3D-Druck Verfahren – Funktionen und Möglichkeiten

Einen guten Überblick über die verschiedenen 3D-Druck-Verfahren und ihre Funktionsweisen zu bekommen, kann verwirrend sein. Hier bieten wir Ihnen eine Orientierung im Bereich 3D-Druck.

Historie 3D-Druck

3D-Druck ist die Technologie der Zukunft – dabei gibt es das Verfahren bereits seit 1983.  Eine dreidimensionale Zeichnung von einem Computer Schicht für Schicht modellieren lassen: Die Idee geht auf Chuck Hull zurück. Der spätere Gründer von 3D Systems entwickelte in den Jahren 1981 bis 1983 die Stereolithographie – die erste Form des 3D-Drucks. Seit 1985 gibt es das erste 3D-Konstruktionsprogramm (CAD), mit dem die Kommerzialisierung des 3D-Drucks ermöglicht wurde.

Grundprinzip eines 3D-Druckers: Schichtweiser Aufbau

Mit der Zeit wurden neben der Stereolithographie (SL) viele unterschiedliche 3D-Druck-Verfahren entwickelt, darunter z.B. FDM, SLM und LMD.

Grundsätzlich können alle 3D-Druck-Prozesse aber unter dem Begriff Additive Manufacturing (AM) zusammengefasst werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen, subtraktiven Verfahren, wird das Produkt nicht durch Wegnahme von Material geformt (z.B. beim Fräsen). Stattdessen wird auf Grundlage einer dreidimensionalen Zeichnung, z.B. einer CAD Datei, das Material Schicht für Schicht aufgetragen und erhärtet. Dabei werden für Überhänge oder besonders instabile Teile Stützen mit eingebaut, die nach der Erhärtung wieder entfernt werden können. Mit dem Einsatz von mehreren Materialien können für Stützstrukturen beispielsweise wasserlösliche Materialien verwendet werden, die später ausgewaschen werden können. Möglich ist aber auch bei z.B. Kunststoffen, die Stützstrukturen aus demselben Material mit zu drucken und sie später mechanisch zu entfernen. In jeder Schicht werden die Bauteile in x- und y-Richtung generiert und anschließend mithilfe einer z-Achse dreidimensional verbunden. Das Objekt wird dafür in der CAD-Datei zunächst in viele einzelne, zweidimensionale Schichten zerlegt (Slicing). Diese werden dann nach und nach einzeln hergestellt.

 Die 3D-Druckverfahren: Wie funktioniert 3D-Druck genau?

Der Grundsatz des 3D-Drucks bei allen bis heute entwickelten Verfahren ist gleich: Schichtweiser Aufbau des Bauteils. Dennoch gibt es mittlerweile eine Menge unterschiedlicher Verfahren und Techniken, die sich für verschiedene Situationen und Absichten eignen.

Es gibt drei unterschiedliche Systeme für 3D-Druck (AM), die für unterschiedliche Verfahren angewendet werden: Photopolymersysteme, pulverbasierte Systeme und Extrusionssysteme.

Photopolymersysteme

Zu den 3D-Druck Verfahren, die mit dem Photopolymersystem funktionieren, gehört auch die 1983 erfundene erste Form des 3D-Drucks: Die Stereolithographie (SLA). Weitere bekannte Verfahren sind Digital Light Processing (DLP), Zwei-Photonen-Polymeration (2PP), Continuous Liquid Interface Production (CLIP) und das Polyjetverfahren. Grundlage dieses Systems ist, dass photosensitive, flüssige Kunstharze verwendet werden, die mithilfe von Laser oder UV-Licht aushärten.

Die Stereolithographie unterscheidet sich dadurch von dem DLP-Verfahren, dass bei der Stereolithographie ein Laser zur Aushärtung verwendet wird und beim DLP-Verfahren ein Projektor. Der Projektor macht eine schnellere Aushärtung der Schichten möglich.

Beim Polyjetverfahren befinden sich UV-Lampen direkt am Druckkopf, sodass die Kunstharztropfen sofort beim Auftragen ausgehärtet werden.

Das CLIP-Verfahren ist im Gegensatz zu den anderen relativ neu und unterscheidet sich vom klassischen 3D-Druck, da die gedruckten Objekte nicht schichtweise aufgetragen und ausgehärtet werden, sondern stattdessen kontinuierlich gedruckt wird. Dadurch ist dieses Verfahren besonders schnell.

Die Vorteile des Photopolymersystems sind, dass besonders glatte, feine Oberflächen entstehen. Allerdings sind diese oft keine große mechanische Belastbarkeit und die möglichen Materialien sind auf Kunstharze beschränkt.

Pulverbasierte Systeme

Im Gegensatz zu den Photopolymersystemen werden hier keine flüssigkeitsbasierten Materialien verwendet, sondern pulverbasierte. Das resultiert zwar in raueren, poröseren Oberflächen, dafür ist die Bandbreite der möglichen Materialien viel größer. Die bekanntesten Verfahren des pulverbasierten 3D-Druck sind Colorjet-3D-Druck, Lasersintern (SLS) und Laserschmelzen (SLM) sowie Electronic Beam Melting (EBM).

Das Colorjet-Verfahren funktioniert mit pulverbasierten Materialien wie Gips oder Keramik. Die Objekte erhalten ihre Festigkeit durch die Zugabe eines Binders, der durch den Druckkopf zu dem Materialpulver gegeben wird. Der Binder „verklebt“ das Material. Da der Binder Farbpigmente enthalten kann, können mit diesem 3D-Druck Verfahren sofort farbige Objekte hergestellt werden. Das Festigungsverfahren des Verklebens ist mit einer Vielzahl von Materialien möglich. So kann z.B. auch pulverbasiertes Metall verwendet werden, wie es beim ExOne-3D-Druck gemacht wird.

Materialspezifischer ist das Lasersintern oder -schmelzen, da hier kein Kleber verwendet wird. Stattdessen erfolgt die Erhärtung durch Laser. Es können Metallpulver wie Stahl oder Aluminium verwendet werden, aber auch Kunststoffpulver. Besonders von Vorteil ist ein Pulverbasiertes System bei der Herstellung von Teilen mit besonders vielen Überhängen oder Strukturen, die zunächst Stützstrukturen benötigen. Denn das Pulver dient bereits als Stützstruktur, sodass diese nicht zusätzlich gebaut werden muss. Auch lässt sich das lose Pulver am Ende ganz leicht entfernen.

Für Metalle wird anstelle von SLS oder SLM oft auch Electronic Beam Melting (EBM-Verfahren) verwendet. Hier wird das Metallpulver in einem Vakuum nicht durch Laser, sondern durch einen gezielten Elektronenstrahl erhärtet. Durch das Vakuum kann kein Sauerstoff eingeschlossen werden, sodass besonders feste Objekte entstehen. Auch Metalle mit besonders hohem Schmelzpunkt, wie Titan, können mit dem EBM-Verfahren bearbeitet werden.

Extrusionssysteme

Beim Extrusionsverfahren werden geschmolzene Materialien zum Druck verwendet. Das Material wird schichtweise mithilfe eines beheizten Extruders auf eine beheizte Plattform aufgetragen. Im Gegensatz zu den anderen 3D-Druck Systemen erfolgt die Erhärtung weder durch Binder noch durch Laser oder UV-Licht. Stattdessen erhärten die Materialien thermisch (abkühlen) oder chemisch. Dieses System kann in besonders vielen Bereichen eingesetzt werden. Zudem gibt es eine große Menge geeigneter Materialien.

Das wichtigste und am meisten verwendete 3D-Druck Verfahren mit Extrusionssystem ist der Filament-3D-Druck (FDM/FFF). Dabei werden Kunststoffdrähte oder -stäbchen geschmolzen, aufgetragen und erhärten beim Abkühlen. Mittlerweile können auch Metalle oder andere Materialen zugesetzt werden, was zusätzlich zu der thermischen Erhärtung noch zu der Notwendigkeit von z.B. Sintern führt. Dafür gibt es eine größere Vielfalt von Produktmöglichkeiten mit höherer Festigkeit und Qualität. Das FDM-Verfahren zählt zudem zu den günstigsten Möglichkeiten für 3D-Druck.

Das Extrusionssystem wird auch bei eher experimentelleren Verfahren verwendet, wie für den 3D-Druck von Lebensmitteln mit Bio-3D-Druckern oder z.B. Betonfertigteilen im Bauwesen. Es können also auch Materialien wie Schokolade oder Nudelteig verwendet werden, da diese anschließend von allein erhärten. Die chemische Erhärtung findet z.B. beim Zement statt.

Bei der Aushärtung durch Abkühlen oder chemische Reaktionen kann sich die Oberfläche verändern, indem z.B. Poren entstehen. Deshalb ist die Oberflächenqualität beim 3D-Druck mittels Extrusion geringer als bei den anderen Systemen. Zudem hängt die Dauer von der Erhärtungs- bzw. Abkühlzeit der Materialien ab, sodass Verfahren mit Extrusionssystem oft viel Zeit in Anspruch nehmen. 

 

13. September 2021