3D-Druckverfahren

Ob in der Medizin, Industrie oder im privaten Bereich: Verschiedene Druckverfahren ermöglichen eine ganze Bandbreite an Einsatzmöglichkeiten für 3D-Objekte. Wir haben die Unterschiede und Anwendungsgebiete der wichtigsten 3D-Druckverfahren zusammengefasst.

Inhaltsverzeichnis:

• Arten von Druckverfahren
• 3D-Druckverfahren mit pulverförmigem Material
  • BJ: Binder Jetting
  • EBM: Elektronenstrahlschmelzen
  • SLM: Selektives Laserschmelzen
  • SLS: Selektives Lasersintern
• 3D-Druckverfahren mit Filamenten
  • FFF: Fused Filament Fabrication
• 3D-Druckverfahren mit flüssigen Materialien
  • DLP: Digital Light Processing
  • PolyJet
  • SLA oder SLT: Stereolitographie
• Sonstige Druckverfahren
  • MJP: Multi Jet Modeling
• Fazit

Arten von Druckverfahren

Das Grundprinzip des 3D-Drucks ist ein additives Verfahren, bei dem das gewünschte Objekt Schicht für Schicht aufgebaut wird. Bei den meisten Druckverfahren ist eine Wärmequelle im Spiel, durch die das verwendete Material gehärtet oder geschmolzen und so jede Schicht verbunden wird. Fantasie und Formgebung sind dabei kaum Grenzen gesetzt.
Dank der sich ständig weiterentwickelnden Technologien erlaubt 3D-Druck den Einsatz verschiedenster Rohstoffe zur Fertigung eines Objekts. Welches Druckverfahren in Frage kommt, hängt daher stark vom angestrebten Nutzen und den dafür notwendigen Eigenschaften des fertigen Objekts ab.

Lässt man hybride Fertigungsverfahren außer Acht, lassen sich die 3D-Druckverfahren, basierend auf der Zusammensetzung des verwendeten Grundmaterials, in drei Kategorien einteilen:

• Fertigung mit pulverförmigem Material
  Das Pulver wird dabei selektiv entlang der gewünschten Struktur durch Hitze oder andere chemische Verfahren gebunden. Pulverförmige Werkstoffe sind ideal für präzise Bauteile. Das Pulver wird so dicht verschmolzen, dass das fertige Objekt hoher Belastung standhalten kann.
• Fertigung mit Filamenten auf Spulen
  Der Werkstoff wird in fast flüssiger Form extrudierend aufgebaut und härtet aus. Filamente finden vor allem bei der Fertigung von Prototypen und im privaten Bereich Verwendung, da sie sich schnell und einfach verarbeiten lassen.
• Fertigung mit flüssigem Material
  Das flüssige, photosensitive Grundmaterial wird mit dem Auftragen durch UV-Licht ausgehärtet. Flüssiges Material eignet sich am besten für die Herstellung hochkomplexer Teile, da der Druck sehr detailliert ist und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit hat.

Unser Ziel ist eine herstellerunabhängige Beratung, die auch, falls nötig, die gesamte Prozesskette zeigt.

BJ: Binder Jetting

Geeignetes Material: pulverförmige Werkstoffe, z.B. Sand, Metall, Keramik, Verbundstoffe, Lebensmittel, Arzneimittel

Binder Jetting lässt sich mit nahezu jedem pulverförmigen Material realisieren. Tintenstrahl-Druckköpfe tragen eine flüssige Klebermasse (Binder) auf Pulverschichten auf und verbinden sie auf diese Weise. Ist eine Schicht fertig, wird die Bauplattform abgesenkt und die nächste Pulverschicht darauf geklebt. So entsteht Schicht für Schicht ein Bauteil im Pulverbett. Je nach gewünschter Festigkeit ist im Anschluss ein Sinterdurchgang notwendig.

Aufgrund der vielfältigen Möglichkeiten durch den Einsatz unterschiedlicher Werkstoffe findet Binder Jetting in vielen Bereichen Anwendung, darunter in der Autoindustrie, in der Metallverarbeitung oder auch in der Schmuckindustrie und in der Medizintechnik. Mit diesem Druckverfahren können sowohl komplexe Strukturen als auch Gussformen, Urmodelle oder Prototypen hergestellt werden.

EBM: Elektronenstrahlschmelzen

Geeignetes Material: Metall

Electro Beam Melting, zu deutsch Elektronenstrahlschmelzen, ist ein pulverbasiertes Verfahren mit Hilfe eines Elektronenstrahls. Der Bauraum wird komplett abgedichtet, um ein Vakuum zu erzeugen. Der Elektronenstrahl schmilzt Schicht für Schicht das Pulver bis zum vollständigen Bauteil. Da der Elektronenstrahl mehrere Stellen gleichzeitig schmelzen kann, erhöht sich die Produktionsgeschwindigkeit im Vergleich zu anderen, laserbasierten Verfahren. Der Elektronenstrahl ist jedoch breiter als ein Laser und eignet sich daher weniger für die Fertigung feiner Strukturen

EBM wird vorwiegend in der Industrie zur Fertigung anspruchsvoller Bauteile verwendet.

SLM: Selektives Laserschmelzen

Geeignetes Material: Metall, Kunststoff, Keramik

Selektives Laserschmelzen wird auch Mikroschweißprozess genannt, da ein hoher stoffdichter Zusammenhalt zwischen den Schichten hergestellt wird. Mittels Hochleistungs-Laser wird Metallpulver lokal auf Temperaturen über 1.000 Grad Celsius erhitzt und verschmolzen. Nach dem Aushärten der Schicht wird die Bauplatte abgesenkt und eine neue Schicht aufgetragen. So entsteht Schicht für Schicht ein hochdichtes Metallobjekt mit weitgehend vollwertigen mechanischen Eigenschaften.

Das Verfahren kommt vor allem in der Industrie zum Einsatz.

SLS: Selektives Lasersintern

Geeignetes Material: Pulver, z.B. Nylon, Polyamide, Thermoplaste, Metalle, Keramik, Sand

Beim Sintern wird ein Stoff bis kurz vor seinen Schmelzpunkt erhitzt – beim selektiven Lasersintern macht man sich das gleiche Prinzip zunutze: Die Werkstücke werden Schicht für Schicht aufgebaut, indem ein Laser Metall- oder Kunststoffpulver so weit erhitzt, dass sich die Partikel partiell miteinander verbinden. Das Pulver, in dem das Werkstück aufgebaut wird, stabilisiert das Objekt gleichzeitig. Anders als beim SLM-Druckverfahren entstehen Werkstücke mit höherer Porosität. Dadurch sind sie vor allem für die Fertigung von Prototypen geeignet.

Bevorzugte Anwendungsgebiete sind Luft- und Raumfahrt, Werkzeugbau und die Zahnmedizin.

3D-Druckverfahren mit Filamenten

FFF: Fused Filament Fabrication

Geeignetes Material: Kunststoff, Wachs

FFF-Verfahren, auch unter dem Trade Mark Fused Deposition Modeling (FDM) bekannt, findet sowohl in der Industrie als auch im privaten Bereich Anwendung. Dabei wird geschmolzener Kunststoff, wie zum Beispiel PLA, durch eine Düse Schicht für Schicht auf eine Bauplatte aufgetragen. Manche Kunststoffe benötigen für das Verfahren zusätzlich eine beheizbare Druckplatte oder einen beheizten Druckraum. Der Kunststofffaden wird nur knapp über den Schmelzpunkt erhitzt, damit er innerhalb kurzer Zeit wieder erhärtet. Je nach Werkstück wird mit Stützstrukturen zum Schutz überhängender Elemente gearbeitet, die anschließend entfernt werden müssen. Da bei diesem Verfahren häufig raue Oberflächen entstehen, ist eine Nachbearbeitung notwendig.

Häufige Anwendungsgebiete sind neben dem privaten Bereich die Medizintechnik sowie die Luft- und Raumfahrt.

DLP: Digital Light Processing

Geeignetes Material: Wachs, Photopolymere

Beim DLP-Druckverfahren kommt ein mit Photopolymer-Harz gefüllter Behälter als Bauraum zum Einsatz. Das flüssige, photosensitive Harz wird mit Hilfe einer Dunkelkammerleuchte erhärtet. Die Werkstücke werden entweder schichtweise am Boden des Bauraums gedruckt oder aus dem Harz herausgezogen, um Platz für das nicht erhärtete Harz am Grund des Behälters zu machen. Dieses Druckverfahren ist so exakt, dass – anders als beim Fused Deposition Modeling – die Abstufungen der verschiedenen Schichten mit bloßem Auge kaum zu erkennen sind.

Ideale Anwendungsbereiche sind Maschinen- und Modellbau sowie Elektrotechnik.

PolyJet

Geeignetes Material: Photopolymere, Thermoplaste

PolyJet ähnelt, ebenso wie das Multi Jet Modeling, in gewisser Weise dem konventionellen Tintenstrahldruck. Der Druckkopf verfügt über zwei oder mehr linear angeordnete Düsen. Der Werkstoff wird erwärmt und durch eine der Düsen, den Hauptmaterialzulauf, geleitet. Das Material wird tröpfchenweise aufgetragen und anschließend unter UV-Licht gehärtet. Nach Fertigstellung einer Schicht wird die Bauplatte gesenkt. Die zweite Düse ist dazu da, um bei komplexen Strukturen eine Stützkonstruktion, beispielsweise aus Wachs, zu drucken. Diese kann anschließend durch leichtes Erwärmen ganz einfach entfernt werden. Bei mehr als zwei Druckköpfen können sogar verschiedene Werkstoffe miteinander kombiniert werden.

PolyJet eignet sich aufgrund seiner Vielseitigkeit für verschiedene Anwendungsbereiche. Die Kombination von Werkstoffen ermöglicht beispielsweise die Fertigung von Präsentations- und Designmodellen sowie von flexiblen Bauteilen und beweglichen Baugruppen.

SLA oder SLT: Stereolitographie

Geeignetes Material: Photopolymere, z.B. Epoxidharz, Elastomere, Acrylate

1986 von Charles Hull zum Patent angemeldet, gilt Stereolithographie als das erste additive 3D-Druckverfahren. Ebenso wie beim DLP wird ein mit flüssigem Photopolymer-Harz gefüllter Bauraum verwendet – der Unterschied zum DLP besteht darin, dass anstelle der Dunkelkammerleuchte ein UV-Laser zum Aushärten der definierten Bereiche zum Einsatz kommt. Dieser wird über einen Spiegel gesteuert.
Hat der Laser eine Schicht ausgehärtet, wird die Arbeitsplatte im Flüssigkeitsbad ein Stück gesenkt und die nächste Schicht entsteht.
Um Werkstücke mit hoher komplexer Geometrie in der Flüssigkeit zu fertigen, werden Stützstrukturen aus dem gleichen Material eingesetzt, die anschließend entfernt werden müssen.

Häufige Anwendungsgebiete sind Medizin und Maschinenbau. Das Druckverfahren ermöglicht die Fertigung von Prototypen und Bauteilen, die höchste Ansprüche in Sachen Präzision erfüllen müssen.

Sonstige Druckverfahren

MJP: Multi Jet Modeling

Geeignetes Material: u.a. Photopolymere

Multi Jet Modeling ähnelt wie PolyJet dem Tintenstrahldruck. Der Drucker verfügt über mindestens zwei Düsen: eine für das Material (Hauptmaterialzulauf) und eine für das Stützmaterial. Das Hauptmaterial wird erwärmt und in den Druckkopf geleitet. Dort wird es fein zerstäubt und so Schicht für Schicht auf die Bauplattform aufgetragen. Anschließend wird die Schicht mit UV-Licht gehärtet. Die Bauplattform wird gesenkt und der Vorgang beginnt von neuem. Je nach Anlage können bereits während des Druckprozesses verschiedene Materialkomponenten miteinander kombiniert werden, um Werkstücke mit unterschiedlichen mechanischen und physikalischen Eigenschaften wie Farbverläufen oder verschiedenen Härtegraden herzustellen.

Multi Jet Modeling wird vorzugsweise für den Prototypen- oder Modellbau verwendet oder überall dort, wo Modelle mit präziser Gestaltung gefragt sind.

Fazit

Neben den weit verbreiteten 3D-Druckverfahren gibt es weitere, die sich keiner der drei genannten Kategorien zuordnen lassen (wie hybride Fertigungsverfahren), und sogar ständig neue Verfahren, welche die Anwendungsbereiche von 3D-Druck sukzessive erweitern – darunter der Betondruck, der die Fertigung eines ganzen Wohnhauses innerhalb eines Tages ermöglicht, oder Bioprinting als medizinischer Hoffnungsschimmer. Man darf daher gespannt sein, welche Möglichkeiten zur Herstellung von dreidimensionalen Objekten es in Zukunft noch geben wird.