Wie die Effektivität eines 3D-Druckers weiter gesteigert werden kann

Ein 3D-Drucker, sei es für Einzel- oder Serienfertigung, große oder kleine Produktionsstätten, Industriebetriebe oder Dentallabore, bietet die Möglichkeit, die Effizienz der Produktion zu steigern.

Die Additive Fertigung erhält immer mehr Einzug in der Produktion. Immer mehr Unternehmen erkennen die Chancen, welche der 3D-Druck bietet. Leider kommt jedoch keine Technologie ohne ihre Tücken.

In diesem Blogbeitrag möchte ich einige der kleineren Punkte ansprechen, welche den eigenen 3D-Drucker noch effektiver machen können. Man sieht innerhalb der Additiven Fertigung, vor allem, aber nicht ausschließlich, bei Neueinsteigern, immer wieder die gleichen kleinen Fehler oder Unachtsamkeiten, welche eine volle Ausnutzung des Potenzials ihrer Maschine(n) verhindern.

Dieser Blogbeitrag dient dazu, diese kleinen Fehler aufzuzeigen und damit hoffentlich in Zukunft zu minimieren.

Einhaltung des vorgegebenen Druckprozesses

Viele Menschen experimentieren gerne ein wenig herum. Viele Menschen lesen sich Gebrauchsanweisungen und Vorgaben nicht durch. Und viele andere Menschen lesen diese zwar, ignorieren Sie aber gekonnt.

Ich möchte hier nicht die Experimentierfreude einiger Personen dämpfen, ich selbst experimentiere gerne ein wenig herum. Regeln sind schließlich dazu da, gebrochen zu werden! Aber manche eben doch nicht. Besonders dann nicht, wenn maximale Effektivität und Erfolgsrate das Ziel sind, da Experimente nicht selten einen Fehldruck provozieren.

Rund um den vorgegebenen Druckprozess und dessen Einhaltung gibt es sehr viele Unterpunkte, wir werden uns in diesem Blog aber auf die wichtigsten davon konzentrieren.

Designregeln

Jeder 3D-Drucker und auch jedes Material ist mit sogenannten „Designregeln“ verbunden. Diese Designregeln geben, simpel zusammengefasst, die für eine fehlerfreie Herstellung nötigen Eigenschaften des Druckjobs vor.

Darunter fallen viele Dinge. Maximale und minimale Toleranzen, maximale und minimale Dimensionen, nötige Stützstrukturen, maximale und minimale Größe von bestimmten Merkmalen wie Löchern, Hohlräumen, Kleindetails und vieles mehr wird in diesen Designregeln festgehalten.

Ist es unter Umständen möglich, einen fehlerfreien Druck zu erhalten, obwohl er gegen eine dieser Designregeln verstößt? Ja, keine Frage. Jedoch wird die Fehlerquote bei Druckjobs, die gegen diese Designregeln verstoßen, erhöht und gerade bei der Serienproduktion machen sich selbst kleine Erhöhungen dieser Quote massiv bemerkbar.

Aber was, wenn die benötigten Eigenschaften eines Projekts diese Designregeln nicht erfüllen können? Bei kleineren Abweichungen und Einzelprojekten steht dem Experimentieren, sofern man sich im Vorhinein bewusst ist, dass die Erfolgsrate nicht auf dem eigentlichen Standard sein wird, nichts im Weg. Bei größeren Abweichungen und Serienproduktionen ist davon jedoch abzuraten.

Aus diesem Grund ist es, gerade in Industriebetrieben, wo Serienproduktion allgegenwärtig ist, nur zu empfehlen, sich vor der Anschaffung eines 3D-Druckers über die Designregeln der zur Auswahl stehenden Maschinen und Materialien zu informieren.

Sollten Sie weitere Informationen über die essenziellen Fragestellungen vor der Anschaffung eines 3D-Druckers benötigen, kann ich Ihnen, im Falle eines professionellen 3D-Druckers diese, im Falle eines industriellen 3D-Druckers diese, Webinar-Aufzeichnung empfehlen.

Räumliche Bedingungen

Die räumlichen Bedingungen sind vor allem für Pulver- und Resin-3D-Drucker essenziell, um einen fehlerfreien Druck zu gewährleisten, sollten aber auch bei den anderen Drucktechnologien nicht außer Acht gelassen werden.

Beim Pulver-3D-Druck muss zwingend darauf geachtet werden, dass das Pulver auf keinen Fall mit Dreck jeglicher Art oder Staub kontaminiert wird.
Während sich Filamente und Metalle vor der Nutzung säubern lassen, sieht dies bei einem Pulver schon weitaus schwieriger aus. Es gibt zwar Siebe, welche Verschmutzungen beseitigen können, aber um auf der sicheren Seite zu sein, sollten die Pulver von Anfang an vor Kontamination geschützt werden.

Beim 3D-Druck mit Resin muss neben einer sicheren Aufbewahrung des Materials auch die Sonneneinstrahlung bedacht werden. Da der Resin-3D-Druck mit dem Einsatz von UV-Licht arbeitet, kann Sonneneinstrahlung dazu führen, dass Drucke an falschen Stellen ausgehärtet werden, was Fehlproduktionen zur Folge hat.

Für den Resin-3D-Druck ist daher ein vollständig vor Sonnenlicht geschützter Raum essenziell. Einfache Rollläden oder gar Vorhänge erfüllen diese Voraussetzung nicht!

Bei allen Technologien der Additiven Fertigung sollte außerdem stets auf eine angemessene Raumtemperatur und Luftfeuchtigkeit geachtet werden. Welche Werte hierbei nötig sind, hängt von Technologie und Drucker ab. Auch hier ist eine Informationsbeschaffung vor dem Kauf ratsam, um eine überraschende Inkompatibilität zwischen Maschine und Raum zu verhindern.

Materialauswahl

Der letzte Unterpunkt zur Einhaltung von vorgegebenen Druckprozessen ist die Materialauswahl. Es sollte klar sein, dennoch passieren deswegen immer noch Fehler. Besitzt ein 3D-Drucker keine offene Materialplattform, können nur die mit dem Drucker kompatiblen Materialien eingesetzt werden, um effektive Nutzung zu gewährleisten!

Kann ein 3D-Drucker ohne offene Materialplattform Third-Party-Materialien drucken? Unter Umständen verdruckt er sie zwar, es wird allerdings zu massiven Einbußen bei Qualität und Erfolgsrate kommen.

Daher müssen hier ebenfalls vor der Anschaffung Informationen über die Materialauswahl des Druckers und die jeweiligen Eigenschaften des nutzbaren Materials gesammelt werden, um die effektivste Nutzung des 3D-Druckers zu garantieren.

Was möglich ist – und was nicht

Also wird die Erfolgsrate mit der Einhaltung des vorgegebenen Druckprozesses doch sicherlich 100 % betragen, oder? Leider nicht.

Selbst wenn Sie alle Tipps in diesem Blog befolgen, die Erfolgsrate wird nie auf 100 % ansteigen. Am Ende des Tages ist auch die Additive Fertigung nicht vollständig von Fehlern befreit.

Aber wie vorhin schon erwähnt, gerade in der Serienproduktion haben selbst kleine Erhöhungen der Erfolgsrate massive Auswirkungen. Die Produktivität wird erhöht und die Kosten pro Teil verringert. Um diese zwei essenziellen Ziele in der Produktion zu erreichen gilt es, die grundlegenden Vorgaben des Druckprozesses stets einzuhalten.

Vollständige Auslastung der Bauplatte

Im Gegensatz zur Einhaltung des Druckprozesses wird keine Recherche im Vorfeld benötigt, um eine vollständige Auslastung der Bauplatte zu erreichen. Dies macht diesen Punkt jedoch nicht unwichtiger.

Bei einigen Drucktechnologien, z. B. dem (Metall) Binder Jetting oder dem Selektiven Lasersintern, wird bei jedem einzelnen Druck die gesamte Bauplatte bearbeitet, egal ob diese vollständig ausgelastet ist oder nicht.
Daher lohnt es sich besonders bei diesen Technologien, aber auch generell, die Bauplatte durch korrekte Planung und effiziente Platzierung der einzelnen Bauteile so vollständig wie möglich auszulasten.

Dadurch lassen sich die Kosten pro Teil, gerade bei Serienproduktionen, stark reduzieren. Denn ob die Bauplatte nur zu 20 % oder zu 95 % ausgelastet ist, ändert nichts an der Stromnutzung, dem Verschleiß des Druckers oder dem Zeitaufwand für z. B. das Entfernen der Bauplatte.

Wie können die Drucke nun aber am effizientesten geplant werden? Einerseits müssen einige individuelle, vom Bauteil selbst abhängende Fragestellungen beantwortet werden. Wie viele dieser Bauteile werden in der nächsten Zeit benötigt? Lohnt sich eine Vorproduktion oder sogar eher eine Just-in-Time-Fertigung? Fragen, die aufgrund ihrer Individualität keine allgemeingültige Antwort zulassen. Die maximale Auslastung der Bauplatte sollte bei der Produktionsplanung jedoch stets bedacht werden, egal wie die Antwort auf diese Fragestellungen lautet.

Andererseits bieten einige 3D-Druck-Softwares inzwischen Hilfe an, um die maximale Auslastung der Bauplatte zu erreichen. Der Prozess des 3D-Nestings beschreibt die softwaregesteuerte Platzierung von einzelnen Bauteilen in quaderförmigen Verhältnissen auf der Bauplattform. Die Bauteile müssen dabei nicht quaderförmig sein, doch um den Bauteilen den mindestens benötigten Platz zu geben, wird die Quaderform auch bei andersförmigen Bauteilen genutzt.

Dieses Nesting kann von Hand passieren. Innerhalb der Software platziert der Anwender die einzelnen Quader nebeneinander, um so viele einzelne Bauteile wie möglich auf eine Bauplatte zu kriegen.

Dieser Prozess wird in bestimmten Softwarelösungen inzwischen jedoch automatisiert. Die Software entscheidet also selbst, wie die einzelnen Bauteile so effizient wie möglich auf der Bauplatte platziert werden können. Dabei werden auch nötige Stützstrukturen automatisch miteinberechnet.

Durch diese Automation werden sowohl menschliche Fehler minimiert als auch Zeit eingespart. Dadurch wird die maximale Effektivität der Platzierung von Bauteilen erreicht und damit auch die maximale Auslastung der Bauplatte.

Automation ist das passende Stichwort, denn um die Effektivität des 3D-Druckers und des Druckprozesses zu steigern, bietet sich zusätzliches Zubehör zur Automatisierung perfekt an.

Nutzung von zusätzlichem Automatisierungszubehör

Die Additive Fertigung bietet grundsätzlich schon einen hohen Grad an Automatisierung. Besonders industrielle Druckanlagen können heutzutage mit wenig menschlicher Interaktion präzise und qualitativ hochwertige Bauteile herstellen. Aber mit dem richtigen Zubehör lässt sich die menschliche Interaktion noch weiter reduzieren und damit auch die Personalkosten und die Gefahr von menschlichen Fehlern.

Hierbei gibt es drei große Teilbereiche, mit welchen sich der Druckvorgang weiter automatisieren lässt. Software, Nachbearbeitung und Produktionszellen.

Software

Die automatisierte 3D-Nesting-Funktion einiger Softwares wurde im vorherigen Punkt schon erläutert, aber es existieren noch weitaus mehr Automatisierungsmöglichkeiten, welche sich durch die passende Software implementieren lassen.

Die Erzeugung von Supportstrukturen, der Start des Druckjobs, die Anpassung von Parametern, Fehlerkorrekturen, die Entfernung von Luftblasen und unaufzählbar viele weitere kleinere und größere Schritte im Druckprozess können inzwischen mit passender Software automatisiert werden.

Auch bei anderen Prozessen unterstützt die passende 3D-Druck-Software. Ob Fehlermeldungen per E-Mail, die Speicherung des Druckvorgangs bei plötzlichem Stopp (z. B. durch Stromausfall) oder Angabe des Materialverbrauchs, die Software spielt beim 3D-Druck eine essenzielle Rolle, um die Herstellung der Bauteile so effektiv wie möglich zu gestalten.

Lässt sich ein 3D-Drucker ohne High-End-Software bedienen? In den meisten Fällen schon. Kann ohne solch eine Software jemals die gleiche Produktivität wie ohne sie erreicht werden? In keinem Fall. Daher ist eine passende 3D-Druck-Software beinahe so wichtig wie die Maschine selbst, um maximale Effektivität zu erreichen.

Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung der Bauteile stellt bei vielen Drucktechnologien eine zwingende Voraussetzung für die bestmögliche Qualität dar. Gleichzeitig kann die Nachbearbeitung sehr zeitintensiv sein. Reinigen, Polieren, Einfärben, Aushärten oder gleich mehrere dieser Schritte für hunderte von Bauteilen – da kommt einiges an Aufwand zusammen. Zum Glück gibt es inzwischen Entlastung dank automatisierter Nachbearbeitungslösungen!

Pulverhandlingstationen, die übriggebliebenes Pulver autonom sieben und damit wiederverwendbar machen, Maschinen, die mehrere der eben genannten Nachbearbeitungsschritte in sich vereinen und damit ständige Entnahmen und Laufwege verhindern und automatische Resin-Entferner für Bauteile ermöglichen es, inzwischen auch in diesem Schritt des Druckprozesses, die menschliche Interaktion massiv zu minimieren.

Dieses Minimum besteht fast nur noch aus dem Einlegen und Entnehmen der Bauteile in bzw. aus der jeweiligen Maschine. Doch was, wenn auch dieser Schritt mit dem richtigen Zubehör obsolet werden könnte? Streichen Sie das „könnte“, denn es ist schon möglich!

Produktionszellen

Produktionszellen, z. B. die Produktionszelle V1 von Additive Automation, bieten den maximalen Grad an Automatisierung für die Additive Fertigung. Die menschliche Interaktion wird durch diese auf ein absolutes Minimum reduziert.

Der Roboterarm der Produktionszelle schiebt die Bauteile selbstständig in den Drucker, entnimmt diese nach dem Druckvorgang wieder, platziert sie in der passenden Nachbearbeitungsstation, startet daraufhin den nächsten Druckjob und legt die vollständig nachbearbeiteten Bauteile daraufhin an einer geeigneten Stelle ab.

Durch solch eine Produktionszelle wird der höchstmögliche Automatisierungsgrad erreicht, die Effektivität des gesamten Druckprozesses erhöht und menschliches Versagen vollständig eliminiert. Die Arbeitssicherheit wird durch solch eine Automation ebenfalls verbessert.

Solche Produktionszellen befinden sich allerdings noch am Anfang einer langen Entwicklung. Derzeit ist z. B. die Produktionszelle V1 von Additive Automation nur mit dem Resin-3D-Druck kompatibel und gewisse Schritte, wie z. B. die Materialzufuhr oder die Nachhärtung, sind in dieser Automatisierungslösung noch nicht integriert und müssen daher von Hand übernommen werden. Aber in naher Zukunft werden sich die Möglichkeiten dieser Vollautomation in großen Schritten vervielfältigen und verbessern.

Der menschliche Faktor – Überhaupt noch nötig?

Wenn die Automation inzwischen so weit vorangeschritten ist, dass beinahe der gesamte Druckprozess ohne menschliche Interaktion stattfinden kann, wird dann menschliches Wissen überhaupt noch benötigt? Werden überhaupt noch ausgebildete Fachkräfte benötigt, oder kann bald jeder den Druckprozess am Laufen halten?

Dass die Automation die Notwendigkeit von ausgebildetem Fachpersonal zumindest minimiert, lässt sich nicht von der Hand weisen. Was aber all die Automation der Welt nicht ersetzen kann und was auch schon vor der Möglichkeit der Automation ein essenzieller Faktor für die effektive Nutzung eines 3D-Druckers war, ist die Erfahrung.

Erfahrung – der unterschätzte Aspekt

Menschen überschätzen sich sehr gerne und sehr häufig. Aber bei wenigem so sehr wie beim Verständnis von Technik und damit auch dem Verständnis von 3D-Druckern.

Es sieht in Videos gerne so einfach aus. Einen Knopf drücken, den Drucker seine Arbeit machen lassen, Bauteile entnehmen und fertig ist der Druckprozess. Das kann doch jeder, oder?

Das für den 3D-Druck nicht nur der eigentliche Druckprozess, sondern auch die Erstellung von oder zumindest der richtige Umgang mit den digitalen Dateien beherrscht werden muss, wird allzu gerne ignoriert. Auch der Umgang mit Fehlermeldungen, die richtige Nivellierung des Druckbetts oder der exakte Ablauf der einzelnen Nachbearbeitungsschritte sind für viele nicht ganz so offensichtlich wie das „simple Knopfdrücken“ beim Drucker selbst.

Daher ist Erfahrung beim 3D-Druck ein oft unterschätzter, aber wahrscheinlich der essenziellste Faktor, um die Effektivität eines 3D-Druckers zu gewährleisten. Aber wie gewinnt man diese Erfahrung am besten?

So simpel es klingt: Probieren und experimentieren. Aus diesem Grund habe ich am Anfang des Blogbeitrags verdeutlicht, dass ich Ihnen nicht die Freude am Experimentieren nehmen möchte, denn es ist ein wichtiger Schritt um Erfahrung zu sammeln.

Die Erwartungshaltung muss bei solchen Experimenten aber entsprechend angepasst werden. Viele, wenn nicht gar die allermeisten dieser Experimente, werden fehlschlagen. Der 3D-Druck ist eben gar nicht so einfach, wie er manchmal wirkt.

Aber, wie es im Leben eben ist: Fehlschläge gehören dazu und sind perfekt dafür geeignet, um neue Erfahrungen zu sammeln!