3D Druck

Titan-3D-Druckmaterialien mit Direktmetall-Lasersinterung: DMLS ist eine Additive Herstellungsmethode. Damit lassen sich im Additivverfahren Teile herstellen, indem Metallpulverpartikel zusammenschmolzen werden. Wie im SLM Prozess wird Ihr Metallteil Lage für Lage kreiert, wie in Ihrem 3D Modell vorgegeben. Der Hauptunterschied besteht in der Sintertemperatur. - Bild: Sculpteo

Als Anfang des Jahres 2017 das Fraunhofer Institut Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) Dresden und die Technische Universität Dresden ihr gemeinsam betriebenes ‚Zentrum für Additive Fertigung Dresden’ (AMCD) eröffneten, ging ein international anerkanntes Kompetenzzentrum an den Start, das verfahrensübergreifend Werkstoff- und Fertigungslösungen für herausfordernde Produkte erarbeitet. Der 3D-Druck, wie die Additive Fertigung von Produkten auch genannt wird, hat längst den Schritt aus den Forschungslaboren der Wissenschaft in die industrielle Anwendung geschafft.

Die Herstellung von Zahnkronen oder Implantaten für den Einsatz in der Medizin gehört heute bereits genauso zu den Einsatzfeldern der Additiven Fertigung wie das Drucken von Flugzeugteilen. „Das riesige Potential, das die Additive Fertigung verspricht, kann nur gehoben werden, wenn Wissenschaft und Wirtschaft gemeinsam an einem Strang ziehen. Denn momentan nutzen wir nur einen Bruchteil der Möglichkeiten aus, die uns verfahrens- und werkstoffseitig zur Verfügung stehen“, sagt der Leiter des AMCD, Professor Christoph Leyens, der neben einer Professur an der TU Dresden gleichzeitig die Institutsleitung am Fraunhofer IWS innehat.

Einen weiteren Schritt in Richtung der Hebung dieses Potentials war im Frühjar 2017 die Eröffnung der weltweit ersten Fabrik für Additive Fertigung von FIT, eines auf Rapid Prototyping und Additive Design and Manufacturing spezialisierten Tochterunternehmens FIT Prototyping und FIT Production.

3D-Druck: Techniken im Vergleich

 

Bei der Additiven Fertigung oder dem 3D-Druck unterscheidet man drei Phasen:

  • Phase 1 beschreibt die Vorbereitung, bei dem eine 3D-Datei des Objekts, das gedruckt werden soll, designed wird. Eine neue Software des Fraunhofer Institute for Computer Graphics Research wird hier in Zukunft einen sanften Übergang zwischen Design und Simulation ermöglichen. Es soll damit möglich sein, schnell und einfach zu ermitteln, ob ein Design tatsächlich mit Additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden kann.
  • Phase 2 startet, sobald feststeht, dass das Werkstück druckbar ist - also die Geometrien im Drucker herstellbar sind. Sie umfasst den eigentlichen Druckprozess. Zunächst wählt man den Werkstoff, denn die Vielfalt der im 3D-Druck verwendeten Materialien ist sehr breit: Kunststoff, Polyamid, Keramik, Harz, Pulver aus Metall, Sand, Textilien, Biostoffe, Glas, Lebensmittel und sogar Mondstaub zählen dazu. Viele davon erlauben das Finish, einige wie Glas sind noch in der Entwicklung und schwerer zugänglich.
  • Phase 3 ist das Finish. Wenn das Objekt zuerst bedruckt wird, kann es oft nicht direkt verwendet oder ausgeliefert werden, bevor es geschliffen, gefärbt oder lackiert wurde. Das bevorzugte Material bestimmt das Druckverfahren.

Im Folgenden werden die wichtigsten Techniken je Stoffauswahl beschrieben, die vor allem von der Industrie genutzt werden (können):

Kunststoff: Fused Deposition Modeling (FDM) steht am Anfang der Entwicklung und adressiert in erster Linie Privatpersonen. Dabei wird Kuststoff geschmolzen und durch eine Düse extrudiert, die Schicht für Schicht den Querschnitt des Prototyps druckt. Das Druckerbett senkt sich für jede neue Ebene und dieser Vorgang wiederholt sich, bis das Objekt fertig gestellt ist. Die Schichtdicke bestimmt die Qualität des Werkstücks. Einige FDM-3D-Drucker verfügen über zwei oder mehr Druckköpfe, die in mehreren Farben drucken können.

Fused Deposition Modeling
Fused Deposition Modeling: Anhand der Anzahl der Drucker auf dem Markt gemessen, ist es wahrscheinlich die beliebteste Druckmethode. FDM ist im Vergleich zu anderen 3D-Drucktechnologien ein erschwingliches 3D-Druckverfahren. - Bild: Sculpteo

Alumide: Selektives Lasersintern (SLS) ist eine 3D-Drucktechnik, die ein Objekt druckt, indem ein Laser aufeinanderfolgende Schichten aus Pulver verschmilzt. Das Lasersintern erleichtert insbesondere die Kreation komplexer und ineinandergreifender Formen. Es ist auch für Kunststoff einsetzbar.

Electron Beam Melting
Electron Beam Melting: Eine EBM-Maschine trägt eine Schicht Metallpulver auf eine Bauplattform auf. Diese wird mit Hilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen. Die Bauplattform wird abgesenkt und die nächste Schicht Plastikpulver wird aufgetragen. Durch Wiederholung des Vorgangs der schichtweisen Pulverauftragung sowie der selektiven Schmelzung werden die Teile im Pulverbett aufgebaut. - Grafik: Additively

Kunstharz und Wachs: Stereolithographie (SLA) nutzt eine Wanne mit lichtaushärtendem Photopolymerharz. Die Bauplatte sinkt in kleinen Schritten ab und das flüssige Polymer wird Licht ausgesetzt, wo der UV-Laser einen Querschnitt schichtweise druckt. Der Vorgang wird solange wiederholt, bis ein Modell erstellt ist. Das Objekt wird durch Ziehen aus dem Harz (unten nach oben) gedruckt, wodurch Platz für das flüssige Harz am Boden des Behälters geschaffen wird und die nächste Schicht des Objekts bilden kann.

Stereolithographie
Stereolithographie: Das Objekt wird durch Ziehen aus dem Harz (unten nach oben) gedruckt, wodurch Platz für das flüssige Harz am Boden des Behälters geschaffen wird und die nächste Schicht des Objekts bilden kann. Eine weitere Methode ist, 3D-Objekte zu drucken, indem man es nach unten in den Tank zieht, wobei die nächste Schicht auf der Oberseite gehärtet wird. - Bild: Sculpteo

Metall: Die von Texas Instruments entwickelte Digital Light Processing (DLP) ist eine Projektionstechnik und ermöglicht mit der Wachsausschmelztechnik das Drucken von Objekten in 3D. Sculpteo, einer der Marktführer im Bereich der Digitalen Fabrikation, nutzt die DLP-Technologie zum Beispiel auch für Silber -und Messing. Dabei wird zuerst ein Wachsmodell gedruckt und eine Wachsausschmelztechnik verwendet: eine Form wird um das Wachs gestellt, bevor es geschmolzen und mit Silber gefüllt wird, wodurch das Objekt entsteht.

Schmelzen per Strahl

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) nutzt einen Laserstrahl als Energiequelle, um Metallpulver zu sintern, indem der Laser das Metall schichtweise sintert. DMLS ist ähnlich dem selektiven Lasersinterverfahren.

Electron Beam Melting (EBM) oder Elektronenstrahl-Schmelzen funktioniert ähnlich wie Laser-Schmelzen. Anstelle des Lasers wird ein Elektronenstrahl verwendet. Eine EBM-Maschine trägt eine Schicht Metallpulver auf eine Bauplattform auf. Diese wird mit Hilfe eines Elektronenstrahls geschmolzen. Die Bauplattform wird abgesenkt und die nächste Schicht Plastikpulver wird aufgetragen. Durch Wiederholung des Vorgangs der schichtweisen Pulverauftragung sowie der selektiven Schmelzung werden die Teile im Pulverbett aufgebaut.

Hürden beim 3D-Druck

Carl Fruth
Für Carl Fruth, Firmengründer und Vorstandsvorsitzender der FIT AG, war es schon vor zehn Jahren „keine Frage, dass Schichtbautechnologien in Zukunft Normalität im Fertigungsalltag sein werden und der Absatz von Fräsmaschinen oder Spritzgussmaschinen immer weiter zurückgeht“. - Bild: FIT

Unabhängig von der Vielzahl der Materialien, Verfahren und Techniken im Bereich der Additiven Fertigung und dem bereits angesprochenen Potenzial des 3D-Drucks gibt es auch noch Hürden zu nehmen: "Eine Vielzahl unserer Kunden möchte gerne eine Substitution bestehender Komponenten mittels additiver Technologien herstellen. Das ist jedoch nur sehr selten möglich. Im Regelfall wird eine Neuentwicklung der Komponenten und sehr häufig auch der angrenzenden Komponenten des Systems notwendig. Zum einen scheuen viele Unternehmen vor diesem Aufwand zurück und zum anderen benötigt man natürlich auch spezielle Entwicklungskompetenz für diese neue Fertigungstechnologie"“, sagt Carl Fruth, Firmengründer und Vorstandsvorsitzender der FIT AG.

Furth sieht auch den Fortbestand der konventionellen Werkzeugmaschine nicht in Gefahr: "Die Fertigung von Bauteilen erfolgt in einer Prozesskette. Heute und auch morgen. Additiv gefertigte Bauteile benötigen ebenso wie andere Fertigungstechnologien eine Qualitätsprüfung: ob jedes Bauteil oder jedes 50. bei Gleichteilen, spielt dabei gar keine Rolle. Insofern denke ich nicht, dass es ein Ersetzen bestehender Technologien gibt."