Einführung

Der 3D-Druck beginnt ebenso wie die maschinelle Bearbeitung, das Schmieden, Gießen und Stanzen mit dem Entwurf des Endteils. Ähnlich wie die traditionelle Fertigung stützt sich auch die Additive Fertigung auf computergestützte Konstruktionsmodelle (CAD) als Hauptbestandteil der Fertigung eines Teils.

Anforderungen an ein CAD-Paket

Obwohl die meisten CAD-Pakete die Erstellung von Modelle für die Additive Fertigung ermöglichen, müssen bestimmte Schlüsseleigenschaften und Funktionen in einem Paket vorhanden sein.

Der erste und wichtigste Aspekt ist die Fähigkeit, 3D-Modelle zu erstellen. Manche Software dient speziell für Drucke, Zeichnungen oder andere 2D-Konstruktionen und kann keine Volumenmodelle erstellen. Ein geeignetes CAD-Paket ermöglicht die parametrische oder direkte Modellierung von 3D-Oberflächen, was einen einfachen Export in die gängigste 3D-Druckdatei STL ermöglicht.

Die Möglichkeit, native CAD-Konstruktionen in eine STL-Datei zu exportieren, ist bei fast allen 3D-Druckern notwendig. STL-Dateien (die Abkürzung von „Stereolithographie“) sind Übertragungen/Exporte von CAD-Modellen in dreieckige Flächen und Ebenen, die üblicherweise in G-Code, der am häufigsten verwendeten CAM-Sprache (Computer Aided Manufacturing) für automatisierte Werkzeugmaschinen, übertragen werden. Die Erstellung einer STL-Datei, die mit Ihrem Entwurf übereinstimmt, ist von entscheidender Bedeutung für einen korrekten 3D-Druck. Darauf gehen wir im Folgenden näher ein.

Neben diesen beiden Anforderungen der 3D-Modellierung und Erstellung einer STL-Datei gibt es zahlreiche nützliche zusätzliche Optionen, die in einigen CAD-Paketen enthalten sind, die Vorbereitung für die Additive Fertigung vereinfachen und einen zusätzlichen Mehrwert bieten. Beispiele wie 3DXpert für SolidWorks, Netfabb für Fusion 360 oder 3YOURMIND für Siemens NX sind Add-ons und Plug-ins, die einige der Übersetzungsschritte überflüssig machen oder sogar den direkten Druck auf den Druckern aus den nativen Anwendungen selbst ermöglichen.

Was ist eine STL-Datei?

Die STL-Datei (Stereolithografie), manchmal auch als „Standard Triangle Language“ oder „Standard Tessellation Language“ bezeichnet, wurde 1987 von 3D Systems entwickelt und hat sich als Standarddatei für Modelle für 3D-Drucker in allen Industriezweigen durchgesetzt. Es handelt sich bei diesen Dateien um Exporte aus nativen CAD-Dateien, die „rohe, unstrukturierte, triangulierte Flächen durch die Einheitsnormalen und die Scheitelpunkte (geordnet nach der Rechtsregel) der Dreiecke unter Verwendung eines dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystems" [Wikipedia, „STL (Dateiformat)“, 2019] beschreiben. Kurz gesagt sind STL-Dateien eine Annäherung von CAD-Modellen an eine Reihe von Dreiecken, wobei Merkmale wie Splines, p-Linien, Bögen, Extrusionen und Sweeps in dreieckige Simples und Composites umgewandelt werden.

STL konvertieren

Jede CAD-Software bietet verschiedene Konfigurationsoptionen und Funktionen für den Export von STLs, aber alle Lösungen haben Gemeinsamkeiten, auf die Sie achten sollten:

• Binär/ASCII - Es gibt zwar einen großen Unterschied zwischen der Kodierung beider Formate, aber grundsätzlich sind Binär und ASCII funktionell ähnlich. Allerdings sind Binärdateien in der Regel sehr viel kleiner und erfordern eine geringere Rechenleistung als die meisten Slicing-Programme. Sofern nicht unbedingt erforderlich, werden Binärdateien aufgrund ihrer geringeren Größe bevorzugt.
• Einheiten - Die Definition der STL-Datei schließt keine Maßeinheiten ein. Achten Sie beim Exportieren des Modells sowohl auf die Einheiten des nativen CAD-Programms als auch auf die erwarteten Einheiten der Drucker-/Slicing-Software. Die meisten Slicing-Softwares besitzen eine Konfiguration für Einheiten, aber die meisten Anwendungen gehen standardmäßig von Millimetern (mm) aus.
• Auflösung - Diese Eigenschaft weist die größten Unterschiede zwischen verschiedenen CAD-Paketen auf. Generell besteht das Ziel darin, dass die minimalen Toleranzen/Abweichungen kleiner sind als das feinste Merkmal, das der 3D-Drucker drucken kann. Wenn die feinste Auflösung, die der 3D-Drucker verarbeiten kann, beispielsweise 100 Mikrometer beträgt, dann sollte die STL-Datei Toleranzen innerhalb von 100 Mikrometer für Durchmesser, Winkel, Mosaikabschnitte usw. aufweisen.

Es gibt noch weitere Attribute (es können beispielsweise Farben in STLs hinzugefügt werden), aber oben sind die wichtigsten Punkte genannt, die Sie beachten sollten, um eine STL zu erzeugen, die ein natives CAD korrekt wiedergibt.

Gängige CAD-Lösungen in der Industrie

In der Fertigung, Konstruktion und Entwicklung gibt es zahlreiche gängige CAD-Pakete, die teilweise branchen- und anwendungsspezifisch sind, viele aber auch branchen- und anwendungsübergreifend verwendet werden. Im Weiteren nennen wir einige der gängigen CAD-Anwendungen, die häufig in Unternehmen und Fertigungsbetrieben verwendet werden.

SolidWorks

SolidWorks kam 1995 auf den Markt und wurde 1997 von Dassault erworben. Es handelt sich um eines der gängigsten CAD-Pakete, das in der Konstruktion, Fertigung und Entwicklung eingesetzt wird. SolidWorks wird als eines der am einfachsten zu erlernenden parametrischen CAD-Pakete auf dem Markt angepriesen. Nach Angaben des Herausgebers nutzten „2013 mehr als zwei Millionen Ingenieure und Konstrukteure in über 165.000 Unternehmen SolidWorks“. Zusätzlich zu dem grundlegenden CAD-Paket bietet Solidworks zahlreiche zusätzliche Produkte und Module für Simulationen, spezifische Industriezweige und Rendering/Grafikdesign.

Dassault Systèmes CATIA

CATIA wurde zunächst im Jahr 1977 als eigene Konstruktionsplattform von Dassault Aviation für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt entwickelt. Es handelt sich um eine Unternehmenssoftware, die vor allem in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Konstruktion von Industrieanlagen eingesetzt wird. CATIA ist eine ausgereifte PLM-Lösung mit einer riesigen Auswahl an Funktionen, die seit über 40 Jahren auf dem Markt ist und unter anderem CAD und CAM unterstützt.

Autodesk Fusion 360

Fusion 360 2013 von Autodesk auf den Markt gebracht. Es handelt sich um eine CAD-Version, die sich auf 3D konzentriert (im Gegensatz zu Autodesks klassischem AutoCAD). Hervorzuheben ist, dass es sowohl native Versionen für Mac OSX und Windows 7/8/10 als auch kostenlose Versionen für Hobbyisten, Studenten und Dozenten gibt. Ähnlich wie Dassault profitiert Fusion 360 vom Zugriff auf die übrigen Lösungen und Add-ons von Autodesk.

Creo

Creo, das früher unter den Namen Wildfire und Pro/E geführt wurde, ist eine der ersten 3D-CAD-Lösungen. Es kam 1987 auf den Markt. Creo wird von PTC herausgegeben und basiert auf der ersten regelbasierten (parametrischen) 3D-Modellierungssoftware mit Zwangsbedingungen. In der Gegenwart gehört Creo zu einer Suite mit 10 Anwendungen von PTC, die Funktionen für die Baugruppenmodellierung, Direkt-/Oberflächenmodellierung, Werkzeugkonstruktion und FEA bieten.

Siemens NX

Siemens NX basiert auf Unigraphics NX und wurde 2007 von Siemens übernommen. Es handelt sich um eine Unternehmenslösung, die nicht nur die direkte und parametrische Modellierung, sondern auch technische Analysen und CAM-Funktionen direkt innerhalb einer Lösung ermöglicht. Zusätzlich zu den CAD/CAE/CAM/Simulationsfunktionen bietet NX zahlreiche spezifische Pakete für bestimmte Industriezweige und Materialien, die einen erweiterten Funktionsumfang für bestimmte Anwendungen ermöglichen.

Onshape

Onshape kam 2015 auf den Markt und ist eines der wenigen CAD-Programme, das vollständig auf SaaS (Software-as-a-Service) basiert. Damit unterscheidet sich die Lösung stark von den anderen, hardwareintensiven On-Premise-Lösungen. Onshape ermöglicht den Zugriff über Browser und Android/iOS sowie die Zusammenarbeit zwischen mehreren Benutzern an einem einzigen Entwurf unter Verwendung einer beliebigen unterstützten Plattform in Echtzeit.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es eine große Auswahl an CAD-Software auf dem Markt gibt, die sich nach dem Industriezweig, der Unternehmensgröße und den erforderlichen Funktionen richten. Fast alle bieten jedoch die Möglichkeit, Modelle zu erstellen und sie in der Additiven Fertigung durch 3D-Druck umzusetzen. Somit können sowohl Hobbyisten und Studenten als auch Maschinenbau- und Konstruktionsingenieure in Unternehmen die Vorteile der Additiven Fertigung nutzen, um echte Teile und Baugruppen schneller und einfacher als je zuvor herzustellen.