3D-Druck

3D Druck

3D Druck gehört zur Gruppe der additiven Produktionsmethoden. Mit 3D Druck ist es möglich bei geringem Aufwand –z.B. am heimischen Basteltisch oder bei einem professionellen Druckdienstleister – eine CAD-Datei in ein Endprodukt zu überführen. Vorteilhaft ist hierbei, dass die Stückkosten beim 3D Druck nahezu unabhängig von der Produktionszahl ist. Somit können Einzelstücke und individualisierte Objekte preisgünstig erstellt werden. Die geringen Stückpreise von industriell gefertigter Massenware können aber nicht erreicht werden.

Laut einer Beschreibung von Goldmann Sachs ist 3D-Druck einer der acht „kreativen Zerstörer“. Es wird Hersteller zu Änderungen in diesem hoch disruptiven Markt zwingen wenn sie am Markt bestehen wollen. Ein wesentlicher Vorteil des 3D-Drucks liegt darin, dass Kosten, Zeit und Risiken für einen Transport entfallen.

Digital Light Processing (DLP)
Das DLP Verfahren funktioniert nach demselben Prinzip wie das nachstehend beschriebene Verfahren der Stereolithographie. Auch hier wird eine CAD-Datei verwendet, die Informationen über das 3D-Modell enthält. Bei diesem Druckverfahren wird Licht auf eine lichtempfindliche Kunststofflösung geworfen, die bei Kontakt mit UV-Strahlung oder Licht aushärtet. Nach und nach wird so Schicht für Schicht ein Objekt geschaffen, dass sich aus dem Behälter mit der Kunststofflösung erhebt. Genau an der Stelle an der das Licht auf die flüssige Kunststofflösung trifft, härtet der Kunststoff also aus.

Fused Filament Fabrication, Fused Deposition Modeling (FFF, FDM)
Das Druckmaterial wird in Pulverform oder Filament verarbeitet. Bei diesem Verfahren die einzelnen Lagen miteinander verschmolzen. Dies kann bei Kunststoff durch einfaches Erhitzen erfolgen (Extruder) aber bei Metallen oder anderen Materialien durch einen Hochleistungslaser (CO2) unter Schutzgas erfolgen. Diese Methode kann neben Kunststoffen Metalle, Keramik und Quarzsand verarbeiten.

Multi Jet Modeling, Polyjet Verfahren (MJM)
Das unter dem Markennamen MJM bekannte Verfahren ist eine Mischung aus Stereolithographie Fused Deposition Modeling. Ein Druckkopf trägt einen flüssigen, lichtempfindlichen Kunststoff auf eine Baufläche auf. Die aufgetragene Schicht wird mittels einer Rolle geglättet. Mit der im Druckkopf vorhandenen Ultraviolettlampe (UV-Lampe) wird das Material schnell ausgehärtet. Dann wird die Bauplattform abgesenkt und die nächste Schicht wird aufgetragen.

Pulverdruck (3DP)
Es handelt sich um ein Verfahren aus dem Bereich „Additive Layer Manufacturing“. Ein-3D Drucker, der Pulver als Material verwendet, kann mit einem oder mehreren Druckköpfen ausgrüstet sein. Die Funktion dieser ist der Arbeitsweise eines Tintenstrahldrucker vergleichbar. Statt Tinte überträgt der Druckkopf flüssigen Klebstoff (Bindemittel) auf eine Pulverschicht.

Diese Verfahrensart hat viele Anwendungsbereiche. Sie werden vor allem in den Bereichen

• Architektur, Automobilindustrie, Gebrauchsgüter, Medizin
• Päsentations- und Konzeptionsmodelle
• Schuhe und Bekleidungsartikel

eingesetzt.

Stereolithographie (STL, SLA)
Bei diesem Verfahren werden aus 3D CAD-Daten Prototypen erstellt. Die Funktion ist folgende: In einem Behälter ist flüssiges Photopolymer vorhanden. Auf dieses Material wird ein Laserstrahl gerichtet. „Der Laser fährt die Geometrie eines Querschnitts ab und härtet so eine dünne Schicht der Flüssigkeit aus. Die belichtete und somit ausgehärtete Schicht wird nun abgesenkt und neu mit mit flüssigem Photopolymer benetzt.“ Dieser Vorgang wird Layer für Layer wiederholt, bis zur Fertigstellung des Teiles.

Als Materialien für den Druck kommen werden momentan angeboten:

ABS (Acrylnitril Butadien Styrol)
ABS ist ein Thermoplastik und wird zur Herstellung von vielen Haushaltsgegenständen verwendet. Es wird gedruckt im „Düsenschmelzverfahren.“ Nach einer Verarbeitung ergibt sich eine glatte Oberfläche und diese ist belastbar. Temperaturen bis 80 Grad Celsius sind zulässig.

Gips
Gips wird oft mit dem Verfahren des Pulverklebens eingesetzt. Hier erfolgt eine Vermengung mit Harzen. Durch Erhitzung entsteht eine modellierbare Masse. Durch das Verkleben des Pulvers werden die hergestellten Produkte sehr hart. Einsatz finden Verfahren und Material bei wirkungsvollen, farbenreichen Modellen. Bei Bewegungen und Kontakt mit anderen Oberflächen unterliegt das Material starkem Verschleiß.

Metalle (Aluminium, Stahl, Chrom, Nickel und Edelmetalle):
Um Metalle mit einem 3D Drucker zu formen, müssen verschiedene Druckverfahren eingesetzt werden. Die entprechenden Methoden sind das:

• selektive Lasersintern
• selektive Laserschmelzen
• Elektronenstrahlschmelzen

Die Herstellung von Prototypen für die Maschinenbau-Industrie ist ein Haupteinsatzgebiet. Die produzierten Teile entsprechen im Gewicht und nach Versuchen dem späteren Einsatzprodukt. Ebenso werden 3D gedruckte Produkte aus Metall in den Branchen Elektroindustrie, Badausstatter, Schmuckherstellung (vgl. die gedruckten Silberaccessoires) usw. verwendet.

Keramik
Die druckten Erzeugnisse sind glänzend, glatt und besitzen Lebensmittelechtheit. Sie können ferner in vielen Farben gedruckt werden. Ein Hauptanwendungsgebiet sind Haushaltswaren und Figuren (vgl. gedruckte Erzeugnisse).

Polyamide (PA)
PA bezeichnet eine Kategorie von Thermoplasten. Die Verarbeitung erfolgt in der Regel mit Laser-Sintern. Einen Anteil von PA enthält auch Nylon. Man kann entsprechend der Verarbeitung eine glatte oder raue Oberfläche erzielen. Dieser Werkstoff verträgt Temperaturen bis 70 Grad Celsius.

In absehbarer Zeit ist der Einsatz von weiteren 3D Druckmaterialien verfügbar sein. Dazu gehören:

Carbon (Kohlefaser)
Carbon ist ein Verbundwerkstoff, d.h. ein carbonverstärkter Kunstoff (CFK). Kohlefaser-Werkstoffe werden in der Zukunft viele Metallarten ersetzen. Nach RapidReview arbeitet Volkswagen bereits an einer Achse aus Kohlenstoff für den Elektro Golf 7 um das hohe Gewicht der Batterien zu kompensieren. Carbon ist zwanzig Mal stabiler als Stahl und wiegt wesentlich weniger. Gedruckte 3D Bauteile aus diesem Material werden in der Automobilindustrie, Raumfahrt und Rüstungsindustrie eingesetzt.

Polymethylmethacrylat (PMMA)
PMMA sind bekannt als Acrylglas. Es handelt sich um ein hartes Erzeugniss. Dieser Kunststoff fühlt sich an wie Glas und muss zum Drucken in Pulverform vorliegen, bedingt durch die feinen Druckerdüsen. Das gedruckte Produkt ist sehr hart, hat eine rauhe Oberfläche und bricht leicht bei Krafteinwirkung.

Silikon (medizinisches Silikon):
Medizinisches Silikon wird in der Medizin für Prothesen verwendet, die in den menschlichen Körper eingesetzt werden. Mit dem 3D-Druckverfahren ist es möglich exakt passende Prothesen einzusetzen z.B. Zahnmedizin.