.8 Laserbeschriftung und -gravur 276
Stichwortverzeichnis 280

Textauszug

3	3D-Druck-gerechtes Konstruieren — die Basis für stabile und weiterbearbeitbare Objekte

Was ist eigentlich eine „Konstruktion“ und wie erstellt man diese? Je nachdem, wen man fragt, wird man die unterschiedlichsten Antworten bekommen. Die ältere Generation wird sich noch an Zeiten erinnern, zu denen Konstruktionen mit Zeichenbrett, Lineal, Bleistift und Tuschefüller erstellt wurden. Die jüngeren unter euch kennen nur noch digitale 2D- oder 3D-Konstruktionen, die mit einer CAD-Software am Desktop-Computer erstellt werden. Und manche von euch werden vielleicht sagen: Muss ich mich denn überhaupt noch mit Konstruktion beschäftigen, wenn mir bereits so viele fertige und kostenlos verfügbare Modelle im Internet zur Verfügung stehen? Ich sage: Wenn du kreativ sein willst, dann solltest du etwas von guter Konstruktion verstehen.

Den Begriff „Konstruktion“ kann man wie folgt definieren: Konstruieren heißt, den Entwurf eines technischen Produkts so auszuarbeiten, dass dieser gefertigt werden kann. Hierzu werden Technische Zeichnungen, Zusammenstellungszeichnungen oder Montageanleitungen erstellt. In der Technischen Zeichnung ist das Einzelteil dargestellt und mit Material-, Bearbeitungs-, Maß- und Toleranzangaben1 sowie Bezugsquellen für Materialien versehen.

Wenn man sich an die Beschreibung der Rapid Prototyping-Verfahren in Abschnitt 2.1 erinnert, sind hierfür nur 3D-Geometrie-Daten essentiell. Das heißt, zum Erstellen von 3D-gedruckten Werkstücken ist nur ein Teil der kompletten Konstruktionsarbeit notwendig, da keine Zeichnungen der Einzelteile mit Material-, Bearbeitungs-, Maß- und Toleranzangaben erforderlich sind. Möchte man ein 3D-Druck-Teil jedoch weiterbearbeiten oder mit anderen Teilen verbinden, dann sind die Maß- und Toleranzangaben sehr wohl von Belang.

Das 3D-Drucken bietet zwei riesige Vorteile gegenüber den klassischen Fertigungsverfahren.

Zum einen lassen sich Hohlkörper aus einem Teil fertigen, z. B. eine Hohlkugel. Eine Hohlkomponente kann weder an der Drehbank noch durch Fräsen aus einem Teil gefertigt werden, da das Werkzeug nicht in das Innere des Werkstücks gelangen kann (Bild 3.1). Mit Rapid-Prototyping-Verfahren wie z. B. dem 3D-Druck ist es kein Problem, eine Hohlkugel herzustellen, weil das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut wird.

Bild 3.1 Werkzeug (Drehmeißel) in der Hohlkugel

Zum anderen können am Werkstück extreme Hinterschnitte realisiert werden. Als Anschauungsbeispiel soll das Teil aus Bild 3.2 dienen. Dieses Teil kann weder durch Drehen noch durch Fräsen aus einem Teil gefertigt werden, da das Werkzeug nicht in den Hinterschnitt des Werkstückes gelangen kann. Mit dem 3D-Druck-Verfahren ist dies kein Problem, weil das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut wird.

Bild 3.2 Werkstück mit extremen Hinterschnitt

Zusammenfassend kann man sagen, dass man seiner Kreativität bei der Konstruktion von 3D-Druck-Teilen beinahe freien Lauf lassen kann. Die einzigen Teile, die nicht mit der FFF-Technologie gefertigt werden können, sind Werkstücke, die auf inkohärenten 3D-Modellen beruhen. Das sind Geometrien, die keine eindeutige Geometriebeschreibung haben, oder deren Volumen oder Wandstärke gleich null ist.

Doch auch, wenn so gut wie alles in einem 3D-Modell nachgebildet werden kann, ist nicht jedes Gebilde gleich gut für die Fused Filament Fabrication geeignet. Dieses Kapitel zeigt dir, wie du 3D-Druck-gerecht konstruierst, und so die Basis für stabile und weiterbearbeitbare Objekte schaffst.

Die Konstruktionshinweise verfolgen zwei Ziele: Zum einen soll das 3D-Modell gute Ergebnisse beim 3D-Druck sicherstellen, d. h., die Konstruktion soll so gewählt sein, dass das Objekt ohne große parametrische2 Kunstgriffe mit dem 3D-Drucker gefertigt werden kann. Das zweite Ziel ist, die Konstruktion so auslegen, dass ein stabiles Werkstück entsteht, das nach dem 3D-Druck noch gut nachgearbeitet werden kann. Dazu gehört z. B., dass das Objekt nach dem FDM-Prozess in einen Schraubstock eingespannt werden kann, ohne dass es zerbricht.

3.1	Der Weg vom CAD-Modell zum 3D-gedruckten Teil

Um den Zusammenhang und die Abhängigkeiten zwischen der FFF-Technologie und dem 3D-Modell besser erklären zu können, zeigt Bild 3.3 den Weg vom CAD-Modell zum 3D-gedruckten Werkstück erst einmal kurz in der Übersicht.

Bild 3.3 Vom CAD-Modell zum 3D-gedruckten Werkstück

Als Erstes wird das 3D-Modell im Slicer (CAM-Programm) in Schichten (Layer) zerlegt. Jeder Layer wird wiederum mit Materialschlangen aufgefüllt. Mit diesen Geometrieinformationen wird ein CNC-Programm (G-Code) erstellt. Das reale Werkstück wird schichtweise auf der heat plate bzw. dem heat bed (= Heizplatte, Heizbett, Bauplattform) aufgebaut. Hierzu wird in einem Extruder, bestehend aus Heizspirale sowie Filament- und evtl. Supportvorschub, das Filament teigig aufgeschmolzen und als Materialschlange oder -wurst aufgetragen. Damit eine komplette Materialschicht entsteht, muss der Extruder und/oder das Heizbett eine x- und y-Bewegung ausführen. Wenn eine Schicht fertig ist, wird das heat bed um eine Schicht nach unten verfahren (oder der Extruder um eine Schicht nach oben gefahren) und der nächste Layer wird aufgetragen.

Bild 3.4 veranschaulicht das Prinzip des 3D-Druck-Prozesses. Hier verfährt nur der Extruder in x- und y-Richtung. Es gibt aber einige 3D-Drucker, bei denen das heat bed die x- und y-Bewegung ausführt. Am weitesten verbreitet ist eine „Aufteilung“ der Verfahrrichtungen, d. h., die eine Raumrichtung (z. B. die x-Bewegung) vollführt der Extruder und die andere Raumrichtung (y-Bewegung) wird durch das Heizbett bewerkstelligt. Darüber hinaus werden von einigen Herstellern Tripods angeboten, bei denen alle Bewegungen vom Extruder ausgeführt werden. Um die weiteren Beschreibungen allgemein zu halten, kommt die Bezeichnung „Extruder und/oder Heizbett“ zum Tragen.

Bild 3.4 Prinzip des 3D-Druck-Prozesse

Für alle folgenden (Prinzip-)skizzen werden der Übersichtlichkeit halber immer die gleichen Farben für die gleichen Komponenten verwendet. In Tabelle 3.1 ist die Farbfestlegung aufgeführt.

Tabelle 3.1 Definition der Komponenten eines 3D-Druckers

Objekt

Farbe

heat plate, heat bed, build platform (Heizplatte, Heizbett, Bauplattform)

hellgrau

(Filament-)Bauteil

dunkelblau

(Filament-)Support

hellblau

Brim (Erklärung siehe Abschnitt 4.4)

blau

Bewegung des Extruders, Filament

hellgrün

Im Folgenden wollen wir theoretisch erarbeiten, wie das aufgeschmolzene Filament aus der Düse des Extruders austritt und zu einer Materialschlange am heat bed wird (Bild 3.5).

Bild 3.5 Heatbed mit „Materialschlange“

Der Volumenstrom V1 aus Material (aufgeschmolzenes Filament) an der Düse muss genauso groß sein wie der Volumenstrom V2 der Materialschlange auf der Heizplatte. Ist nun die Fördergeschwindigkeit des Extruders genauso groß wie die Verfahrgeschwindigkeit von heat plate und/oder Extruder, so sind die beiden Querschnittsflächen (Filament am Austritt der Düse und der Materialwurst) gleich groß. Betrachtet man die Fläche an der Düse, so handelt es sich hier um eine Kreisfläche, während die Fläche der Materialschlange am Heizbett angenähert eine Langlochfläche darstellt. Diese Fläche wird dadurch erzeugt, dass die Materialschlange auf das heat bed gedrückt wird. Die Verformungskräfte der Materialwurst werden durch den Materialbogen aufgenommen. Nur durch diesen Vorgang haftet die erste Materialebene auf der Aufbauplattform und alle weiteren Materialschlangen einer Ebenen haften auf der darunter liegenden Materialebene.

Hierfür folgt nun ein kleines Beispiel, um sich die Dimensionen der Materialwurst bei 3D-Drucken vor Augen zu führen.

• Durchmesser der Düse des Extruders: d = 0,3 mm

• Layerdicke (Schichtdicke einer Materialebene): h = 0,1 mm

Auszurechnen ist die...

Produkt-Details

• Erscheint lt. Verlag: 10.4.2017
• Reihe/Serie: makers DO IT
• Verlagsort: München
• Sprache: deutsch
• Themenwelt: Informatik ► Weitere Themen ► Hardware
• Schlagworte: 3D-Druck • Beschichtung • Guide • makers • Verbindungstechnik • Veredelung • Weiterbearbeitung
• ISBN-10: 3-446-45451-9 / 3446454519
• ISBN-13: 978-3-446-45451-4 / 9783446454514