Leitfaden für 3D-gedruckte Brillen

Die Verbreitung 3D-gedruckter Brillen für die Endverwendung hat in den letzten fünf Jahren erheblich zugenommen. Sowohl kleine Unternehmen als auch größere Marken profitieren gleichermaßen von der Gestaltungsfreiheit, den Kleinserienmöglichkeiten und den Nachhaltigkeitsvorteilen, die der 3D-Druck bietet.

Ob es um den Schutz am Arbeitsplatz, die funktionale Leistung oder um Mode geht, der 3D-Druck hat in die Eyewear-Branche Einzug gehalten und die Herangehensweise im Design und in der Fertigung verändert.

Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks liegt in der Reduzierung der Montageschritte während der Herstellung, ohne die Produktstabilität und -qualität zu beeinträchtigen. Einige Brillenhersteller geben an, dass die Produktion von Acetatrahmen bis zu sechzig Einzelschritte erfordert.

Der 3D-Druck reduziert die Montagekomplexität erheblich und senkt die damit verbundenen Arbeitskosten, dank des folgenden Prozesses:

SLS-3D-Druck (Selektives Lasersintern) ist die am häufigsten genutzte Technologie der additiven Fertigung bei industriellen Anwendungen. Ingenieur*innen und Hersteller verschiedener Branchen vertrauen darauf, um starke und funktionsfähige Teile zu produzieren.

SLS-3D-Drucker verwenden einen Hochleistungslaser, um kleine Polymerpulverpartikel zu sintern. Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich. SLS eignet sich somit ideal für komplexe Geometrien wie Teile mit Details im Inneren, Hinterschneidungen, dünnen Wänden und Vertiefungen. SLS-Teile bieten herausragende mechanische Eigenschaften und eine Festigkeit, die mit der von Spritzgussteilen vergleichbar ist, was den Prozess ideal für die Herstellung 3D-gedruckter Brillen macht.

Im Folgenden erfahren Sie, wie 3D-Druck die Markteinführung beschleunigt, Arbeitskosten reduziert und die Notwendigkeit von Mindestbestellmengen für Brillengestelle und -bügel beseitigt.

Aktuell erfolgt die Produktion von Brillengestellen hauptsächlich durch Spritzguss, Stanzschneiden oder präzises CNC-Fräsen. Das zwingt Herstellern erhebliche Kosten für Formwerkzeuge und Geräte auf. Das Outsourcing von Formen oder zerspanten Teilen kann Wochen dauern und Tausenderbeträge kosten. Um diese Ausgaben zu rechtfertigen, muss der Hersteller sich zu extrem hohen Produktmengen verpflichten, was häufig zu niedrigeren Gewinnen und hohen Beständen an unverkäuflicher Ware führt.

Dieses System ist sowohl finanziell als auch ökologisch nicht tragbar. Mit 3D-Druck übernehmen Unternehmen die Kontrolle über ihre eigene Produktion ganz ohne Forminvestitionen. Das senkt das Risiko für den Start einer neuen Produktserie erheblich. Betriebsinterner 3D-Druck befreit Hersteller von hohen Mindestbestellmengen und Verpflichtungen gegenüber unbeliebten Produktdesigns, da er die Produktion kleiner, bedarfsorientierter Chargen ohne anfängliche Formenbaukosten ermöglicht.

Die meisten Brillen werden heutzutage durch Spritzguss oder einen subtraktiven Prozess hergestellt, bei dem Acetat in die gewünschte Form geschnitten wird. Beim Schneideprozess werden große Acetatplatten verwendet, um die Rahmenform auszuschneiden – wobei sämtliches übrig gebliebene Material als Abfall endet.

Im Gegensatz dazu handelt es sich beim 3D-Druck um einen additiven Prozess, bei dem ein Grundmaterial Schicht für Schicht aufgetragen wird, bis das gewünschte Teil entsteht. Mit dem SLS-Ecosystem von Formlabs wird nicht verwendetes Pulvermaterial im nächsten Druck wiederverwendet, was nahezu alle Materialverschwendung vermeidet.

Dank des platzsparenden Designs und des erschwinglichen Preises des Fuse-Ecosystems lassen sich mehrere Geräte auch an verschiedenen Standorten anschaffen. Dadurch wird die Produktionskapazität auf Regionen verteilt, die sich nahe an den Verbrauchern befinden. Und die Abhängigkeit von der globalen Lieferkette mit all ihren Problemen wird verringert. Außerdem minimiert dezentrale Produktion auch die negativen Umweltauswirkungen, die mit Überproduktion und Versand einhergehen.

Im Gegensatz zu anderen Polymer-3D-Drucktechnologien benötigt der SLS-3D-Druck keine Stützstrukturen, da die Druckteile vom umgebenden Pulverbett gestützt werden. Ohne Stützstrukturen, Gusskanäle oder Einschränkungen bei den Winkeln und Hinterschneidungen – wie sie in herkömmlichen Form- oder Schneideprozessen üblich sind – bietet der SLS-3D-Druck nahezu uneingeschränkte Gestaltungsfreiheit. Dies erlaubt Designs, die zuvor zu kostspielig oder sogar unmöglich waren.

So hindern Herstellungsbeschränkungen Designteams nicht mehr daran, die funktionalsten, passendsten oder modischsten Designs zu entwickeln. 3D-gedruckte Brillen bieten schnellere Reaktion auf Verbrauchertrends als jemals zuvor, sodass Marken neue und aufstrebende Marktsegmente erschließen können.

Ohne Werkzeugbestückung oder Mindestbestellmengen rücken Produktindividualisierungen endlich in greifbare Nähe. So bieten Sie der Kundschaft individuelle Größen und Designentscheidungen und liefern ein völlig einzigartiges oder besser passendes Produkt.

Der 3D-Druck wird bereits in verschiedenen Bereichen wie Orthopädie, Actionfiguren und Audiologie zur Umsetzung der Produktindividualisierung genutzt und erzielt in der Regel großen Erfolg, da die Verbraucher*innen das Produkt als nützlicher oder persönlicher empfinden. In Anbetracht der Vielfalt an Altersgruppen, Ethnien und Gesichtsmerkmalen in der heutigen Welt rücken wir zunehmend von einer „Einheitsgrößen“-Mentalität ab und tauchen tiefer ein in die Welt der Personalisierung.

Der 3D-Druck von Eyewear für die Endverwendung bringt einzigartige Vorzüge und Herausforderungen mit sich. In diesem Abschnitt behandeln wir Aspekte wie Textur, Scharniermöglichkeiten, die Gestaltung von nicht gießbaren Geometrien und die Individualisierung.

Additiv gefertigte Teile entstehen schichtweise, wodurch einige Oberflächen sichtbare Schichtlinien aufweisen können. Schichtlinien lassen sich durch die Optimierung der Teileausrichtung, das Design sowie durch zusätzliche Nachbearbeitung und Glättung der Oberfläche minimieren.

Geprägte oder vertiefte Texturen auf der Oberfläche von Rahmen und Bügeln sind eine bewährte Strategie, um Schichtlinien auf gebrauchsfertigen 3D-gedruckten Produkten zu verbergen. Formlabs empfiehlt eine minimale Prägung von 0,35 mm Höhe oder 0,15 mm Tiefe, damit Schichtlinien ausreichend kaschiert werden.

Außerdem können die Schichtlinien auch aktiv ausgenutzt werden, nämlich zur Erhöhung des Griffs und der Reibung, um ein Verrutschen im Gesicht zu verhindern.

3D-gedruckte Brillenscharniere können auf vier Arten realisiert werden:

1. Herkömmliche Schrauben

2. Gewindeeinsätze zum Warmeinbetten

3. Schnappverschlüsse

4. Direktgedruckt

Obwohl Gewinde direkt in das Design 3D-gedruckter Teile integriert werden können, sind sie bei herkömmlichen Brillenschrauben in der Regel zu klein, um zuverlässig abgebildet zu werden. Verwenden Sie als Gewindegröße mindestens M6.

Sowohl Nylon 11 Powder als auch Nylon 12 Powder erlauben das Warmeinbetten von Gewindeeinsätzen und das Gewindebohren, wodurch sich womöglich eine bessere Haltbarkeit und Robustheit erzielen lässt als mit anderen Optionen. Einen detaillierten Leitfaden finden Sie hier.

Da der SLS-3D-Druck keine Stützstrukturen benötigt, können Geometrien auch an Ort und Stelle bereits fertig montiert gedruckt werden. Rahmen lassen sich so gestalten und drucken, dass die Bügel bereits angebracht sind, ohne weitere Montagearbeiten. Formlabs empfiehlt 0,3 mm Spiel für Merkmale von weniger als 20 mm² und 0,6 mm Spiel für Merkmale von mehr als 20 mm². Den vollständigen SLS-Designleitfaden finden Sie hier.

Vor allem in modischeren Anwendungen ist der 3D-Druck weit verbreitet, da er Designteams die Möglichkeit bietet, ungießbare und nicht schneidbare Brillendesigns zu kreieren. Ungießbare Geometrien, wie die Bügel im obigen Bild, erlauben völlig neue Formen der Personalisierung oder dienen auch dazu, Komponenten extrem leichtgewichtig zu gestalten und so den Tragekomfort zu steigern.

Das SLS-Ecosystem der Fuse-Serie bietet eine erschwingliche und skalierbare Produktionslösung für Brillen, dank seiner zuverlässigen Hardware, Materialien in Industriequalität und einer intuitiven Benutzeroberfläche. Die nachfolgenden Abschnitte behandeln Tipps und Tricks speziell für die Herstellung von Brillen mithilfe von SLS-3D-Druck.

Das System des Fuse 1+ 30W bietet zwei geeignete Materialoptionen für die Herstellung von Brillenrahmen: Nylon 11 Powder und Nylon 12 Powder. Beide Materialien gehören zu den Thermoplasten, genau wie Acetat. Das bedeutet, Optiker*innen können die Rahmen und Bügel nach dem Druck erhitzen, um sie besser an das Gesicht anzupassen.

Sowohl Nylon 11 Powder als auch Nylon 12 Powder bieten eine ähnliche funktionale Leistung wie Acetat, TR90 und Polycarbonat. Dennoch bevorzugen einige Kund*innen Nylon 11 Powder aufgrund seiner überlegenen Bruchdehnung und Nachhaltigkeit.

^{* Quelle
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In Praxistests demonstrierte Nylon 11 Powder beeindruckende Duktilität und Schlagfestigkeit:

Bei der Entwicklung eines langlebigen, nachhaltigen Produkts, das den Umwelteinflüssen ausgesetzt ist, sollten zusätzliche Umwelt- und Materialeigenschaften berücksichtigt werden.

Aufgrund ihrer geringeren Dichte, niedrigen Wasseraufnahme und hohen Hitze- und Feuerbeständigkeit können Nylon 11 Powder und Nylon 12 Powder für funktionale Anwendungen in Betracht gezogen werden, wie beispielsweise als Schutzbrillen in Fabriken oder Außeneinsätzen. Das ermöglicht also die Herstellung leichter Gestelle, die auch anspruchsvollen Umgebungen standhalten.

Außerdem basiert Formlabs' Nylon 11 Powder zu 100 % auf erneuerbarem, nachhaltig gewonnenem Bio-Material aus Rizinusbohnen und bietet somit eine umweltfreundlichere Option im Vergleich zu einigen Kunststoffen, die aus Erdöl gewonnen werden. Verglichen mit Nylon 12 Powder verringert Nylon 11 Powder den CO2-Ausstoß um 60 %.

Die Beschaffenheit der Oberfläche 3D-gedruckter Brillenrahmen hängt maßgeblich vom Modelldesign ab. Und verschiedene Ausrichtungen führen zu unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten. Formlabs hat umfangreiche Tests zur Teileausrichtung durchgeführt und festgestellt, dass eine Teileausrichtung von 45 Grad bei einem Rahmen aus Nylon 11 Powder oder Nylon 12 Powder die ästhetisch ansprechendste Oberflächengüte ergibt. Das Beispielgestell in diesem Test war gerundet. Die Seite des Druckteils, die zum Boden der Konstruktionskammer zeigt, weist eine leicht glattere Oberflächenbeschaffenheit auf.

^{* Der Durchsatz wird auf Grundlage eines Standard-Gestelldesigns von Formlabs berechnet. Um eine Druckzeit von unter 24 Stunden zu erreichen, wurde die Anzahl der Teile reduziert, was zu einem höheren Produktionsdurchsatz führt. Auch Nylon 11 Powder verarbeitet 82 Gestelle gleichzeitig, benötigt jedoch eine Druckzeit von über 24 Stunden.
** Weitere Informationen zur Packdichte und Neuzuführungsrate finden Sie hier.
*** Angenommen wird ein Druck pro Tag, fünf Tage pro Woche, 48 Wochen im Jahr. Für einen schnellen Wechsel und Start neuer Drucke ist eine zweite Konstruktionskammer erforderlich.}

Die natürliche Oberfläche beider Nylon-Pulver ist undurchsichtig grau und besitzt eine rauere Textur als poliertes Acetat. Um bei den Brillen eine Oberflächenqualität zu erreichen, die Acetat oder TR90 näher kommt, sollten Sie verschiedene Fertigstellungsoptionen einsetzen.

Ähnlich wie herkömmliche Acetatrahmen profitieren auch 3D-gedruckte Rahmen von einigen Stunden in einem Vibrationsgleitschleifer. Formlabs konnte mit der Verwendung von Keramikmedien und einem Schmiermittel eine Reduktion der Oberflächenrauheit um 80 % erzielen, was in einer angenehm glatten Oberfläche resultiert. Formlabs verwendet den Vibrationsgleitschleifer Mr. Deburr 300DB, eine kostengünstige und benutzerfreundliche Option.

Ein Farbtauchbad ist eine einfache und kostengünstige Möglichkeit zur Teilefärbung. Die Teile werden in ein beheiztes Wasserbad getaucht, wobei ein Farbstoff in alle Oberflächen des Teils eindringt und die Farbe dauerhaft verändert. Aufgrund des grauen Pulvers ist es jedoch unmöglich, sehr helle Farboptionen wie Weiß oder leuchtendes Gelb durch einen solchen Färbeprozess zu erreichen.

Dennoch sind Farben wie Schwarz, Rot, Grün, Violett und Blau selbst mit einer einfachen Färbevorrichtung realisierbar. Es benötigt nur eine Heizplatte, einen Topf und RIT-Nylonfarbe. Als Alternative gibt es industrielle Lösungen von Unternehmen wie DyeMansion, die eine verbesserte Farbkonsistenz und exakte Farbanpassung bieten.

Des Weiteren setzt Formlabs Cerakote-Beschichtungen ein, um sowohl die mechanischen Eigenschaften des Teils zu verbessern als auch eine breite Palette von Farboptionen zu ermöglichen. Cerakote ist eine dünnfilmige Keramikbeschichtung mit einer Dicke von 0,00635 mm bis 0,0254 mm und benötigt keine Grundierung.

Nach dem Auftragen erhalten SLS-Druckteile bessere chemische Beständigkeit und Kratzfestigkeit. Mit Cerakote lassen sich auch glänzende Oberflächen erzielen, wobei die Farben von Pastelltönen bis zu Metallics reichen. Nach der Beschichtung können solche Teile auch lasergraviert werden, um interessante Muster hinzuzufügen oder Informationen wie Logos oder Seriennummern.

Durch die anpassbare Glanzhärtung bietet Cerakote auch Möglichkeiten für eine glänzende Oberfläche.

Auch Wassertransferdruck eignet sich für SLS-Druckteile. Weitere Informationen dazu finden Sie in diesem Blog-Beitrag. Ähnlich verhält es sich mit Lackierungen und Tampondruckverfahren. Auch sie funktionieren mit SLS-Druckteilen.

Weiterhin ist auch die chemische Dampfglättung ein Verfahren zur Versiegelung und Glättung der Oberfläche von SLS-3D-Drucken. Sie erzeugt eine Oberfläche, die der von Spritzgussteilen ähnelt und eine deutlich verbesserte Oberflächenrauheit aufweist. Zudem werden die Teile beständig gegen Feuchtigkeit und das Wachstum von Bakterien und können sogar glänzende Oberflächen erhalten.

Formlabs nutzt Additive Manufacturing Technologies (AMT), um Eyewear-Komponenten zu dampfglätten. Zusätzlich können die Teile vor oder nach dem Dampfglätten in einem Farbtauchbad eingefärbt werden, um die neue Teilfarbe mit zusätzlichem Glanz zu versiegeln.

Obgleich Formlabs viele Optionen zur Verbesserung der Oberflächenqualität von SLS-Druckteilen erforscht und entwickelt hat, gibt es immer noch unerforschte Wege. Viele Kunden erzielen Erfolge, indem sie einen kostenlosen individuellen Probedruck ihrer Eyewear bei uns bestellen und dann ihre eigenen exklusiven Fertigstellungstechniken (unterschiedliche Gleitschleifmedien, Lackierung, Beschichtungen usw.) anwenden, um einzigartige ästhetische Ergebnisse zu erzielen.

Kontaktieren Sie unser Vertriebsteam und erhalten Sie einen kostenlosen Probedruck Ihres eigenen Designs. Oder bestellen Sie unseren Standardprobedruck aus Nylon 11 Powder oder Nylon 12 Powder und probieren Sie Ihre eigenen firmeninternen Fertigstellungstechniken daran aus.

Sowohl das SLS-Ecosystem des Fuse 1+ 30W als auch das SLA-System des Form 3+ eignen sich zur Prototypenentwicklung von Brillen, um Abmessungen, Passform und das Gesamtdesign zu testen.

Wählen Sie die Nylon-Materialien des Fuse 1+ 30W, um funktionsfähige Prototypen zu erstellen, die über längere Zeiträume getragen und getestet werden können. Wählen Sie den Form 3+, um ästhetische Prototypen zu erstellen, die in Aussehen und Lichtdurchlässigkeit Acetat und Polycarbonat ähneln. SLA-Prototypen können wochenlang getragen werden, eignen sich jedoch nicht für den langfristigen Gebrauch, es sei denn, sie werden mit einer UV-blockierenden Beschichtung versehen.

Nutzen Sie den Fuse 1+ 30W für Brillenentwürfe, die auf Lebensdauer und Anwenderpraxis getestet und beurteilt werden. So erhalten Sie schnelle Rückmeldungen und optimieren Ihre Abmessungen und Designs.

Beim 3D-Druck gibt es Designkomplexität ohne Zusatzkosten. Zusätzliche Gehäuse für Elektronik oder komplizierte Baugruppen, wie man sie für Wearables benötigt, machen dem 3D-Drucker nichts aus. Entscheiden Sie sich für SLS-3D-Druck, um komplexe Gehäuse für intelligente Brillen zu erstellen, die ansonsten mit mehrteiligen Spritzgussformen sehr teuer wären.

Dank ihrer ausgezeichneten Schlagfestigkeit sind Nylon 12 Powder und Nylon 11 Powder ideal für die Herstellung individueller Halterungen und Vorrichtungen. Die Nylon-Materialien von Formlabs sind so robust, dass sie einige der Metalle, die in herkömmlichen Gestellen und Bügeln verwendet werden (z. B. Titan), bei einem Druck von über 90 kg verbiegen können.

Viele Branchen nutzen SLA-3D-Drucker wie den Form 3+ oder Form 3L und Rigid 10K Resin zur Herstellung von Spritzgussformen. Dank seiner hohen Hitzebeständigkeit und der feinen Oberflächengüte eignet sich Rigid 10K Resin für den Kleinserien-Spritzguss von Gestellen und Bügeln sowie für die Herstellung von Formwerkzeugen zur Produktion vakuumgeformter Verpackungsteile.

Der Aufbau eines Unternehmens oder die Entwicklung einer neuen Produktserie durch den Einsatz von 3D-Druck wird von Tag zu Tag erschwinglicher und realisierbarer. Bereits ein einziger Fuse 1+ 30W ermöglicht die Produktion von mehr als 19 000 Rahmen pro Jahr oder über 50 000 Bügeln, selbst bei einem nicht optimierten Fünf-Tage-Produktionsschema.

^{* Unter der Annahme einer fünftägigen Arbeitswoche mit fünf Drucken pro Woche, 48 Wochen pro Jahr.
** Die Kosten pro Teil angepasst, um den Materialverlust aufgrund geringerer Packdichte zu berücksichtigen. Weitere Informationen zur Neuzuführungsrate.}

Der effizienteste und kostengünstigste Weg zur Herstellung 3D-gedruckter Brillen ist, die Produktion selbst in die Hand zu nehmen. Dies erfordert die Anschaffung eines Fuse 1+ 30W inklusive Ecosystem.

Die Vorteile integrierter 3D-Produktion umfassen schnellere Kapitalrendite (ROI), mehr Einfluss auf die Qualität, schnelle Designänderungen und den Übergang von der Prototypenentwicklung zur Produktion mit demselben Gerät. Außerdem können Sie das System für andere Zwecke nutzen, z. B. für die Herstellung von Halterungen und Vorrichtungen.

So zugänglich wie möglich – das ist unser erklärtes Ziel für den Fuse 1+ 30W und sein Ecosystem. Dies äußert sich in seiner extrem einfachen Handhabung. Die meisten Anwender lernen innerhalb weniger Stunden, wie man das Gerät bedient. Ebenso stellt das System minimale Anforderungen an die Räumlichkeiten, was einen schnellen Aufbau und einfache Skalierbarkeit bei steigender Nachfrage ermöglicht.

Dabei sollte man auch hervorheben, dass nicht für jeden neuen Fuse 1+ 30W auch ein neuer Fuse Sift erforderlich ist. Die meisten Kundenfirmen arbeiten mit einem Verhältnis von 1 Nachbearbeitungsstation auf 4 Drucker.

Die Kosten eines kompletten Formlabs-SLS-Drucksystems, einschließlich eines Fuse 1+ 30W, einer Nachbearbeitungsstation Fuse Sift, zwei Konstruktionskammern, zwei Kartuschen, 24 kg Nylon 12 Powder und zwei Jahren fachkundigem Kundenservice betragen ca. 50 000 €.

Es gibt weltweit viele Fertigungsdienstleister mit unterschiedlichem Angebot – angefangen bei solchen, die nur den 3D-Druckbereich abdecken, bis hin zu jenen, die Design, Druck, Nachbearbeitung und Verpackungsdienstleistungen anbieten.

Wenn Sie mit einem Dienstleister zusammenarbeiten, sollten Sie pro Teil mit höheren Kosten rechnen. Dienstleister sind jedoch eine gute Option, wenn Sie nicht über den Platz oder das Startkapital für die Produktionsausrüstung verfügen oder ein Experiment mit begrenzter Stückzahl durchführen möchten.

Wenden Sie sich an Formlabs für eine Liste von uns genehmigter Dienstleistungspartner.

Würden Sie gerne unseren Standard-Probedruck einer Brille erhalten? Oder möchten Sie Ihr eigenes Design drucken lassen? Nehmen Sie Kontakt zum Eyewear-Team von Formlabs auf.