3D-Druck/Additive Verfahren - KEM

3D-Druck/Additive Verfahren

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Wissenswertes zur Additiven Fertigung und dem 3D-Druck

Additive Fertigung in Industrie und Forschung


Gleich eine Bemerkung vorweg: Umgangssprachlich werden die sogenannten additiven Verfahren häufig als ‚3D-Druck‘ bezeichnet. Technisch gesehen ist der 3D-Druck aber nur ein Verfahren der additiven Fertigung, angelehnt an die Arbeitsweise von Tintenstrahldruckern. Das Material (beziehungsweise die Tinte) wird dabei Tropfen für Tropfen aufgebracht – der 3D-Drucker baut auf diese Weise ein Bauteil auf. Die additive Fertigung kennt aber weit mehr Verfahren – typischerweise wird das Bauteil schichtweise in einem Pulverbett aufgebaut, wobei ein Laserstrahl das Pulver lokal erhitzt und so verbindet. Erkennbar ist, dass der Markt für das Additive Manufacturing (AM) stetig wächst. Die Technologie hat bereits in den Bereichen Medizinprodukte, Luft- und Raumfahrt sowie Turbinenbau Serienreife erreicht, so dass nachfolgend ein Überblick über die wichtigsten Verfahren der additiven Fertigung lohnt.

Die meisten additiven Fertigungstechnologien arbeiten mit Maschinen, die auf Basis von CAD-Daten einen Gegenstand Schicht um Schicht zum Beispiel aus Keramik, Metall, Kunststoff und ganz aktuell auch Silikon aufbauen. Als Bezeichnung für ihre dahingehende Forschung bevorzugen Unternehmen mittlerweile nicht mehr den Begriff 3D-Druck. Längst wird er meist nur noch für generative Verfahren mit Kunststoffen verwendet. Generative Fertigung, additive Fertigung beziehungsweise Additive Manufacturing sind die heute meist genutzten Begriffe. Auch um eine deutlichere Abgrenzung des Verfahrens von abtragenden Fertigungsmethoden, wie dem Fräsen, zu schaffen. Einen großen Nutzen aus der additiven Fertigung ziehen die Unternehmen, deren Schwerpunkt auf dem Rapid Prototyping liegt. Doch ist bereits bei manchen Verfahren der additiven Fertigung auch die Serienproduktion möglich. Rapid Prototyping ist allerdings nur ein Anwendungsfeld. Weitere sind Rapid Tooling und Rapid Manufacturing. Mittlerweile kommt die industrielle additive Fertigung in allen Branchen zum Einsatz: In der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, in der Medizinbranche und dem Werkzeugbau.

Abgrenzung der additiven Fertigung nach Verfahren
Eine Abgrenzung der additiven Fertigung ist mittlerweile gar nicht mehr so einfach, als das noch in den 1980ern war, in deren Anfängen sie „nur“ auf die Verfahren Stereolithografie und Lasersintern reduziert werden konnte. Mittlerweile verschwimmen mit sogenannten Hybridmaschinen bereits die Grenzen zur alleinigen spanenden Fertigung. Solche intelligenten Hybridlösungen, wie sie zum Beispiel DMG Mori, Hermle und Mazak anbieten, kombinieren die generative Bauteilfertigung mit der spanenden Bearbeitung und ermöglichen somit die generative Fertigung kompletter Bauteile in Fertigteilqualität.
Einerseits böte sich nun eine Unterscheidung nach den Werkstoffen für die additive Fertigung an. Allerdings war erst jüngst noch für das Drucken von Metallteilen auf Kunststoff-Filamentmaschinen beispielsweise keine Lösung verfügbar. Das vor vier Jahren gegründete österreichische Unternehmen Evo-Tech hat in Kooperation mit der BASF einen Kunststoff mit 80-prozentigem Metallanteil und die Maschinentechnologie für dessen Verarbeitung entwickelt. Nach dem 3D-Druckprozess und dem Sintern entstehen Fertigteile aus reinem Edelstahl. Die Grenzen verschwimmen auch hier.

Daher ergibt sich an dieser Stelle eine Unterteilung nach den einzelnen Verfahren der additiven Fertigung. Unterschieden wird nach Pulverbettverfahren, Freiraumverfahren und Flüssigmaterialverfahren, die im Folgenden erläutert werden.

  • Pulverbettverfahren
    Die Pulverbettverfahren SLS (Selective Laser Sintering), SLM (Selective Laser Melting) und SEBM (Selective Electron Beam Melting) bilden die bevorzugten Verfahrensvarianten, wenn es um die Bauteilfertigung mit der höchsten Geometriefreiheit geht. Werkstoffe, die sich für Pulverbettverfahren eignen sind zum Beispiel Edelstahl, Werkzeugstahl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Titan und Titanlegierungen, Chrom-Cobalt-Molybdän-Legierungen, Bronzelegierungen, Edelmetalllegierungen, Nickelbasislegierungen, Kupferlegierungen, Keramik und Kunststoffe. Sie liegen in Pulverform vor. Im Bauraum wird im ersten Schritt jeweils eine Schicht dieses Pulvers aufgetragen und im zweiten Schritt mit Hilfe von Bindemittel oder auch durch Einwirkung von Energie gefestigt. Dabei wird das Bindemittel beziehungsweise die Energie nur an den Stellen dem Pulverbett zugeführt, wo das Modell in der jeweiligen Schicht entstehen soll. Danach wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt und die nächste Pulverschicht wird aufgetragen. Das bis dahin ungebundene Pulver übernimmt die Stützfunktion, wobei je nach Material und Objekt trotz des stabilisierenden Pulverbettes Stützkonstruktionen erforderlich sein können. Das überschüssige Pulver muss am Ende des Druckprozesses entfernt werden. Je nach Material und Qualitätsanforderungen kann ein Teil des Pulvers für den nächsten 3D-Druck verwendet werden. Weitere Verfahren neben den drei oben genannten sind Selective Heat Sintering (SHS), Binder Jetting (Verfestigen von Pulvermaterial mittels Binder) und Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting = EBM).
    Nimmt man Metall als Material, ist vor allen Dingen folgendes interessant: Beim pulverbettbasierten Laserschmelzen erschafft der Laser aus Pulver schichtweise neue Werkstücke. Seine Vorteile kann es bisher vor allem bei der Fertigung von Prototypen, Unikaten und Kleinserien ausspielen. Beim Laserauftragschweißen erzeugt der Laser ein Schmelzbad auf der Bauteiloberfläche, in das ein metallischer Zusatzwerkstoff in Pulverform kontinuierlich eingebracht und aufgeschmolzen wird. So entstehen miteinander verschweißte Raupen, die Strukturen an bestehenden Grundkörpern oder ganze Bauteile ergeben. Das Verfahren wird zum Beispiel von Trumpf auch zur Beschichtung und Reparatur eingesetzt.
  • Freiraumverfahren
    Im Gegensatz zum Pulververfahren wird beim Freiraumverfahren nicht der komplette Bauraum Schicht für Schicht gefüllt, sondern das gedruckte 3D-Modell entsteht schichtweise, indem nur an den Stellen Material aufgebracht wird, wo das Modell entstehen soll. Bei Überhängen und Hohlräumen ist eine Stützkonstruktion erforderlich, da das Objekt nicht in einem selbsttragenden Pulverbett liegt. Das Material selbst liegt als Rohmaterial in einer festen Form als Filament beziehungsweise Granulat oder in flüssiger Form vor. Freiraumverfahren unterteilen sich in die folgenden additiven Fertigungsverfahren: Fused Deposition Modeling (FDM), Contour Crafting (CC), Wax Deposition Modeling (WDM), PolyJet oder MultiJet Modeling (MJM), Laminated Object Modeling (LOM), Cladding (Auftragsschweißen), Kaltgasspritzen und nicht zuletzt Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA).
    Den größten Marktanteil aller Verfahren im 3D-Druck hat das Fused Deposition Modeling. Bei dem FDM-Verfahren wird ein Materialstrang durch eine Heizdüse befördert. Dabei wird das Material soweit erhitzt, dass es schmilzt und zähflüssig durch diese Düse extrudiert wird. Die Düse verfährt in der Regel in x- und y-Richtung über eine Bauplattform. Einige wenige Systeme besitzen eine bewegliche Bauplattform. Die Düse legt das dabei erkaltende Material strangförmig ab. Das noch heiße Material verschmilzt mit dem bereits darunter aufgelegten Bau- beziehungsweise Stützmaterial. Neben reinen thermoplastischen Kunststoffen werden vermehrt Materialien entwickelt, die zusätzliche weitere Bestandteile wie Glas- oder Karbonfasern enthalten. Die FDM-Technologie wurde vor über 20 Jahren von Scott Crump, dem Gründer von Stratasys, erfunden. Seitdem ist das Unternehmen nach eigenen Angaben weiterhin Vorreiter des 3D-Drucks und entwickelt zahlreiche Systeme für Großunternehmen, Designer, Ingenieure, Bildungseinrichtungen und andere Anwender.
  • Flüssigmaterialverfahren
    Die mit dem Flüssigverfahren oder Flüssigmaterialverfahren arbeitenden 3D Drucker haben ähnlich dem Pulververfahren eine Art Wanne, die während des Druckprozesses gefüllt wird. Dabei ist das Baumaterial in seiner ursprünglichen Form flüssig. Das bekannteste dieser Verfahren und auch das älteste ist die Stereolithografie. Materialbasis sind immer, wie auch beim PolyJet- beziehungsweise MultiJet-Verfahren, Photopolymere. Ein weiteres Verfahren ist das Liquid Composite Moulding (LCM).

Weitere Verfahren, die sich nicht unter den oben genannten klassifizieren lassen konnten, sind der 3D-Siebdruck von Metallen und die lichtgesteuerte elektrophoretische Abscheidung.

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