3D-Drucke

Eine Einführung in die additive Fertigung

by FESPA | 22.03.2021
Eine Einführung in die additive Fertigung

Nessan Cleary bietet eine kurze Einführung in den 3D-Druck und geht detailliert auf die vielen verschiedenen derzeit erhältlichen 3D-Druckertypen ein.

Der Begriff „3D-Druck“ ist etwas irreführend, da es nicht viel über die Art und Weise des Druckens gibt, zumindest nicht so, wie es jemand aus der Welt des Grafikdrucks verstehen würde. Allerdings sind viele Großformatprofis daran gewöhnt, bei der Herstellung von Verpackungen, Präsentationsständern und anderen dreidimensionalen Objekten mit CAD-Dateien zu arbeiten, sodass der 3D-Druck keine allzu große Herausforderung darstellen sollte.

Das Grundkonzept besteht darin, das Design eines Objekts zu nehmen und es mithilfe einer Slicing-Software in Schichten zu zerlegen. Anschließend erstellt der 3D-Drucker das Objekt, indem er eine Schicht nach der anderen aufträgt und jede Schicht über die vorherige legt, bis das Objekt fertig ist. Je nachdem, wie groß die einzelnen Objekte sind, kann dies ein ziemlich langsamer Prozess sein. Allerdings können viele 3D-Drucker so eingestellt werden, dass sie mehrere Objekte nebeneinander in der Baukammer des Druckers drucken.

Heutzutage wird der 3D-Druck häufig zur Herstellung von Prototypen, Vorrichtungen, Formen und Endteilen eingesetzt und entwickelt sich zunehmend zu einem akzeptablen Herstellungsverfahren. Aus diesem Grund wird der 3D-Druck auch als additive Fertigung bezeichnet. Es gibt viele verschiedene 3D-Drucktechnologien – zu viele, um sie hier alle aufzulisten – daher gehen wir in dieser Geschichte auf einige der wichtigsten Typen und die Materialien ein, mit denen sie arbeiten können. Seien Sie gewarnt, es gibt eine ganze Reihe von TLAs – dreibuchstabige Akronyme –, die es zu bewältigen gilt!

MakerBot_MethodPETG_PRinc_WQ.jpg Bildunterschrift: MakerBot hat mehrere Spezialmaterialien für seinen Method FFF 3D-Drucker eingeführt.

Die vielleicht gebräuchlichste Methode ist die Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM). Dabei wird als Rohmaterial eine Spule aus thermoplastischem Filament verwendet. Das Filament wird durch einen beheizten Extruder geführt, der es schmilzt, um es zu einer Schicht abzulegen. Beim Abkühlen des Materials verbinden sich die Schichten miteinander und bilden so das Objekt. Es gibt viele FFF-/FDM-Drucker im Desktop-Format, die trotz ihres relativ günstigen Preises größtenteils recht leistungsfähig sind. Die Auflösung hängt davon ab, wie fein die Düse am Extruder ist, wobei ein Kompromiss zwischen hoher Auflösung und schnelleren Druckgeschwindigkeiten getroffen werden muss.

Es gibt eine gute Auswahl an Materialien, von harten Kunststoffen wie ABS bis hin zu flexiblen Optionen wie TPU, aber auch exotischere Materialien mit Nylon- oder Kohlefasereinsätzen für mehr Festigkeit.

Formlab_Form3Form3L_PRfrm_WQ.jpg Bildunterschrift: Formlab hat diese Desktop-Stereolithographie-3D-Drucker Form 3 und Form 3L entwickelt.

Der nächste Schritt ist die Stereolithographie (SLA), bei der Materialien auf der Basis von Photopolymerharzen verwendet werden. Der Prozess beginnt mit dem Befüllen eines Bottichs mit der Photopolymerflüssigkeit. Ein Strahl ultravioletten Lichts zeichnet dann das Muster der ersten Schicht auf der Oberfläche dieser Flüssigkeit nach und löst eine chemische Reaktion aus, die die Flüssigkeit dort verfestigt, wo das Licht sie berührt hat. Die Bauplattform wird abgesenkt, mehr Harz hinzugefügt, eine zweite Schicht auf die erste aufgetragen und so weiter. In einigen Fällen wird ein Bottich mit transparentem Boden verwendet und das Licht wird von der Unterseite durchscheint, wodurch das Objekt vom Boden des Tanks nach oben entsteht.

Auch bei diesen Druckern handelt es sich größtenteils um Desktop-Geräte, die in der Regel teurer als FFF-/FDM-Drucker sind. Es gibt jedoch auch eine speziellere Auswahl an Materialien für Anwendungen wie Prototypenbau oder die Herstellung von Abgüssen für den Formenbau sowie biokompatible Harze für zahnmedizinische und medizinische Zwecke. Sie ergeben im Allgemeinen eine glatte Oberfläche mit feinen Details, weisen jedoch keine hohe Festigkeit auf.

Digital Light Processing oder DLP ist eine Variante des SLA-Drucks, aber anstelle eines Lasers wird ein digitaler Lichtprojektor verwendet, um ein Bild einer vollständigen Schicht zu erzeugen, was viel schneller ist, als diese Schicht mit einem Laser nachzuzeichnen.

Eine der ältesten Formen des 3D-Drucks ist das selektive Lasersintern (SLS). Es eignet sich für alle möglichen Materialien, von Kunststoff über Metall bis hin zu Keramik und Glas, die zunächst in Pulverform vorliegen. Das Pulver wird in einer Baukammer ausgebreitet und der Laser schreibt ein Muster in das Pulver, wobei der Laser nur die Partikel verschmilzt, die er erhitzt, um die erste Schicht zu bilden. Dann wird das Bett der Kammer abgesenkt und mehr Pulver ausgebreitet. Der Vorgang wird wiederholt, wobei jede Schicht bis zur letzten verschmolzen wird, bis das Objekt fertig ist.

Dieser Prozess ermöglicht die Herstellung äußerst komplexer Objekte, wie etwa Turbinenkühler, die viele interne Rippen erfordern. Allerdings sind SLS-Maschinen tendenziell teuer, da sie eine gute Temperaturkontrolle und natürlich einen leistungsstarken Laser erfordern, sodass sie hauptsächlich auf den kommerziellen Einsatz beschränkt sind.

Ähnlich wie SLS ist das Selective Laser Melting oder SLM, das auch als Direct Metal Laser Melting bekannt ist. Es gibt eine gute Auswahl an Metalllegierungen, darunter verschiedene Aluminium- und Stahllegierungen. Auch bei dieser Methode wird zur Herstellung von Metallobjekten ein Hochleistungslaser eingesetzt, dabei wird jedoch das Metallpulver vollständig geschmolzen, anstatt nur die Pulverpartikel zusammenzusintern, was bedeutet, dass die Teile dichter sind. Die Baukammer ist normalerweise mit einem Inertgas wie Argon gefüllt, um die Brand- oder Explosionsgefahr zu begrenzen, was jedoch auch eine sorgfältige Handhabung erfordert und nur für den gewerblichen Gebrauch geeignet ist.

Elektronenstrahlschmelzen oder EBM funktioniert auf ähnliche Weise. In diesem Fall erzeugt der Laser Elektronenstrahlen und schmilzt das Metallpulver zusammen. Dabei ist ein Vakuum anstelle eines Inertgases erforderlich. Es erfordert hohe Temperaturen von bis zu 1000 °C, kann jedoch sehr starke, dichte Objekte erzeugen und eignet sich besonders für Titanlegierungen.

HP_JF5200_PRhp_WQ.jpg Bildunterschrift: Der 3D-Drucker HP Jet Fusion 5200, der Binder Jetting nutzt, hier mit separater Verarbeitungsstation.

Beim Binder Jetting wird mit einem Tintenstrahldruckkopf ein Klebstoff ausgespritzt, der die Pulver buchstäblich zusammenklebt. Das pulverförmige Material wird auf dem Bett ausgebreitet und das Muster der ersten Schicht wird in das Pulver geschrieben, indem der Klebstoff aufgespritzt wird, um die Pulver miteinander zu verbinden. Das Bett fällt nach unten und mehr Pulver wird darüber verteilt. Der Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Objekt fertig ist. Normalerweise gibt es einen separaten Endbearbeitungsschritt, bei dem das Objekt gebrannt wird, um das restliche Bindemittel zu schmelzen und sicherzustellen, dass alle Schichten vollständig zu einem einzigen Objekt verschmolzen sind.

Das Verfahren kann für den Einsatz mit Kunststoffen, Metallen und Keramikmaterialien angepasst werden. Der große Vorteil der Verwendung von Tintenstrahldruckköpfen besteht darin, dass es relativ kostengünstig ist, den Prozess zu vergrößern, indem beispielsweise mehr Köpfe hinzugefügt werden, um die Produktivität zu steigern.

Tintenstrahldruckköpfe können auch für eine andere Methode, Material Jetting, verwendet werden, bei der das Material selbst genau an der richtigen Stelle aufgetragen werden kann, um jede Schicht zu bilden. Dies gilt auch für Kunststoffe, Metalle und Keramik. Beim Materialausstoß bestehen jedoch die gleichen Probleme wie bei Grafikdruckern, nämlich dem Risiko, dass die größeren Partikel die Druckköpfe verstopfen, und der Notwendigkeit, den flüssigen Träger, der zum Ausstoßen des Materials verwendet wird, nach Abschluss des Druckvorgangs zu entfernen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es bei der Wahl des 3D-Druckertyps, in den Sie investieren möchten, weitgehend darauf ankommt, ein Gleichgewicht zwischen den Kosten des Druckers, den Materialien, die Sie verwenden möchten, und der Qualität und Festigkeit zu finden, die Sie für die fertigen Objekte benötigen.

Bleiben Sie dran, denn wir werden in ein paar Monaten auf dieses Thema zurückkommen und uns einige der Anwendungen ansehen, für die 3D-Drucker verwendet werden können.

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