Bei der digitalen Fertigung handelt es sich um ein Design- und Fertigungsverfahren, bei dem digitale Daten direkt zur Steuerung von Fertigungsanlagen verwendet werden, um verschiedenartige Teile zu erzeugen. Die Daten stammen größtenteils aus CAD (Computer-Aided Design), das in CAM-(Computer-Aided Manufacturing)-Software übertragen wird. CAM-Software liefert dann Daten an eine bestimmte Anlage wie einen 3D-Drucker oder eine CNC-Fräse, die diese steuern.
Es ist eine breite Spanne von Tools zur digitalen Fertigung vorhanden, von Maschinen auf Hobbyniveau bis hin zur großangelegten, spezialisierten Industrieanlagen, die zur Fertigung verwendet werden. Dieser Leitfaden konzentriert sich auf die wichtigsten Tools für Büros und Werkstätten.
Erschwingliche Tools zur digitalen Fertigung schließen die Lücke zwischen Design und Fertigung. Die Einstiegskosten für professionelle Technologien sinken, sodass jeder mit den erforderlichen Kompetenzen, um ein Produkt zu designen, dieses auch herstellen kann. Damit sind Ingenieure, Produktdesigner und Unternehmen aller Größen in der Lage alles zu produzieren, von Prototypen bis hin zu fertigen Produkten.
In diesem ultimativen Leitfaden lernen Sie die digitale Fertigung von Arbeitsverfahren bis hin zu Tools und praktischen Tipps für Ihre ersten Schritten aus allen Blickwinkeln kennen.
Wie funktioniert die digitale Fertigung?
1. Design
Der erste Schritt ist es, mithilfe von CAD-Software ein virtuelles Modell eines Designs herzustellen. Als Input für das Fertigungstool wird das 3D-Modell als extrapoliertes Gitternetz exportiert, das das Teil im Hinblick auf Punkte auf seiner Oberfläche oder Scheitelpunkten beschreibt, die Flächen zwischen diesen Scheitelpunkten, den Kanten dieser Flächen oder in manchen Fällen auch mit Hinblick auf Normalvektoren und Farbinformationen zu den Seiten.
2. Vorbereitung
Druckvorbereitungs- oder Slicer-Software dient als Medium zwischen dem virtuellen Gitternetz und dem Modell für den 3D-Druck. In diesem Schritt werden Fertigungsparameter und spezifische Einstellungen für das Fertigungstool konfiguriert, was der Maschine so etwas wie eine Liste von Befehlen zur Verfügung stellt. Das Ergebnis ist eine CAM-Datei, die an die Anlage gesendet wird. Beim Betrieb der Anlage wird Softwaresimulation mit Benutzerinput kombiniert, um Werkzeugwege für das Schneidwerkzeug zu erzeugen, bei denen die Geschwindigkeit des Schneidwerkzeugs sowie der Vorschub des Materials berücksichtigt werden.
3. Fertigung
Die Fertigungssysteme stellen Teile mit wenig oder ohne menschliches Mitwirken entsprechend der CAM-Daten her. Die gefertigten Teile müssen oft nachbearbeitet werden, um die endgültigen Eigenschaften oder ihr endgültiges Aussehen zu erhalten, bevor sie zur Benutzung freigegeben werden.
Systeme zur digitalen Fertigung
3D-Drucker
3D-Druck oder additive Fertigungstechnologien (Additive Manufacturing, AM) erstellen dreidimensionale Teile, indem Sie Schicht um Schicht Material hinzufügen, bis ein fertiges Teil entsteht.
Auf Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) beruhende 3D-Drucker schmelzen und extrudieren thermoplastisches Filament, der anschließend von einer Druckdüse schichtweise auf der Bauplattform aufgetragen wird. FDM ist die günstigste 3D-Drucktechnologie; Systeme für Hobbynutzer auf der Einstiegsebene sind für unter 1000 USD zu haben, und semi-professionelle Drucker sind für 2500 USD erhältlich. FDM-Teile haben im Vergleich zu anderen Kunststoff-3D-Druckern die geringste Auflösung und Genauigkeit, weshalb sich diese Drucker eher für Proof-of-Concept-Modelle sowie die schnelle, kostengünstige Prototypenentwicklung einfacher Teile eignen als für fortgeschrittene Prototypen oder fertige Produkte.
Bei der Stereolithografie (SLA) härtet ein Laser flüssiges Kunstharz zu gehärtetem Kunststoff. Dieser Prozess wird als Photopolymerisation bezeichnet. SLA-Teile sind äußerst präzise, detailreich und verfügen über eine glatte Oberfläche sowie isotropische Materialeigenschaften. Der SLA 3D-Druck eignet sich ideal für komplexe Designs, funktionale Prototypen, die Werkzeugbestückung für die Fertigung und Gussformen. Die ab etwa 3500 USD erhältlichen Desktop-SLA-Drucker sind äußerst vielfältige Werkzeuge, die benutzerfreundlich und für gewerbliche Nutzer erschwinglich sind.
Sehen Sie sich das Funktionsprinzip der Stereolithografie an.
Beim selektiven Laser-Sintern (SLS) werden kleine Teilchen aus Polymerpulver durch einen leistungsstarken Laser miteinander verschmolzen. Nicht verschmolzenes Pulver stützt das Teil beim Druckvorgang, wodurch eigene Stützstrukturen überflüssig werden. Teile, die per SLS-Druck gefertigt wurden, bieten herausragende mechanische Eigenschaften, deren Festigkeit mit der von Spritzgussteilen vergleichbar ist. Bei SLS handelt es sich um die neueste 3D-Drucktechnologie für Kunststoff, die in einem kompakteren und erschwinglicheren Format auf den Markt kommt; Benchtop-Systeme sind ab etwa 10 000 USD erhältlich.
| Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) | Stereolithografie (SLA) | Selektives Laser-Sintern (SLS) | |
|---|---|---|---|
| Genauigkeit | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Oberflächengüte | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Komplexe Designs | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Benutzerfreundlichkeit | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Materialien | Standard-Thermoplaste, wie ABS, PLA und deren unterschiedlichen Mischungen | Unterschiedliche Harze (Duroplaste), ABS-ähnliche, PP-ähnliche, flexible, wärmebeständige, gießbare (wachsähnliche) | Technische Thermoplaste, für gewöhnlich Nylon und seine Verbundwerkstoffe |
| Anwendungen | Kostengünstiges Rapid Prototyping Einfache Proof-of-Concept-Modelle | Fertigung funktionsfähiger Prototypen Werkzeugbestückung für die Fertigung Formguss Modellbau | Fertigung funktionsfähiger Prototypen Kleine Produktionsserien, Bridge-Fertigung oder Maßanfertigung |
Lesen Sie unseren umfassenden Leitfaden zum Vergleich von FDM, SLA und SLS.
CNC-Systeme
Subtraktive Verfahren gehen von festen Blöcken oder Stäben aus Metall oder Kunststoff aus, die geformt werden, indem Material durch Schneiden, Bohren und Schleifen abgehoben wird. Bei der digitalen Fertigung werden diese Systeme durch Computer Numerical Control (CNC) gesteuert.
Beim CNC-Bearbeitung wird Material entweder durch ein rotierendes Werkzeug und ein festes Teil (Fräsen) oder ein rotierendes Teil und ein festes Werkzeug (Drehmaschine) abgehoben. Kleinere CNC-Anlagen sind ab 2000 USD erhältlich, doch fortgeschrittenere Anlagen für Werkstätten kosten je nach Anzahl von Schnittachsen, technischen Spezifikationen, Teilgröße und der erforderlichen Werkzeugbestückung für bestimmte Materialien weit mehr. CNC-Fräsen können Teile aus Kunststoff und Metall für die Fertigung funktionaler Prototypen, zur Werkzeugbestückung für die Produktion und kundenindividuell angepasste fertige Teile bzw. fertige Teile mit geringer Seriengröße herstellen.
Bei Laser-Cuttern kommt ein Laser zur Anwendung, um mit höchster Präzision bestimmte Materialien zu gravieren oder zu schneiden. Laser-Cutter sind kosteneffektive, schnelle und benutzerfreundliche Systeme, um Bleche oder andere dünne Materialien zu gravieren oder zu schneiden, um Prototypen, mechanische Teile und Strukturteile herzustellen. Einfache Gravierapparate sind für unter 500 USD erhältlich, während semi-professionelle Maschinen für Werkstätten, die verschiedene Materialien schneiden, ab etwa 3500 USD erhältlich sind.
Bei Wasserstrahl-Cuttern kommt Wasser mit Abriebstoffen bei hohem Druck zum Einsatz, um beliebige Materialien zu schneiden. Wasserstrahl-Cutting ist das neueste CNC-Verfahren, das kompakter und erschwinglicher auf den Markt kam. Es ist derzeit ab 20 000 USD erhältlich, und neue Projekte versprechen, die Kosten unter 10 000 USD zu senken. Wasserstrahl-Cutter können dickere Materialschichten schneiden als Laser-Cutter. Sie sind zudem für härtere Metalle tauglich, die sich mit anderen Verfahren nur schwer mit hohem Genauigkeitsgrad schneiden lassen.
| CNC-Bearbeitung | Laser-Cutter | Wasserstrahl-Cutter | |
|---|---|---|---|
| Genauigkeit | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Oberflächengüte | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Komplexe Designs | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ |
| Benutzerfreundlichkeit | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★☆ |
| Materialien | Harte Thermoplaste, weiche Duroplaste (begrenzt), Weichmetalle, Hartmetalle (industrielle Anlagen) | Thermoplaste, Holz, Acrylglas, Stoff, Metalle (industrielle Anlagen) | Kunststoffe, Hart- und Weichmetalle, Stein, Glas, Verbundwerkstoffe |
| Anwendungen | Fertigung funktionaler Prototypen Werkzeugbestückung für die Fertigung Kundenindividuelle fertige Teile oder fertige Teile in kleinen Produktionsserien | Gravieren Prototypenfertigung Flache mechanische und Strukturteile | Prototypenfertigung Flache mechanische und Strukturteile |
Erste Schritte in der Welt der digitalen Fertigung
CAD
Um eine Designidee in ein virtuelles Modell zu überführen, können Sie verschiedene Herangehensweisen zur Anwendung bringen:
Solides Modelling ist eine konventionelle Methode, um 3D-Objekte zu erstellen. Solides Modelling ist auf lineare Bewegungen ausgerichtet und soll Designvorstellungen in Formen umsetzen. Festkörper werden kombiniert und mit Übergängen versehen, um sie für die Fertigung vorzubereiten. Zu fortgeschrittenen Merkmalen zählen Extrusionen, Leistenbögen und Muster.
Die meisten aktuellen Softwares für solides Modelling wie Autodesk Fusion 360, Solidworks, Catia, Rhinoceros und SolidEdge können Oberflächen modellieren. In diesem Fall werden alle Außenseiten der Form einzeln definiert, wodurch fortgeschrittene Formen wie Übergänge zwischen mehreren angrenzenden Oberflächen möglich werden.
Das 3D-Scannen wird für immer mehr Unternehmen zu einer praktischen Möglichkeit, um ein 3D-druckbares Modell zu erhalten. Erschwingliche Lösungen und neue Programme, die auf kamerabasierter Fotogrammetrie beruhen, bieten eine hervorragende Balance aus Geschwindigkeit, Genauigkeit und Kosten. Scans lassen sich jedoch nicht direkt als 3D-druckbare Dateien verwenden, sondern erfordern eine umfassende Nachbearbeitung mit Software zur Bearbeitung von Gitternetzen.
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Vektoren
Zweidimensionale Systeme wie CNC-Router und Laser-Cutter können mithilfe von Dateien aus Vektor-Software wie Adobe Illustrator gesteuert werden. Während es sich dabei um ein relativ umfangreiches Paket handelt, brauchen Sie für einfache Zeichnungen kaum Kompetenzen jenseits Erfahrung mit dem Pen-Tool, der Mustererstellung, Live Trace, Pathfinder und einem Plugin für abgerundete Ecken.
Vorbereitung des Gitternetzes
Ein 3D-Modell, das als Gitternetz aus einem CAD-Software-Paket exportiert wird, ist für gewöhnlich bereits für den 3D-Druck geeignet. Das wichtigste Element ist, über ein wasserdichtes Gitternetz zu verfügen; d. h. alle Dreiecken müssen verbunden sein und dürfen nicht überlappen und die Normalen müssen in die selbe Richtung ausgerichtet sein. Solides Modelling führt normalerweise zu einem wasserdichten Gitternetz; bei der Oberflächenmodellierung und generativem Design müssen Sie dagegen prüfen, ob doppelte Oberflächen und Raumkollisionen vorhanden sind.
Zur Reparatur und Optimierung von Gitternetzen stehen zahllose Softwares wie zum Beispiel Meshlab zur Verfügung. Wir empfehlen Ihnen, in ein Tool zu investieren, mit dem Sie individuelle Scheitelpunkte/Flächen bearbeiten und Boolsche Operationen durchführen können. Meshmixer ist ein hervorragendes Programm zur Optimierung der Dreieckzahl, mit dem Sie zudem Ihr Objekt umformen können, während Blender Boolsche Operationen ermöglicht.
Design für die digitale Fertigung
Während digitale Fertigungssysteme eine hohe Designfreiheit bieten, kann es sich lohnen, Zeit in die Optimierung von Formen zu investieren, um eine effiziente Fertigung und hochwertige Teile zu gewährleisten. Nehmen Sie sich Zeit, die Möglichkeiten und Grenzen des Systems, der Materialien, der Software und des Fertigungsverfahrens zu verstehen, das Sie verwenden wollen. Experimentieren Sie ausführlich mit Hinblick auf die Ziele, die Sie erreichen wollen, bevor Sie mit der eigentlichen Arbeit beginnen.
Erste Schritte in der Welt des 3D-Drucks
3D-Drucker sind benutzerfreundliche und erschwingliche Systeme zur digitalen Fertigung, die in Hobbyräumen und gewerblichen Werkstätten zum Einsatz kommen.
Erfahren Sie mehr über den 3D-Druck und begutachten sie seine Qualität aus erster Hand, indem Sie kostenlos ein auf dem Form 2 SLA-3D-Drucker gefertigtes Teil anfordern.