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Eine Einführung in die additive Fertigung

von Nessan Cleary | 22.03.2021
Eine Einführung in die additive Fertigung

Nessan Cleary bietet eine kurze Einführung in den 3D-Druck sowie eine detaillierte Beschreibung der vielen verschiedenen Arten von 3D-Druckern, die derzeit erhältlich sind.

Der Begriff "3D-Druck" ist etwas irreführend, da dem Drucken nicht viel im Wege steht, zumindest nicht dem, was jeder aus der Welt des Grafikdrucks verstehen würde. Trotzdem sind viele Großformatprofis daran gewöhnt, mit CAD-Dateien zu arbeiten, um Verpackungen, Point-of-Display-Ständer und andere dreidimensionale Objekte herzustellen, sodass der 3D-Druck keine allzu große Herausforderung darstellen sollte.

Das Grundkonzept besteht darin, das Design für ein Objekt mithilfe einer Slicing-Software in Ebenen zu schneiden. Der 3D-Drucker erstellt dann das Objekt, legt jeweils eine Ebene ab und fügt jede Ebene über der vorherigen hinzu, bis das Objekt vollständig ist. Es kann ein ziemlich langsamer Prozess sein, abhängig davon, wie groß jedes Objekt ist, obwohl viele 3D-Drucker so eingestellt werden können, dass mehrere Objekte nebeneinander in der Baukammer des Druckers gedruckt werden.

Heutzutage wird 3D-Druck häufig zur Herstellung von Prototypen, Vorrichtungen, Formen und Endteilen verwendet und wird zunehmend zu einem akzeptablen Herstellungsverfahren. Aus diesem Grund wird 3D-Druck auch als additive Fertigung bezeichnet. Es gibt viele verschiedene 3D-Drucktechnologien - zu viele, um sie alle hier aufzulisten -, daher werden wir in dieser Geschichte einige der wichtigsten Typen und die Materialien durchgehen, mit denen sie arbeiten können. Seien Sie gewarnt, es gibt ziemlich viele TLAs - Drei-Buchstaben-Akronyme -, um durchzukommen!

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

Die wahrscheinlich häufigste Methode ist die Fused Filament Fabrication (FFF), auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM). Hierbei wird eine Spule aus thermoplastischem Filament als Rohmaterial verwendet. Das Filament wird durch einen erhitzten Extruder geführt, der es schmilzt, um es zu einer Schicht abzulegen. Die Schichten verbinden sich, wenn das Material abkühlt, um das Objekt zu bilden. Es gibt viele FFF / FDM-Drucker in Desktop-Größe, die trotz ihrer relativ günstigen Preise meist recht leistungsfähig sind. Die Auflösung hängt davon ab, wie fein die Düse am Extruder ist, wobei ein Kompromiss zwischen hoher Auflösung und höheren Druckgeschwindigkeiten besteht.

Es gibt eine gute Auswahl an Materialien, von harten Kunststoffen wie ABS bis hin zu flexiblen Optionen wie TPU sowie exotischeren Materialien, die mit Nylon oder Kohlefaser versetzt sind, um die Festigkeit zu verbessern.

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

Der nächste Schritt ist die Stereolithographie oder SLA, bei der Materialien auf Photopolymerharzbasis verwendet werden. Der Prozess beginnt mit dem Befüllen eines Bottichs mit der Photopolymerflüssigkeit. Ein ultravioletter Lichtstrahl zeichnet dann das Muster der ersten Schicht auf die Oberfläche dieser Flüssigkeit und verursacht eine chemische Reaktion, die die Flüssigkeit dort verfestigt, wo das Licht sie berührt hat. Die Bauplattform wird abgesenkt, mehr Harz hinzugefügt und eine zweite Schicht wird über die erste gezogen und so weiter. In einigen Fällen wird ein Bottich mit transparentem Boden verwendet, und das Licht wird von der Unterseite durchgestrahlt, wodurch das Objekt vom Boden des Tanks nach oben erzeugt wird.

Diese Drucker sind meistens auch Desktop-Maschinen und in der Regel teurer als FFF / FDM-Drucker. Es gibt jedoch eine speziellere Auswahl an Materialien für Anwendungen wie Prototyping oder Herstellung von Abgüssen zum Formen sowie biokompatible Harze für zahnärztliche und medizinische Zwecke. Sie ergeben im Allgemeinen ein glattes Finish mit feinen Details, jedoch ohne hohe Festigkeit.

Digital Light Processing oder DLP ist eine Variante des SLA-Drucks. Anstelle eines Lasers wird jedoch ein digitaler Lichtprojektor verwendet, um ein Bild einer vollständigen Schicht zu glänzen. Dies ist viel schneller als das Verfolgen dieser Schicht mit einem Laser.

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

Dieser Prozess ermöglicht unglaublich komplizierte Objekte wie Turbinenheizkörper, für die viele interne Lamellen erforderlich sind. SLS-Maschinen sind jedoch in der Regel teuer, da sie eine gute Temperaturregelung und natürlich einen Hochleistungslaser erfordern, sodass sie hauptsächlich auf den kommerziellen Einsatz beschränkt sind.

Ähnlich wie SLS ist Selective Laser Melting oder SLM, das auch als Direct Metal Laser Melting bezeichnet wird. Es gibt eine gute Auswahl an Metalllegierungen, einschließlich verschiedener Qualitäten von Aluminium- und Stahllegierungen. Dieses Verfahren verwendet auch einen Hochleistungslaser, um Metallobjekte herzustellen, aber es schmilzt das Metallpulver vollständig, anstatt nur die Pulverteilchen zusammenzusintern, was bedeutet, dass die Teile dichter sind. Die Baukammer ist normalerweise mit einem Inertgas wie Argon gefüllt, um das Brand- oder Explosionspotential zu begrenzen. Dies erfordert jedoch auch eine sorgfältige Handhabung und ist nur für den gewerblichen Gebrauch geeignet.

Das Elektronenstrahlschmelzen oder EBM funktioniert auf ähnliche Weise. In diesem Fall erzeugt der Laser Elektronenstrahlen und schmilzt das Metallpulver zusammen. Er benötigt eher ein Vakuum als ein Inertgas. Es beinhaltet hohe Temperaturen von bis zu 1000 ° C, kann jedoch sehr starke, dichte Objekte erzeugen und ist besonders für Titanlegierungen geeignet.

HP_JF5200_PRhp_WQ.jpg Bildunterschrift: Der HP Jet Fusion 5200 3D-Drucker, der Binder-Jetting verwendet, wird hier mit einer separaten Verarbeitungsstation angezeigt.

Binder Jetting verwendet einen Tintenstrahldruckkopf, um einen Klebstoff zu strahlen und die Pulver buchstäblich zusammenzukleben. Das pulverförmige Material wird auf dem Bett ausgebreitet, und das Muster der ersten Schicht wird in das Pulver geschrieben, indem der Klebstoff gespritzt wird, um die Pulver zusammenzubinden. Das Bett fällt herunter und es wird mehr Pulver verteilt, und der Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das Objekt fertig ist. Es gibt normalerweise einen separaten Endbearbeitungsschritt, in dem das Objekt gebrannt wird, um das verbleibende Bindemittel wegzuschmelzen und sicherzustellen, dass alle Schichten vollständig zu einem einzigen Objekt verschmolzen sind.

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

Tintenstrahldruckköpfe können auch für eine andere Methode verwendet werden, Material Jetting, bei der das Material selbst genau an der richtigen Stelle abgeschieden werden kann, um jede Schicht zu bilden. Dies ist auch gut für Kunststoffe, Metalle und Keramiken. Beim Materialstrahlen treten jedoch einige der gleichen Probleme auf wie bei Grafikdruckern, nämlich das Risiko, dass größere Partikel die Druckköpfe verstopfen, und die Notwendigkeit, den Flüssigkeitsträger zu entfernen, der zum Strahlen des Materials nach dem Drucken verwendet wird.

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

Bleiben Sie auf dem Laufenden, 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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