22.11.2018
Grundlagen

3D-Druck: Welches Verfahren für welche Anwendung?

  • Bei Figure 4 führen Roboterarme die Teile durch jeden Schritt der primären und sekundären Prozesse, wodurch eine fortlaufende Fertigung von Teilen möglich ist.

Lange war der 3D-Druck als Nischentechnologie dem Rapid Prototyping vorbehalten. Nach einer über dreißigjährigen Entwicklungsgeschichte gibt es heute additive Verfahren, welche die ­Serienfertigung von Kunststoff- und Metallteilen erlauben. Es können beispielsweise Teile gefertigt werden, die zu komplex für den herkömmlichen Spritzguss sind. Dieser Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Verfahren im 3D-Druck und diskutiert die Möglichkeiten einer zukünftigen, additiven Großserienfertigung.

Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks ist eine Gewichtsreduktion der produzierten Metall- oder Kunststoffteile. Eine Gewichtseinsparung bis zu 50 Prozent ist bei gleichzeitig kürzeren Fertigungszeiten möglich. In Zukunftstechnologien und Industrien wie der Automobilbranche, der Elektrotechnik- und Elektronikindustrie bis hin zur Luft- und Raumfahrt spielt dies eine große Rolle. Die Kosten, um beispielsweise einen Satelliten in eine geostationäre Umlaufbahn zu bringen, liegen bei bis zu 20.000 US Dollar (16.000 Euro) – pro Kilogramm. Die deutliche Kostenersparnis durch Gewichtsreduzierung, oder die Möglichkeit, auch komplexe Teile in Serie schnell zu fertigen, sorgt für einen Boom der 3D-Druckverfahren in der industriellen Fertigung.
Die Anwendung entscheidet über ­Material und Verfahren
Mit dem ständig wachsenden Angebot an 3D-Druckern, Technologien und Materialen stellt sich dem Anwender die Frage, welche Lösung für seine Bedürfnisse ideal ist. Es ist daher ratsam, bei der Planung und Kaufentscheidung immer vom fertigen Teil und seinem Verwendungszweck auszugehen und daraus Verfahren, Software, Material und den geeigneten 3D-Drucker zu bestimmen. Der Anwender muss hier also genau planen, will er erfolgreich mit 3D-Druck arbeiten. Bei der Beantwortung dieser Fragen ist eine Beratung wichtig, die alle Verfahren einschließt.
 

1. SLA-Verfahren (Stereolithographie)
Beim Stereolithographie (SLA)-Verfahren werden flüssige Kunststoffe (Photopolymere) durch UV-Strahlung auf einer Bauplattform vernetzt. Jedes im SLA-Verfahren produzierte Teil wird Schicht für Schicht erstellt, wobei jede Harzschicht auf der nächsten aufgebaut wird.

Dieser Prozess wird auch als Photopolymerisation (PP) bezeichnet. Dies geschieht direkt aus den 3D-CAD-Daten ohne Verwendung von Werkzeugen. Während des Prozesses ist die Bauplattform in das Photopolymer eingetaucht. Als UV-Quelle dienen dabei meist Laser, etwa Ultraviolettlaser. Wenn ein im SLA-Verfahren hergestelltes Teil fertig ist, wird es in einer Lösungsmittel-Lösung gereinigt, um flüssiges Harz zu entfernen, das auf der Bauteiloberfläche verblieben ist. Anschließend wird das Teil in einen UV-Ofen gelegt, um es auszuhärten und den 3D-Druckprozess abzuschließen.
Die SLA-Technologie ist vielseitig und kann eingesetzt werden, wenn Präzision oberste Priorität hat und wenn Form, Passform und Montage entscheidend sind. SLA ermöglicht es Herstellern, Zeit bei hochpräzisen Teilen zu sparen. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine Reihe von Funktionsprototypen oder ein schnelles Einzelmodell benötigt wird. Wie kein anderer additiver Fertigungsprozess deckt SLA ein breites Anwendungsspektrum ab, einschließlich der anspruchsvollen Rapid-Manufacturing-Anwendungen für hochpräzise und langlebige Prototypen aller Art. Die Toleranzen eines SLA-Bauteils sind typischerweise kleiner als 0,05 mm. SLA bietet zudem die glatteste Oberflächenbeschaffenheit aller additiven Fertigungsprozesse. Weitere Vorteile liegen in einer breiten Palette von zur Verfügung stehenden Druckmaterialien aus Polypropylen.
 

2. SLS-Technologie (selektives Lasersintern)
Beim selektiven Lasersintern (SLS) wird ein Thermoplast-Werkstück ebenfalls Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebig komplexe, dreidimensionale Geometrien erzeugt werden. So ist die Herstellung von Werkstücken möglich, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen. Komplette Baugruppen lassen sich als ein Teil drucken, wodurch Kosten reduziert und die Funktionalität sowie Betriebssicherheit erhöht werden. Das Thermoplast-Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel aufgebracht und die Schichten mit Laserstrahlen schrittweise in das Pulverbett gesintert. Die Bauplattform wird danach leicht abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Ein wesentlicher Vorteil des SLS-Verfahrens besteht darin, dass Stütz- und Supportstrukturen komplett entfallen. Das Bauteil wird während seiner Entstehung stets vom umgebenden Pulver gestützt.
 

3. MJP (MultiJet Printing)
Im MultiJet Printing (MJP)-Verfahren werden präzise Kunststoffteile erstellt, die unter anderem als Funktionsprototypen, Passformmodelle und als schnelle Werkzeugalternativen zum Einsatz kommen. Beispielsweise können mit MJP-Druckern von 3D Systems starre oder flexible Teile mit ABS-ähnlichen Kunststoffen und echten Elastomeren gedruckt werden. So können sogar Verbundwerkstoffe mit maßgeschneiderten, mechanischen Eigenschaften erzeugt und komplexe Teile mit mehreren Werkstoffen gedruckt werden, die herkömmlich nur mit Überspritzen gefertigt werden könnten. MJP zeichnet sich durch eine außergewöhnliche Auflösung mit Schichtstärken von gerade einmal 13 Mikrometern aus. Dank der variablen Druckmodi können Anwender eine Kombination aus Auflösung und Druckgeschwindigkeit auswählen. Die Oberflächen der Teile sind dabei glatt und erreichen in vielen Anwendungsgebieten eine Genauigkeit, die der von SLA-Druckern kaum nachsteht. Bei MJP-Druckern ist es möglich, die Supportstrukturen aus einem Wachs mit niedrigerem Schmelzpunkt zu drucken. Sie können so in einem Ofen leicht aus einem gedruckten Teil ab- und herausgeschmolzen werden.
 

4. Digital Molding und DLP (Digital Light Processing)
Eine Alternative zum herkömmlichen Spritzguss in der Serienfertigung von Kunststoffteilen ist das Digital Molding. Hier kommt die Figure-4-Technologie von 3D Systems zum Einsatz, die ihre Ursprünge im SLA-Prinzip hat. Figure 4 bedeutet, dass Roboterarme die Teile automatisch durch die einzelnen Prozesse führen. Das Digital Molding, wie es von 3D Systems umgesetzt wird, ist skalierbar und lässt sich in automatisierte Produktionslinien integrieren. Es besteht aus einzelnen Modulen für jeden automatisierten Schritt, wodurch weniger Eingriffe durch den Menschen erforderlich sind. Somit ist die Fertigung von Groß- und Kleinserien und ein rascher Wechsel bei der Produktion unterschiedlicher Teile möglich. Hersteller haben so die Möglichkeit, ein Design schnell zu wiederholen und umgehend ein Teil für die Endnutzung zu fertigen. Digital Molding macht es ebenfalls möglich, dass Designs direkt vom CAD ohne Bearbeitung in die Fertigung gehen. Der Wegfall von Werkzeugen für den Fertigungsprozess ermöglicht eine Verkürzung der Produktionszeit, höhere Flexibilität sowie die gleichzeitige Fertigung mehrerer Produkte.
Anders als bei sonstigen 3D-Druckverfahren mit Photopolymeren bietet Figure 4 die Möglichkeit, Teile aus Hybridmaterialien (multimodale Polymerisation) zu fertigen, die robust, langlebig und biokompatibel sind und eine hohe Temperaturbeständigkeit und sogar elastomere Eigenschaften aufweisen. Dies öffnet die Tür für neue Endanwendungen im Bereich langlebiger Gebrauchsgüter, der Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, im Gesundheitswesen und anderen Bereichen.
 

5. DMP (Direct Metal Printing)
Die additive Fertigung mit Metallen bietet viele Vorteile für den Anwender. Mit dem Direktmetalldruck (DMP) können Metallteile hergestellt werden, die robuster, leichter, langlebiger und leistungsfähiger sind als gefräste oder gegossene Bauteile. Für die Luft- und Raumfahrtindustrie lassen sich so beispielsweise Halterungen herstellen, die dank der Topologie ein um 35 Prozent verringertes Teilegewicht aufweisen. Ein weiterer Punkt ist die konsolidierte Fertigung eines einzigen hochkomplexen Teils, womit neben der Reduzierung von Gewicht auch die Minimierung der Kosten und des Montageaufwands sowie die Vermeidung von Montagefehlern einher geht. Weniger Teile vereinfachen auch die Logistik und das Supply-Chain-Management. Ebenso lassen sich durch den additiven Metalldruck Produktentwicklungs- und Produktionszeiten reduzieren, um einen sich schnell verändernden Markt besser bedienen zu können.
 

Für die Serienfertigung
Immer mehr Hersteller nutzen Metalldrucker für Serienfertigungen. Die voll skalierbare DMP Factory 500, ein Gemeinschaftsprojekt von 3D Systems und GF Machining Solutions, wird 2018 kommerziell verfügbar sein. Hersteller haben damit die Möglichkeit, ihre Produktivität zu steigern und gleichzeitig die Teilequalität und Prozesssicherheit zu erhöhen. DMP Factory 500 besteht aus funktionsspezifischen Modulen, die durch eine optimierte Auslastung die Durchsatzleistung maximieren und gleichzeitig die Betriebskosten reduzieren. Der Bauraum des Druckermoduls beträgt 500 x 500 x 500 mm und ermöglicht sowohl die Herstellung großer Bauteile als auch die gleichzeitige Fertigung mehrerer Bauteile. Ein integriertes Pulver-Managementsystem sorgt für eine einheitliche und reproduzierbare Qualität der gedruckten Teile. Das Drucken unter einem minimalen Sauerstoffanteil von 25 ppm erlaubt eine hohe Materialqualität bei gleichzeitig minimalem Schutzgasverbrauch, was sich positiv auf die TCO auswirkt. Die DMP Factory 500 kommt mit minimaler Anwendereinbindung aus. Dafür sorgt zum Beispiel das Removable Print Module (RPM), das zwischen Drucker und Pulvermodulen bewegt werden kann. Die Hauptvorteile einer derartigen Lösung liegen im Bau von präzisen, qualitativ hochwertigen Großteilen, einer geringen TCO, einer deutlichen Vereinfachung der Prozessabläufe und den Möglichkeiten, die eine Skalierung bietet. Die gesamte Lösung ist für den Dauerbetrieb ausgelegt und kann individuell für spezifische Produktionsteile und den Produktionsablauf der Kunden konfiguriert werden.

 

 

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