3D-Drucken in die Ausbildung integriert

3D-Drucken in die Ausbildung integriert

Bild 3D-Drucken in die Ausbildung integriert

Was vor noch nicht allzu langer Zeit die Domäne für Tüftler und Bastler war, hat sich in den vergangen Jahren zu einer veritablen Industrie entwickelt. 3D-Drucken ist heutzutage bereits vielerorts fester Bestandteil in Produktionsprozessen. Vor allen Dingen da, wo spezifische Teile in kleinen Serien gefertigt werden müssen – für Massenprodukte ist der 3D-Druck aufgrund der relativ langen Druckzeit noch keine Alternative.

Drei unterschiedliche Druckverfahren
Grundsätzlich stehen heute drei verschieden Verfahren zur Verfügung. Zum einen wird mit Hilfe von hochpräzisen Laserstrahlen Metallpulver Schicht für Schicht zu festen Strukturen verschmolzen. Dieses Verfahren ist nach wie vor sehr aufwendig und die dafür eingesetzten Drucker sind entsprechend kostspielig. Dafür sind in Form, Gestaltung und Materialzusammensetzung fast keine Grenzen gesetzt, denn das nicht verschmolzene Pulver kann als Füll- oder Stützmaterial verwendet werden. Der Materialverlust ist dabei sehr gering, weil alles, was nicht verschmolzen worden ist, für weitere Verfahren eingesetzt werden kann. Der Film Direct Manufacturing: ARCAM zur Fertigung eines Triebwerkbestandteils zeigt dies sehr anschaulich. In ähnlicher Weise werden Kunststoffteile mittels Klebetechnik ausgedruckt. Hier ist nicht ein hochpräziser Laserstrahl im Einsatz, sondern ein Printkopf, welcher feinste Tröpfchen Klebestoff überall dort auf die einzelnen Schichten des Kunststoffpulvers bringt, wo feste Strukturen entstehen sollen. Diese beiden Verfahren haben den wesentlichen Vorteil, dass beispielsweise Werkstücke, welche aus unterschiedlichen Metallen oder Kunststoffen bestehen, in einem einzigen Arbeitsgang hergestellt werden können.

Eine weitere Variante, bei welcher das Material auch wieder in Pulverform vorliegt, ist das additive oder subtraktive Verfahren mittels Lasertechnologie. Hier wird das Material direkt mit Hilfe eines Laserstrahls Schicht für Schicht aufgeschweisst oder abgetragen. Damit werden vor allem Metallteile mit sehr hohen Festigkeitsansprüchen gefertigt. Zudem können an bestehenden Maschinenteilen Ergänzungen und Erweiterungen angebracht werden. Einen Einblick gewährt der Film Hybrid Machine by DMG Mori.

3D-Druck im Low-Cost Segment
Die weitaus günstigste und deshalb heutzutage am weitesten verbreitete Variante des 3D-Druckens basiert auf einem einfachen Schmelzverfahren von Kunststoff. Schicht für Schicht wird dieser in einem Printkopf oder Extruder erhitzt und aufgetragen. Während des Abkühlens verbindet sich so jede Schicht sehr kompakt mit der jeweils darunter liegenden. Bestechend an dieser Variante sind die heutzutage sehr günstigen Beschaffungskosten von Druckern und Kunststoffmaterialien (Filamenten). Dies zeigt der Film Fused Deposition Modeling (FDM) Technology.

Hausbau mit 3D Drucker
Auf diese Weise können Formen geschaffen werden, welche bis anhin aufgrund der bestehenden Verfahrenstechniken schlicht nicht möglich waren – es können mitunter bewegliche Teile wie Getriebe gedruckt werden, welche sich auf eine andere Weise gar nicht herstellen lassen (siehe Bild). Auch da, wo herkömmliche Verfahren zu kostspielig sind, kommt 3D-Druck zum Einsatz. Deshalb wurden die 370 Fenstergriffe aus Bronzeguss, welche bei der Renovation des Bundeshauses in Bern ersetzt werden mussten, nicht gegossen, sondern gedruckt. Aber es geht noch weiter: Man arbeitet sogar bereits daran, ganze Häuser im 3D-Druckverfahren herzustellen: Das allererste 3D-Drucker Haus – logo! Die Welt und ich.

Foto 3D Maschinenteilen Kleingeräten und Modellen

Es sind aber nicht nur die Vorteile in der Gestaltung der Druckteile, sondern auch ganz andere Überlegungen, welche die Fertigung nachhaltig verändern werden. So planen namhafte Fahrzeughersteller wie beispielsweise Volkswagen, ihre Ersatzteile nur noch digital zu lagern und bei Bedarf auszudrucken. Firmen wie Caterpillar oder Halliburton betreiben mit höchstem Aufwand Logistikketten, um ausgefallene Komponenten innert Stunden auch in der entlegensten Kupfermine oder auf einer Bohrinsel ersetzen zu können. Statt die Ersatzteile über weite Strecken zu transportieren, werden sie nun vor Ort mittels additiven Verfahren gedruckt. Und nicht zuletzt aus demselben Grund arbeitet die US-Navy daran, ihre Flugzeugträger zu schwimmenden Druckern von Ersatzteilen zu machen.

Bild 3D-Drucker Technikerschule HF Zuerich

3D-Drucken als integraler Bestandteil des Unterricht an der Technikerschule HF Zürich
Diese wichtige und wegweisende Art der Fertigung von Maschinenteilen, Kleingeräten und Modellen möchten wir ab dem kommenden Herbst unseren Studierenden als integralen Bestandteil des Unterrichts anbieten. Schaffen von andersartigen Formen und Strukturen bei der Konstruktion von Maschinenteilen, welche bis anhin nur sehr aufwendig bewerkstelligt werden konnten, oder etwa das optimale Design von Gehäusen für Kleinserien von Elektronikteilen – viele Projekte sind in der Vergangenheit allein aus Kostengründen gescheitert – sollen inskünftig an unserer Schule dank des Einsatzes von 3D-Druck möglich werden. Und nicht zuletzt gilt es, im automatisierten Erfassen und Reproduzieren bestehender Einzelteile noch einige Herausforderungen zu meistern.

Wir sind überzeugt, der 3D-Druck wird unseren Unterricht in vielerlei Hinsicht bereichern und sowohl unseren Studierenden als auch unseren Dozierenden manches spannende Projekt bescheren.

Bild 3D-Drucker-Technikerschule HF Zurich