Mit dem richtigen Verfahren zum 3D-Druck

3D-Druck-Verfahren im Überblick

3D Drucken Verfahren
Wer weiß, was Lasersintern und FDM unterscheidet, kann leichter das richtige Verfahren wählen Bild: jean song/Fotolia.com
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Lasersintern, Stereolithografie oder Fused Deposition Modeling – die additive Fertigung (Additive Manufacturing) wartet mit einer Reihe verschiedener 3D-Druck-Verfahren auf. Wir erläutern die grundlegenden Fertigungsverfahren und beleuchten ihre Vor- und Nachteile. Mit dieser Übersicht finden Sie das für Ihre Anforderungen passende Verfahren für den Einstieg in die Welt des 3D-Drucks.

Dipl.-Ing. Ralf Steck, freier Fachjournalist für die Bereiche CAD/CAM, IT und Maschinenbau in Friedrichshafen, bloggt auf www.engineeringspot.de

Inhaltsverzeichnis

Welche 3D-Druck-Verfahren gibt es?

  1. Stereolithografie
  2. Filamentdruck
  3. Selective Laser Sintering, Direct Metal Laser Sintering
  4. Binder Jetting
  5. Jetted Photopolymer
  6. Weitere 3D-Druck-Verfahren

Welche 3D-Druck-Verfahren gibt es?

Stereolithografie (SLA, STL, DLP):

Das ursprüngliche 3D-Druck-Verfahren arbeitet mit einem lichtaushärtenden Flüssigharz, das in einem Becken liegt. Ursprünglich wurde eine im Harz liegende Bauplattform verwendet, die eine Schichtdicke unter der Oberflächse des Harz“sees“ liegt. Der Laser „schreibt“ die erste Schicht auf die Oberfläche des Harzes, die vom Laserstrahl belichteten Bereiche härten. Nun bewegt sich die Bauplattform eine Schichtdicke nach unten und die nächste Schicht wird belichtet – und so weiter, bis das Bauteil fertig ist. Moderne Geräte stehen sozusagen auf dem Kopf und der Laser belichtet durch den Glasboden des Harzgefäßes. Das hat den Vorteil, dass die Mechanik, die die Bauplattform bewegt, nicht im Harz untertauchen muss.
Die Verwendung eines Laserstrahls zum Belichten hat den Nachteil, dass dieser jede Zeile für Zeile abfahren muss; der Vorteil ist die extrem hohe Genauigkeit durch den winzigen Laserpunkt, der das Harz sehr selektiv belichtet. Um den Nachteil der geringen Geschwindigkeit zu umgehen, setzen DLP-Geräte einen Beamer ein, der jede Schicht in einem Schritt auf den Boden des Harzgefäßes projiziert. Dabei ist die Detailgenauigkeit jedoch durch das Streulicht des Projektors etwas geringer als im SLA-Verfahren.
Da das Verfahren auf der Nutzung eines flüssigen, lichtempfindlichen Harzes basiert, ist die Auswahl verfügbarer Materialien eher gering; oft wird nur ein Harz in unterschiedlichen Farben angeboten. Dafür härtet das Harz chemisch aus und geht mit der vorhergehenden Schicht eine sehr innige Verbindung ein.

Filamentdruck (FDM, FFF):

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein geschützter Begriff von Stratasys, weshalb oft auch von Fused Filament Fabrication (FFF) gesprochen wird. Das Verfahren ist sehr einfach: Ein fadenförmiges Kunststoffmaterial wird aufgeschmolzen und durch eine Düse gedrückt. Diese Düse wird nun in X/Y-Richtung bewegt und legt das Material auf die Bauplattform, die in Z-Richtung Schicht um Schicht nach unten fährt. Bei manchen Geräten bewegt sich auch die Düse auf einem in der Höhe verfahrbaren Portal in X- und Z-Richtung, während die Bauplattform in Y-Richtung verfahrbar ist – oder in einer beliebigen anderen Kombination aus Verfahrachsen.
Im Endeffekt besteht ein FDM-Drucker aus vier bis fünf Schrittmotoren, einer heizbaren Düse, einer Bauplattform sowie etwas Elektronik, Führungen und Mechanik. Das ist eine der Erklärungen für den riesigen Erfolg dieser Geräte im niederpreisigen Segment. Ein weiterer großer Vorteil ist die große Unabhängigkeit vom Material – alles was sich verflüssigen und dann wieder verfestigen lässt, kann in diesem Verfahren verdruckt werden –, von einer breiten Palette von Kunststoffmaterialien bis zu einer Vielzahl exotischerer Materialien wie Beton, Schokolade, Pfannkuchenteig oder auch Silikon. Es gibt sogar experimentelle Drucker, bei der die Pistole eines MIG/MAG-Schweißgeräts statt der Düse eingebaut ist. So lassen sich Metallbauteile schichtweise durch Schweißen erzeugen.
Durch die Verwendung von Kunststoffen, die mit spritzgussfähigen Materialien praktisch identisch sind, lassen sich mit FDM sehr gut Prototypen für Bauteile fertigen, die später im Spritzguss gefertigt werden sollen. Allerdings ist die Anisotropie der gefertigten Werkstücke sehr groß, das Material verhält sich in unterschiedlichen Richtungen jeweils anders. Das rührt aus der Fertigungsmethode: Jede Schicht wird halbflüssig auf eine schon gehärtete Schicht aufgebracht und haftet dort nur durch ein leichtes Verschweißen – der Zusammenhalt ist innerhalb einer Schicht viel höher als zwischen zwei Schichten. Deshalb muss beim Vorbereiten des Drucks auf die Orientierung des Teils geachtet werden – ähnlich wie bei einem Teil aus Holz. Zudem sind die Schichten nicht beliebig dünn ausführbar, bei etwa 0,05 Millimetern ist Schluss. Übliche Schichtdicken liegen zwischen 0,1 und 0,3 Millimeter, was eine gut sichtbare Streifen- oder Riefenstruktur auf der Oberfläche ergibt.

Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS):

Hier wird die Bauplattform mit einer sehr dünnen Schicht aus Kunststoff- oder Metallpulver belegt, dann schmilzt ein Laserstrahl das Material an den gewünschten Stellen zu einem festen Körper zusammen. Dann wird die nächste Schicht Pulver aufgebracht.
Da zunächst nicht genügend starke Laser zur Verfügung standen, um Metallpulver direkt zu schmelzen, arbeiteten viele SLS-Maschinen mit bindemittelbeschichteten Metallpartikeln, die vom Laser in Form gebracht wurden. In einem zweiten Schritt wurde dann in einem Sinterofen der Binder ausgebrannt, ein Vollmetallteil entstand. Die erste DMLS-Maschine stammte von EOS, weitere Unternehmen folgten. Heute kann eine breite Palette von Metallen verarbeitet werden, von Stahl über Edelstahl bis hin zu Edelmetallen – es gibt schon 3D-gedruckten Schmuck. Im DSLM-Verfahren werden seit einigen Jahren auch große Stückzahlen von Grundkörpern für Zahnbrücken und -implantate gefertigt.
Die meisten Metallpulver sind sehr reaktiv und können mit dem Luftsauerstoff zur Explosion kommen; deshalb ist das Pulverhandling sehr kompliziert und beim Drucken muss der Bauraum mit einem Inertgas geflutet werden. Technisch ist dieses Verfahren hochkomplex, weshalb kaum preiswerte Geräte auf den Markt kommen.

Binder Jetting:

Bei diesem Verfahren wird das Pulver nicht durch Schweißen fixiert, sondern durch aufsprühen eines Klebers (Binder). Dazu werden oft Düsensysteme aus Tintenstrahldruckern verwendet, weshalb dieses Verfahren ursprünglich auch als 3D-Druck bezeichnet wurde. Meist wird der Binder mit einer UV-Leuchte oder mit einer Hitzequelle nach der Fertigstellung einer Schicht ausgehärtet, um das Verfahren zu beschleunigen. So arbeiten beispielsweise die Polyjet-Drucker von Stratasys oder die HP-JetFusion-Geräte nach diesem Verfahren. Da sich der Binder einfärben lässt, können in diesem Verfahren auch vollfarbige Bauteile erzeugt werden.
Ein ähnliches Verfahren wird für die MiniMe-Figuren genutzt, die man von sich selbst anfertigen kann, allerdings kommen hier ein Gipsmaterial und farbiger Binder zum Einsatz. Auch Metall lässt sich so verarbeiten, dann ist ein Sinterdurchgang notwendig, um die volle Festigkeit zu erreichen. Auch die oben erwähnten Maschinen, die Sandgussformen herstellen, arbeiten nach dem Binder-Jetting-Verfahren.

Jetted Photopolymer (PolyJet):

Hier wird das Baumaterial direkt durch Düsen auf die Bauplattform gedruckt und mit UV-Licht ausgehärtet. Dabei sind sehr feine Schichten möglich; mit solchen Druckern lassen sich glasklar durchsichtige Bauteile herstellen. Eine andere Anwendung sind digitale Materialien, die durch Auftragen zweier oder mehrerer Materialien entstehen, beispielsweise eines festen und eines flexiblen Materials. Durch Variieren des Anteils der beiden Materialien lässt sich die Flexibilität an jeder Stelle des Bauteils selektiv definieren, auch Übergänge sind möglich. Ebenso lassen sich mehrere Farben mischen und drucken. Ein Beispiel für solche Maschinen sind die Objet-Drucker von Stratasys.

Weitere 3D-Druck-Verfahren:

Die bisher genannten sind die kommerziell am häufigsten eingesetzten, natürlich existieren weitere Verfahren oder werden bestehende ständig weiterentwickelt. Nur ein Beispiel unter vielen: Mcor baut 3D-Drucker, die Objekte dreidimensional und farbig erstellen, indem sie handelsübliches Schreibmaschinenpapier aufeinander kleben, schneiden und bedrucken. Dieses Verfahren nennt man LOM, Laminated Object Manufacturing.

Weitere Hintergrundinformationen zu den Themen 3D-Druck, Additive Manufacturing und Rapid-Technologien inklusive Einsatzgebieten und -anwendungen liefert der Beitrag 3D-Druck – Chancen jetzt nutzen.

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