Welche Arten von 3D-Druck gibt es?

Was ist 3D-Druck?

Der 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, ist eine Technologie, die dreidimensionale Objekte durch schrittweises Auftragen von Material Schicht für Schicht erzeugt.

Anders als bei herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren (wie dem Schneiden) oder der Herstellung von homogenen Materialien (wie Gießen und Schmieden) basiert der 3D-Druck direkt auf einem digitalen Modell und verwendet computergesteuerte Präzisionsanlagen, um das Material in die gewünschte Form und Größe zu bringen. Dieses Verfahren macht Formen und Werkzeuge überflüssig und erhöht so die Designfreiheit und Fertigungsflexibilität erheblich. Dadurch werden komplexe Strukturen, personalisierte Produktion und Kleinserienfertigung möglich.

Arten des 3D-Drucks

1. Schmelzschichtung (FDM)

FDM ist ein Verfahren zum Erhitzen, Schmelzen und Formen verschiedener Heißschmelz-Filamentmaterialien (wie Wachs, ABS und Nylon).

Das Verfahren funktioniert, indem ein niedrigschmelzendes Filamentmaterial durch den Extrusionskopf eines Heizelements verflüssigt wird. Anschließend wird das Material durch eine Düse extrudiert, die sich präzise den Konturen des jeweiligen Bauteils anpasst und das geschmolzene thermoplastische Material in präzise Formen aufträgt und verfestigt.

Dieser Prozess verläuft Schicht für Schicht und erzeugt schließlich ein solides Modell oder Bauteil.

Vorteile

1. Ungiftig, obwohl einige Filamente, wie z. B. ABS, giftige Dämpfe freisetzen können. Im Allgemeinen ist dieses Verfahren umweltfreundlich.
2. Es ist eine große Auswahl an Farbdruckmaterialien erhältlich, die erschwinglich sind und eine hohe Auslastung aufweisen.
3. Niedrige bis mittlere Ausrüstungskosten.
4. Niedrige bis mittlere Nachbearbeitungskosten (Entfernung der Stützstrukturen und Oberflächenbehandlung).
5. Optimal geeignet für mittelgroße Elemente.
6. Die Bauteile weisen praktisch keine Porosität auf.
7. Das Material zeichnet sich durch hohe Strukturstabilität, Chemikalienbeständigkeit, Wasserbeständigkeit und Temperaturbeständigkeit aus. 8. Im Vergleich zu anderen Desktop-Technologien ist der Bauraum mit 600 x 600 x 500 mm recht groß.

Nachteile

1. Begrenzte Gestaltungsmöglichkeiten. Dünne Wände, scharfe Ecken und Kanten an vertikalen Flächen können nicht hergestellt werden.
2. Gedruckte Modelle sind in vertikaler Richtung am schwächsten, da das additive Schichtverfahren zu einer Anisotropie der Materialeigenschaften führt.
3. Nicht sehr genau, mit Toleranzen im Bereich von 0,10 bis 0,25 mm.
4. Die Zugfestigkeit beträgt etwa zwei Drittel derjenigen von spritzgegossenen Varianten aus demselben Material.
5. Schwierigkeiten bei der Kontrolle der Temperatur im Bauraum, die für optimale Ergebnisse entscheidend ist.
6. „Stufenprobleme“ bei vertikalen Bauebenen.

2. Stereolithographie (SLA)

Die Stereolithographie (SLA) nutzt eine Technologie namens Photopolymerisation, ein 3D-Druckverfahren, um dreidimensionale Objekte herzustellen.

Es war eines der frühesten Verfahren der additiven Fertigung und wird auch heute noch angewendet.

SLA wird häufig in Branchen eingesetzt, die hochauflösende Prototypen, detaillierte Modelle, Schmuck, zahnmedizinische Anwendungen und andere Bereiche erfordern, in denen Präzision und feine Details von entscheidender Bedeutung sind.

Vorteile

1. Reifegrad: Es handelt sich um die früheste praxiserprobte und ausgereifte Rapid-Prototyping-Technologie in China. 2. Verarbeitungsgeschwindigkeit: Prototypen können direkt aus digitalen CAD-Modellen erstellt werden, was zu hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten und kurzen Produktionszyklen führt.
2. Komplexe Strukturen: Es kann Prototypen und Formen mit komplexen oder mit herkömmlichen Methoden schwer herstellbaren Formen bearbeiten.
3. Visualisierung: Sie macht digitale CAD-Modelle intuitiv verständlich und reduziert die Kosten für die Fehlerkorrektur.
4. Systemkosten: SLA-Systeme sind teuer in der Entwicklung, im Betrieb und in der Wartung.
5. Arbeitsumgebung: Die Arbeitsumgebung erfordert strenge Anforderungen, wie z. B. kontrollierte Temperatur und Luftfeuchtigkeit.
6. Eigenschaften von Formteilen: Formteile bestehen meist aus Harz, das nur eine begrenzte Festigkeit, Steifigkeit und Hitzebeständigkeit aufweist und sich daher nicht für die Langzeitlagerung eignet.

3. Selektives Lasersintern (SLS)

SLS nutzt präzise gesteuerte Hochenergie-Laserstrahlen, um pulverförmige Materialien Schicht für Schicht abzutasten und zu sintern und so letztendlich die präzise Konstruktion komplexer dreidimensionaler Festkörper zu erreichen.

Die Vorteile der SLS-Technologie liegen in der breiten Materialauswahl (z. B. Metalle, Keramik und Polymere), der hohen Formgenauigkeit und den leistungsstarken Bearbeitungsmöglichkeiten komplexer Strukturen. Daher findet SLS breite Anwendung in anspruchsvollen Fertigungsbereichen wie der Luft- und Raumfahrt sowie der Automobilindustrie. Allerdings sind SLS-Anlagen auch mit höheren Kosten und einem größeren technischen Aufwand verbunden.

Vorteile

1. Materialauswahl: Es kann eine breite Palette an Materialien verwendet werden, darunter Metallpulver und Keramikpulver.
2. Bauteilfestigkeit: Das Bauteil weist eine hohe Festigkeit auf und eignet sich daher für die Herstellung von hochpräzisen und hochfesten Bauteilen.
3. Materialausnutzung: Hohe Materialausnutzung, ungesintertes Pulver kann wiederverwendet werden, wodurch Abfall vermieden wird.
4. Stützfrei: Es sind keine Stützstrukturen erforderlich, was den Druckprozess vereinfacht.

Nachteile

1. Lockere Struktur: Die Prototypstruktur ist locker, porös und weist innere Spannungen auf, was sie während der Produktion instabil macht.
2. Nachbearbeitung: Die Nachbearbeitung von Keramik- und Metallteilen ist schwierig.
3. Vorheizen und Abkühlen: Vorheiz- und Abkühlprozesse sind erforderlich, was die Druckzeit verlängert.
4. Umweltverschmutzung: Beim Formgebungsprozess können giftige Gase und Stäube entstehen, daher sind Umweltschutzmaßnahmen erforderlich.

4. Mehrdüsendruck

Die Mehrdüsen-Drucktechnologie nutzt mehrere Düsen, um Materialien während des 3D-Druckprozesses gleichzeitig oder abwechselnd zu verarbeiten. Diese Technologie kann die Druckgeschwindigkeit und -effizienz deutlich steigern und ermöglicht zudem das Mischen verschiedener Materialien. Sie bietet erhebliche Vorteile bei der Herstellung komplexer Strukturen, Mehrkomponentenbauteile und im Farb-3D-Druck.

Vorteile

1. Druckqualität: Hochwertige Druckprodukte unterstützen die Herstellung von hochauflösenden Bauteilen.
2. Multi-Material-Druck: Unterstützt das Drucken mit einer Vielzahl von Materialien, darunter Ton, Plastilin, Keramik, ABS, PLA und mehr.
3. Stützstruktur: Einzigartige, auf Wachs basierende Stützstruktur für einfaches und schnelles Entfernen.

Nachteile

1. Komplexe Struktur: Die komplexe Struktur mit mehreren Düsen erschwert die Wartung der Geräte.
2. Wartungsaufwand: Die Wartung ist schwierig und erfordert spezielle Kenntnisse und Werkzeuge.
3. Preis der Verbrauchsmaterialien: Verbrauchsmaterialien unterliegen einem Monopol und sind daher teurer.
4. Druckgeschwindigkeit: Relativ langsam, was zu längeren Druckzeiten führt.

5. Binder Jettin

Bei der Binder-Jetting-Technologie wird ein Bindemittel durch eine Düse auf ein Pulvermaterial gesprüht, wodurch das Pulvermaterial aushärtet und die gewünschte Form annimmt.

Diese Technologie bietet Vorteile wie hohe Materialausnutzung, geringe Kosten und die Möglichkeit, große, komplexe Strukturen zu drucken. Allerdings können Druckgenauigkeit und -geschwindigkeit durch die Eigenschaften des Binder-Jetting-Verfahrens und des Pulvermaterials begrenzt sein.

Vorteile

1. Materialausnutzung: Eine hohe Materialausnutzung ermöglicht das Sieben und die Wiederverwendung von überschüssigem Material.
2. Formgebungseffizienz: Die Formgebungseffizienz hängt von der Anzahl der Druckdüsen ab. Je größer die Anzahl der Düsen, desto höher die Formgebungseffizienz.
3. Keine Stützkonstruktion erforderlich: Es ist keine spezielle Stützkonstruktion notwendig. Selbsttragende Pulvermaterialien ermöglichen die wiederholte Herstellung mehrerer Teile.

Nachteile

1. Materialauswahl: Theoretisch ist eine breite Palette von Materialien anwendbar, in der Praxis sind jedoch nur begrenzte Metallwerkstoffe verfügbar.
2. Entbinderungs- und Sinterprozess: Der Entbinderungs- und Sinterprozess ist ein wichtiger Aspekt der Qualitätskontrolle, stellt aber gleichzeitig eine zentrale Herausforderung dar.
3. Teilegröße: Mittelgroße und große Teile können nicht hergestellt werden, die Teilegröße ist begrenzt. 4. Eigenschaften nach der Entfettung: Die Dichte des Materials ist nach der Entfettung gering, was zu schlechten Eigenschaften, insbesondere einer niedrigen Streckgrenze, führt.