Der 3D-Druck ist zu einer viel etablierteren Technologie geworden, mit Druckmaschinen, die in nahezu jedem Preissegment erhältlich sind. Die meisten Leute, die einen 3D-Drucker wollen, können wahrscheinlich ein Modell finden, das sie sich leisten können. Trotzdem ist der 3D-Druck noch so neu, dass nur wenige wissen, wie er funktioniert. 

Deshalb ist jetzt ein guter Zeitpunkt, um die Frage „ Wie^(How) funktioniert 3D-Druck?“ zu beantworten. Es besteht eine sehr gute Chance, dass Sie eines irgendwann verwenden müssen!

Additiver vs. subtraktiver 3D-Druck^{(Additive vs Subtractive 3D Printing)}

Es gibt zwei große Kategorien des 3D-Drucks. Die 3D-Drucker, die Sie selbst kaufen können, sind fast alle „additive“ Maschinen. Mit anderen Worten, sie bauen 3D-Objekte, indem sie Material (normalerweise in Schichten) hinzufügen, bis das Objekt fertig ist. Die 3D-Drucker, an die die Leute denken, wenn sie „3D-Drucker“ hören, sind fast immer additiver Art.

Subtraktiver 3D-Druck ist ganz anders. Hier fängt man mit einer festen Materialmenge an und nimmt dann Material ab, bis nur noch das fertige Objekt übrig bleibt. Ein Bildhauer, der eine Statue aus Marmor herstellt, verwendet eine subtraktive Methode. Subtraktive Maschinen sind normalerweise in großen Werkstätten und Industrieumgebungen zu finden. CNC -Frässysteme (Computer Numerical Control) sind wohl das bekannteste Beispiel.

Wir konzentrieren uns ab jetzt nur noch auf additive Maschinen, da sie für den Durchschnittsverbraucher relevant sind. Denken Sie nur daran, dass subtraktive Maschinen zur gleichen erweiterten Familie von 3D-Druckern gehören wie die, die Sie vielleicht auf einen Schreibtisch stellen.

Fused Deposition Modeling, Stereolithographie und selektives Lasersintern^{(Fused Deposition Modelling, Stereolithography and Selective Laser Sintering)}

Die drei Hauptverfahren des additiven 3D-Drucks sind FDM (Fused Deposition Modeling), Stereolithographie ( SLA ) und Selektives Lasersintern ( SLS ).

Der da Vinci FDM-Drucker^{(The da Vinci FDM Printer)(The da Vinci FDM Printer)}

FDM ist das am weitesten verbreitete System für Verbraucher. Bei diesen Druckertypen wird ein Materialfaden durch einen heißen Druckkopf geführt. Der Druckkopf wird präzise im 3D-Raum positioniert und trägt eine Materialschicht nach exakt programmierten Anweisungen auf. Es gibt verschiedene Herangehensweisen an FDM , aber dazu kommen wir gleich.

Der Nobel SLA-Drucker^{(The Nobel SLA Printer) (The Nobel SLA Printer )}

Stereolithographie^{(Stereolithography)} ist in Consumer-Systemen viel seltener. Diese Drucker verwenden Laser, um ein flüssiges Harz zu einem festen Kunststoffmaterial auszuhärten. Normalerweise wird das Objekt aus einem Harzbehälter „gezogen“, wobei sich Schicht für Schicht bildet, während es aus dem Material aufsteigt. In den letzten Jahren sind SLA-Drucker kompakter und erschwinglicher geworden. Es ist also eine echte Alternative zu FDM - Druckern, je nachdem, für welche Art von Endmodell Sie sich entscheiden.

Beim selektiven^(Selective) Lasersintern ( SLS ) wird ein Polymerpulver mit einem leistungsstarken Laser verschmolzen. Das eigentliche Pulver fungiert als Stützstruktur für den Druck, sodass diese Art des Druckens kein spezielles Gerüst benötigt. SLS ist keine Art von FDM , die Sie auf dem Desktop finden. Es ist vorerst noch eine industrielle Technologie.

Kartesische und Delta-Roboterdrucker^{(Cartesian & Delta Robot Printers)}

Ein Delta-Roboterdrucker^{(A Delta Robot Printer)(A Delta Robot Printer)}

Die häufigste Art von FDM - Druckern ist der kartesische 3D-Drucker. Der Name bezieht sich auf kartesische Koordinaten. Das sind die XYZ - Koordinaten, die wir alle in der Schule gelernt haben. Der Druckkopf kann zu jeder XYZ -Koordinate innerhalb des Druckvolumenraums bewegt werden. Die Rechnung ist einfach, die Drucker sind ziemlich erschwinglich und die Druckqualität ist präzise. 

Je nachdem, wie granular die XYZ-Koordinaten sind, sind gekrümmte Oberflächen jedoch möglicherweise nicht so glatt, wie sie sein könnten, was einige manuelle Nacharbeiten erfordert.

^(Delta)Roboterdrucker von Delta verfolgen einen anderen Ansatz. Der Druckkopf ist an drei Armen montiert, die auf drei Schienen laufen. Durch Variieren der Höhe jedes Arms kann der Druckkopf schwingen. Dieses Design ermöglicht es dem Druckkopf, in echten Kurven zu schwingen, und ermöglicht auch das Drucken hoher Objekte innerhalb des Druckvolumens.

Grundsätzlich gilt: Je länger die Schienen sind, desto größer kann das Modell werden. Anstelle von XYZ-Koordinaten verwenden Delta-Roboterdrucker Trigonometrie, um die Druckkopfposition zu berechnen. Das Endergebnis ist, dass sie nicht ganz die gleiche Druckauflösung wie kartesische Drucker erreichen können.

Um das Delta-Roboter-Konzept wirklich zu verstehen, müssen Sie es in Aktion sehen. Schauen Sie sich dieses Video von Johann Rocholl an und Sie werden das Konzept schnell verstehen.

Beachten Sie^(Notice) die Artikulation an den Armen und wie frei und reibungslos sich der Druckkopf bewegen kann.

3D-Druckermaterialien^{(3D Printer Materials)}

3D-Drucker verwenden eine Vielzahl von Materialien, aber es gibt zwei Kunststoffe, die bei Verbraucheranwendungen mit Abstand am häufigsten verwendet werden: ABS und PLA .

ABS ( Acrylnitril-Butadien-Styrol^{(Acrylonitrile Butadiene Styrene)} ) ist genau derselbe Kunststoff, aus dem LEGO- Steine ​​bestehen. Dieser Kunststoff verzieht sich beim Abkühlen leicht und benötigt einen Drucker mit beheiztem Druckbett. Es ist ziemlich schlagfest, aber nicht besonders stark. Es eignet sich für die Herstellung von Prototypenteilen und sogar nicht tragenden Endteilen.

PLA ( Polymilchsäure^{(Polylactic Acid)} ) hat einen niedrigen Schmelzpunkt, verzieht sich nicht stark, ist einfach zu verarbeiten und hat weniger Fehldrucke. Es ist auch viel zu spröde für den praktischen Gebrauch, aber es eignet sich hervorragend zum Erstellen glatter, detaillierter Modelle, die nur zum Anschauen gedacht sind.

Die gute Nachricht ist, dass die meisten 3D-Drucker für Verbraucher mit diesen beiden kostengünstigen Materialien funktionieren. So können Sie sie je nach Bedarf austauschen.

Nylon -Filament ist eine weitere Option und es gibt sogar Drucker, die Holz oder Metall als Material verwenden. Drucker der nächsten Generation können auch mehr als ein Filament gleichzeitig verarbeiten, was gemischte Materialien oder mehrfarbige Drucke ermöglicht.

Der typische 3D-Druckprozess^{(The Typical 3D Printing Process)}

Wenn Sie noch nie selbst einen 3D-Druck gemacht haben, sind Sie wahrscheinlich neugierig, wie es aus Benutzersicht tatsächlich funktioniert. Die Verwendung eines 3D-Druckers ist zwar nicht so einfach wie das Erstellen von 2D-Drucken auf einem Laser- oder Tintenstrahldrucker, aber bei weitem nicht so schwierig, wie Sie vielleicht denken.

Nachdem Sie den Drucker gemäß Handbuch eingerichtet und korrekt kalibriert und nivelliert haben, benötigen Sie zunächst ein Modell zum Drucken.

Sie können Ihr eigenes Modell mit etwas wie Zbrush oder AutoCAD erstellen^{( Zbrush or AutoCAD)} , aber die meisten Leute werden wahrscheinlich ein Modell von einer Online-Site herunterladen. Die erste Station sollte auf jeden Fall Thingiverse sein , die wahrscheinlich berühmteste Sammlung von von Benutzern eingereichten Modellen. Es gibt jedoch viele Alternativen^{(alternatives)} .

Nachdem Sie ein Modell in einem kompatiblen Format erhalten haben, öffnen Sie es in der Software, die mit Ihrem Drucker geliefert wurde. Sie alle sehen anders aus und funktionieren anders, aber das Grundkonzept ist dasselbe. Möglicherweise möchten Sie ein 3D-Modell auch zuerst mit Meshmixer behandeln , wodurch sichergestellt wird, dass ein 3D-Modell solide und zum Drucken geeignet ist.

In der 3D-Druckersoftware wählen Sie die Größe und Qualität des Modells aus und die Software konvertiert es in „Scheiben“, die jede Druckschicht darstellen. Es berechnet auch das „Gerüst“, das gedruckt werden muss, um das Modell während seiner Herstellung zu stützen. Dieses Zeug kann abgebrochen werden, wenn der Druck fertig ist.

Mit all der Vorbereitungsarbeit hinter Ihnen kann der Druck beginnen. Je nach Qualitätseinstellungen kann es zu längeren Wartezeiten kommen! Hochwertige Drucke variieren von einigen Stunden bis zu einigen Tagen. Glücklicherweise^(Thankfully) können Sie bei einigen 3D-Druckern den Fortschritt Ihres Drucks über eine App fernüberwachen.

Sobald der Druck fertig ist, entfernen Sie ihn vom Bett und lösen ihn dann vom Gerüst. In vielen Fällen müssen Sie das Modell mit Sandpapier und speziellen Schneidwerkzeugen nachbearbeiten, um Unvollkommenheiten zu beseitigen. Einige Leute malen sogar ihre Modelle! Die einzige wirkliche Grenze ist Ihre Kreativität.

Wenn Sie unbedingt einen 3D-Drucker kaufen möchten, sind dies unsere besten Tipps,^{(best picks)} und wenn Sie ein begrenztes Budget haben, sind dies taschenfreundlichere Optionen.

HDG Explains : How Does 3D Printing Work?

3D printing has become a much more mainstream technology, with printing machines available at just about every price point. Most people who want a 3D printer can probably find a model they can afford. Despite this, 3D printing is still so new that few peoрle knоw how it works. 

This is why now is a good time to answer the question “How does 3D printing work?”. There’s a very good chance you’ll have to use one eventually!

Additive vs Subtractive 3D Printing

There are two broad categories of 3D printing. The 3D printers that you can buy yourself are almost all “additive” machines. In other words, they build 3D objects by adding material (usually in layers) until the object is complete. The 3D printers people think of when they hear “3D printer” is almost always of the additive variety.

Subtractive 3D printing is very different. Here you start with a fixed amount of material and then remove material until only the finished object is left. A sculptor making a statue out of marble is using a subtractive method. Subtractive machines are usually found in large workshops and industrial settings. CNC milling (computer numerical control) systems are probably the best-known example.

We’ll only be concentrating on additive machines from here on out, since they’re relevant to the average consumer. Just know that subtractive machines belong to the same extended family of 3D printers as the one you might put on a desk.

Fused Deposition Modelling, Stereolithography and Selective Laser Sintering

The three main methods of additive 3D printing are FDM (fused deposition modelling), stereolithography (SLA) and selective laser sintering (SLS).

The da Vinci FDM Printer

FDM is the most common consumer-grade system. With these types of printers a filament of material is passed through a hot print head. The print head is precisely positioned in 3D-space and deposits a layer of material according to exact programmed instructions. There are different approaches to FDM, but we’ll get to that in a moment.

The Nobel SLA Printer 

Stereolithography is much less common in consumer systems. These printers use lasers to cure a liquid resin into a solid plastic material. Usually, the object is “pulled” from a vat of resin, forming layer by layer as it rises from the material. In recent years SLA printers have become more compact and affordable. So it’s a real alternative to FDM printers, depending on what type of final model you settle on.

Selective laser sintering (SLS) uses a powerful laser to fuse a polymer powder. The actual powder acts as a support structure for the print, so this type of printing doesn’t need special scaffolding. SLS is not a type of FDM you’ll find on the desktop. It’s still an industrial technology for now.

Cartesian & Delta Robot Printers

A Delta Robot Printer

The most common type of FDM printer is the cartesian 3D printer. The name refers to cartesian coordinates. That’s the XYZ coordinates we all learned in school. The print head can be moved to any XYZ coordinate within the print volume space. The math is simple, the printers are pretty affordable and print quality is precise. 

However, depending on how granular the XYZ coordinates are, curved surfaces might not be as smooth as they could be, requiring some manual finishing work.

Delta robot printers take a different approach. The print head is mounted to three arms that run on three rails. By varying the height of each arm, the print head can swing. This design allows for the print head to swing in true curves and also allows for tall objects to be printed within the print volume.

Basically, the longer the rails are, the taller the model can be. Rather than XYZ coordinates, delta robot printers use trigonometry to calculate print head position. The end result is that they can’t reach quite the same print resolution as cartesian printers.

To really understand the delta robot concept, you need to see it in action. Have a look at this video by Johann Rocholl and you’ll quickly get the concept.

Notice the articulation on the arms and how freely and smoothly the print head can move.

3D Printer Materials

3D printers use a variety of materials, but there are two plastics that are by far the most common in consumer-grade applications: ABS and PLA.

ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) is exactly the same plastic that LEGO bricks are made of. This plastic is susceptible to warping when cooling down and needs a printer with a heated print bed. It’s quite impact resistant, but not particularly strong. It’s suitable for making prototype parts and even final parts that aren’t load-bearing.

PLA (Polylactic Acid) has a low melting point, doesn’t warp much, is easy to work with and has fewer failed prints. It’s also far too brittle for any practical use, but it is brilliant for creating smooth, detailed models that are only meant to be looked at.

The good news is that most consumer 3D printers will work with both of these inexpensive materials. So you can change them out as your needs require.

Nylon filament is another option and there are even printers that use wood or metal as a material. Next-generation printers can also handle more than one filament at a time, allowing for mixed material or multi-color prints.

The Typical 3D Printing Process

If you’ve never made a 3D print yourself, you’re probably curious about how it actually works from a user perspective. While using a 3D printer isn’t as easy as knocking out 2D prints on a laser or inkjet printer, it’s not nearly as difficult as you might think.

After setting up the printer according to the manual, with calibration and levelling done correctly, you first need a model to print.

You can make your own model, using something like Zbrush or AutoCAD, but most people are likely to download a model from an online site. The first stop should definitely be Thingiverse, which is quite possibly the most famous collection of user-submitted models. However, there are many alternatives.

After getting a model in a compatible format, you’ll open it up in the software that came with your printer. They all look and work differently, but the basic concept is the same. You may also want to first treat a 3D model with Meshmixer, which ensures that a 3D model is solid and suitable for printing.

In the 3D printer software, you’ll pick the size and quality of the model and the software will convert it into “slices” representing each print layer. It will also calculate the “scaffolding” that has to be printed to support the model while it’s being made. This stuff can be broken off when the print is done.

With all that prep work behind you, the print can begin. Depending on the quality settings, you might be in for a long wait! High quality prints vary from a few hours to a few days. Thankfully, some 3D printers let you monitor the progress of your print remotely via an app.

Once the print is done, you’ll remove it from the bed and then break it free of the scaffolding. In many cases you’ll have to finish the model using sandpaper and special cutting tools to remove imperfections. Some people even paint their models! The only real limit is your creativity.

If you’re itching to buy a 3D printer, these are our best picks and if you’re on a budget, these are more pocket friendly options.

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