Übersicht der wichtigsten 3D-Druck Technologien
Der 3D-Druck bietet heutzutage eine große Vielfalt unterschiedlicher Verfahren und Technologien. Diese verschiedenen Verfahren und die Vorteile, Unterschiede und Anwendungsgebiete stellen wir Ihnen hier vor.
Freiraumverfahren
Eine Kategorie der 3D Druckverfahren bilden die Freiaumverfahren. Bei diesen wird im Gegensatz zu den Pulververfahren nicht der komplette Bauraum Schicht für Schicht gefüllt, sondern das gedruckte 3D Modell entsteht schichtweise. Es wird dabei nur an den Stellen Material aufgebracht, wo das Modell entstehen soll.
Bei Überhängen und Hohlräumen ist eine Stützkonstruktion erforderlich, da das Objekt nicht in einem selbsttragenden Pulverbett liegt. Das Material selbst liegt als Rohmaterial in einer festen Form als Filament bzw. Granulat oder in flüssiger Form vor.
In den letzten Jahren hat es eine massive Tendenz hin zu preiswerten Systemen speziell für den Verbrauchermarkt gegeben. Insbesondere durch das einfache Prinzip des FDM Verfahrens sind viele Hersteller mit preiswerten 3D-Druckern auf den Markt gedrängt. Allerdings unterscheiden sich derzeit die preiswerten 3D-Drucker in der Qualität und Prozessstabilität deutlich von den professionellen Systemen.
Varianten des Freiraumverfahren als 3D-Druckverfahren
Im 3D-Druck gliedern sich die Freiraumverfahren in die folgenden Druckverfahren:
Das als Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung, FDM) bezeichnete Verfahren hat derzeit den größten Marktanteil aller Verfahren im 3D Druck. Bei dem FDM-Verfahren wird ein Materialstrang durch eine Heizdüse befördert. Dabei wird das Material soweit erhitzt, dass es schmilzt und zähflüssig durch diese Düse extrudiert wird. Die Düse verfährt in der Regel in x- und y-Richtung über eine Bauplattform (es gibt einige wenige Systeme, bei denen die Bauplattform hin und her bewegt wird) und legt das dabei erkaltende Material strangförmig ab. Das noch heiße Material verschmilzt dabei mit dem bereits darunter aufgelegten Bau- bzw. Stützmaterial.
Scott Crump, der Gründer der Firma Stratasys, hat dieses Verfahren entwickelt und natürlich zählt Stratasys nach wie vor, trotz ausgelaufener Patente, zu dem führenden Anbieter solcher Systeme. Hohe mechanische Genauigkeit und vor allem eine Temperaturregelung im Bauraum sind die wichtigen Komponenten, die für eine gleichbleibende Qualität der gedruckten 3D Modelle sorgen. Neben reinen thermoplastischen Kunststoffen werden vermehrt Materialien entwickelt, die zusätzliche weitere Bestandteile wie Glas- oder Karbonfasern enthalten.
Bei dem als Contour Crafting bezeichneten 3D Druckverfahren handelt es sich um eine besondere Form des FDM Verfahrens. Ursprünglich wurde dieser 3D Druck entwickelt von Dr. Behrokh Khoshnevis von der University of Southern California. Dabei wurde ein Spezialbeton aufgetragen, der sehr schnell abbindet und aushärtet. Die so aufgebauten Wandkonturen werden später mit herkömmlichem Beton verfüllt. Dieses Verfahren funktioniert generell nur mit Materialien, die sehr schnell aushärten.
Ein sich durch besonders hohe Auflösungen auszeichnendes 3D Druckverfahren ist das Wax Deposition Modeling. Bei diesem 3D Druckverfahren wird Wachs aufgeschmolzen und schicht- bzw. bahnenweise aufgetragen. Da Wachs bei hohen Temperaturen eine niedrige Viskosität erreicht, können damit sehr feine Schichten und damit insgesamt sehr feine Strukturen erstellt werden. Derzeit sind Systeme mit einer Auflösung von bis zu 6.000 dpi verfügbar.
Die hohe Auflösung bei diesem 3D Druckverfahren verlangt Geduld, auch bei kleinen Bauteilen muss mit einem hohen Zeitaufwand gerechnet werden. Der große Vorteil von Wachsmodellen ist, dass die so gedruckten 3D Modelle direkt als Urform für einen Abguss verwendet werden können. Da das Wax Deposition Modeling eine hohe Detailwiedergabe ermöglicht, ist eine Nacharbeit der Modelle nicht erforderlich.
Das PolyJet Verfahren (Stratasys) und das MultiJet-Verfahren (3D Systems) arbeiten jeweils mit Photopolymeren. Diese Photopolymere liegen als Rohmaterial in flüssiger Form im 3D Drucker vor. Das Material wird über die Düsen eines Druckkopfes gezielt aufgetragen. Über eine Beleuchtungseinheit wird das aufgetragene Material belichtet und dadurch ausgehärtet. Das eventuell erforderliche Stützmaterial wird ebenso aufgetragen. Je nach Gerätemodell und Hersteller kann dieses auf unterschiedliche Art entfernt werden, da es andere physikalische Eigenschaften als das jeweilige Baumaterial aufweist.
Das PolyJet-Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Auflösung mit Schichtstärken bis hin zu 16 µm aus. Im 3D Druck mittels PolyJet Verfahren ist es möglich, verschiedene Photopolymere innerhalb eines Bauteiles zu drucken und damit zum Beispiel verschiedene Shore-Härten oder auch verschiedene Farben abzubilden.
Das als Laminated Object Modeling oder auch Laminated Layer Manufacturing bezeichnete 3D Druckverfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Objekte durch das Ablegen und Verkleben einzelner Materialblätter erstellt werden. Die Materialblätter können dabei aus Papier, Folie oder auch aus Metall bestehen. In das jeweils oben aufgelegte Materialblatt wird mittels Schleppmesser oder auch per Laserstrahl die Kontur der jeweiligen Modellebene geschnitten.
Aktuelle Systeme, die bei dem LOM-Verfahren mit Papier als Baumaterial arbeiten, können die Papierbahnen farbig bedrucken, sodass am Ende auch ein farbiges Bauteil entsteht. Problem all dieser Verfahren ist die Entfernung des überschüssigen Materials. Ist dies bei konvexen Bauteilen problemlos möglich, stellen komplexe Strukturen für den Anwender eine große Schwierigkeit dar, da beim Entfernen des Materials auch Modellstrukturen zerstört werden können.
Das als Auftragsschweißen bezeichnete Verfahren wird sicherlich in den meisten Publikationen nicht als 3D Druck bezeichnet, der Vollständigkeit halber wird es hier trotzdem aufgeführt. Es handelt sich dabei auch um ein additives Verfahren, bei dem ein Schweißdraht mittels Lichtbogen erhitzt und aufgeschmolzen wird. Das geschmolzene Material wird dabei auf einen bereits bestehenden Objektkörper aufgetragen. Alternativ kann ein Pulvergranulat auf ein bestehendes Objekt aufgetragen und dann mittels Laser oder Elektronenstrahl geschmolzen werden. Beim Erkalten geht das Material eine feste Verbindung mit dem ursprünglichen Bauteil ein.
So wie das Auftragsschweißen wird auch das Kaltgasspritzen eher nicht als 3D Druck bezeichnet. Aber da die Grenzen zwischen den Verfahren und Bezeichnungen teilweise fließend sind, und es sich dabei auch um ein additives Verfahren handelt, hat auch das Kaltgasspritzen Aufnahme in diese Auflistung der 3D Druckverfahren gefunden. Beim Kaltgasspritzen wird ein Granulat mittels Gasstrahl auf ein Objekt geschossen. Dabei geht das Pulvergranulat eine feste Verbindung mit dem bestehenden Objekt ein, obwohl die auftretenden Temperaturen oft weit unter der Schmelztemperatur liegen.Erreicht wird dies durch die Beschleunigung der Materialteilchen auf eine mehrfache Schallgeschwindigkeit. Beim Auftreffen werden die Teilchen verformt und haften dadurch am Objekt.
Aufgrund der geringen Schichtstärken, die man mit dem Kaltgasspritzen erzeugen kann, eignet es sich besonders gut für das Aufbringen von Beschichtungen. Durch die Nutzung von Schutzgas und den niedrigen Temperaturen treten keine Oxidationseffekte auf.
Ein relativ neues Mitglied in der Familie der Freiraumverfahren für den 3D Druck ist das von der Firma Arburg entwickelte Arburg Kunststoff-Freiformen. Dabei wird ein Kunststoffgranulat aufgeschmolzen und punktförmig aufgetragen. Allerdings bewegt sich nicht der Druckkopf über die Bauplattform, sondern je nach Ausbaustufe wird über eine 3-, 4- oder 5-Achs-Geometrie das Bauteil jeweils an die Düse herangeführt. Die Schichtstärken bewegen sich dabei etwa im Bereich der FDM 3D Drucker bzw. sind die Schichtstärken noch etwas dicker.
Zwar bietet sich damit die Möglichkeit, auch an bereits bestehende Objekten Kunststoff aufzutragen, allerdings erfordert dies einen deutlich höheren Aufwand hinsichtlich der Erstellung der Druckaufträge. Und durch die vergleichsweise aufwändige Mechanik, insbesondere bei der 5-Achs-Geometrie, sind die Systeme derzeit noch teuer und wartungsintensiv.
Flüssigverfahren
Die mit dem als Flüssigverfahren oder Flüssigmaterialverfahren arbeitenden 3D Drucker haben ähnlich dem Pulververfahren eine Art Wanne, die während des Druckprozesses gefüllt wird. Dabei ist das Baumaterial in seiner ursprünglichen Form flüssig. Das bekannteste dieser Verfahren und auch das älteste ist die Stereolithografie. Materialbasis sind immer, wie auch beim PolyJet- bzw. MultiJet-Verfahren, Photopolymere.
Varianten des Flüssigverfahren als 3D-Druckverfahren
Im 3D-Druck gliedern sich die Flüssigverfahren in die folgenden Druckverfahren:
Das Wort Stereolithografie setzt sich zusammen aus den Worten Stereo, nach dem altgriechischen Wort stereos – „hart“, „fest“, „körperlich“, auch im Sinne von „räumlich“ und Lithografie, der Drucktechnik nach dem altgriechischen lithos – „Stein“ und dem altgriechischen graphein – „schreiben“. 3D Drucker, die nach dem Verfahren der Stereolithograpfe arbeiten, nutzen als Baumaterial Photopolymere, die über einen Laserstrahl ausgehärtet werden. Nach der Belichtung einer Schicht wird die Bauplattform abgesenkt, dabei taucht das bereits entstandene Modell komplett in eine mit flüssigem Photopolymer gefüllte Wanne ein und eine nächste Schicht fließt über das Bauteil. Danach wird die Bauplattform so angehoben, dass das Bauteil nur um eine Schichtstärke untergetaucht ist. Dann erfolgt der nächste Belichtungsvorgang. Dabei sind Schichtstärken von 0,05 mm bis zu 0,3 mm möglich; im sogenannten Mikrostereolithografie-Verfahren sind sogar Schichtstärken von 0,001 mm, also 1 µm, erzielbar.
Bei diesen 3D Druckern wird eine erforderliche Stützkonstruktion immer aus dem gleichen Material wie das eigentliche Bauteil gefertigt, was bei komplexen Geometrien zu Schwierigkeiten beim Entstützen führen kann. Da sich das Bauteil während des Druckprozesses im flüssigen Photopolymerbad befindet, muss es anschließend unter Vermeidung von Hautkontakt gereinigt werden. Anschließend erfolgt ein nachhärten in einer UV-Kammer.
Bei 3D Druckern, die nach dem Flächenverfahren arbeiten, wird ebenso wie im Stereolithografie-Verfahren eine Photopolymer-Lösung belichtet. Dabei erfolgt die Belichtung aber nicht punktuell über einen Laserstrahl, sondern flächig. Dazu wird eine Belichtungsmatrix auf die jeweilige Schicht projiziert um das Material an diesen Stellen auszuhärten.
Beim P3™-Verfahren (Programmable PhotoPolymerization der Origin One von Stratasys) oder DLP-Verfahren (Digital Light Processing) wird ein Punktraster auf die Photopolymerfläche von ober projiziert und die Bauplattform sinkt Schicht für Schicht in die Lösung ein. Vorteil dieses Verfahren ist, dass durch unterschiedlich starke Belichtung auch die Aushärtung variiert werden kann. Dadurch können zum Beispiel Stützkonstruktionen leichter entfernt werden, wenn diese weniger ausgehärtet sind.
Bei dem als LCM (Lithography-based Ceramic Manufacturing) bezeichneten 3D Druck wird das Photopolymerbad nicht von oben, sondern von unten belichtet. Speziell wird dieses Verfahren angewandt, um ein Gemisch aus festen Bestandteilen (Keramik) und einer Photopolymerlösung zu belichten. Der so entstehende Grünling wird nach dem 3D Druck gesintert und der Binder ausgebrannt. Vorteil dieses 3D Druckverfahrens ist die Möglichkeit, unterschiedliche Granulate einzusetzen.
Pulververfahren
Gemeinsam haben alle 3D Drucker, die mit dem Pulververfahren (auch Pulverbettverfahren genannt) arbeiten, dass das Baumaterial im Rohzustand pulverförmig vorliegt.
Im Bauraum, der aus einer Art Wanne besteht, wird im ersten Schritt jeweils eine Schicht dieses Pulvers aufgetragen und im zweiten Schritt mit Hilfe von Bindemittel oder auch durch Einwirkung von Energie (erhöhte Temperatur) gefestigt. Dabei wird das Bindemittel bzw. die Energie nur an den Stellen dem Pulverbett zugeführt, wo das Modell in der jeweiligen Schicht entstehen soll.
Danach wird die Bauplattform um eine Schichtstärke abgesenkt und die nächste Pulverschicht wird aufgetragen. Die Stützfunktion wird vom ungebundenen Pulver übernommen, wobei je nach Material und Objekt trotz des stabilisierenden Pulverbettes Stützkonstruktionen erforderlich sein können. Das überschüssige Pulver muss am Ende des Druckprozesses entfernt werden. Je nach Material und Qualitätsanforderungen kann ein Teil des Pulvers für den nächsten 3D Druck verwendet werden.
Varianten des Pulververfahren als 3D-Druckverfahren
Im 3D-Druck gliedern sich die Pulververfahren in die folgenden Druckverfahren:
Die SAF-Technologie von Stratasys verwendet ein infrarotempfindliches Fluid, um Polymerpulverpartikel in Schichten miteinander zu verschmelzen und so Teile herzustellen. Hierfür wird ein Pulver auf einem Bett verteilt und anschließend bringen piezo-elektrische Druckköpfe das Binderfluid in zuvor festgelegten Bereichen auf, um die einzelnen Schichten des Teils zu erstellen. Anschließend wird die Schicht Infrarotenergie ausgesetzt, um die Bereiche miteinander zu verschmelzen. Dieser Ablauf wird solange wiederholt, bis die Teile fertiggestellt sind.
Beim Binder Jetting, einem speziellen Pulververfahren, wird auf die jeweilige Schicht des Pulvermaterials ein Bindemittel aufgetragen. Die Druckköpfe, die dieses Bindemittel gezielt auf der Pulverschicht verteilen, arbeiten ähnlich einem gewöhnlichen Tintenstrahldruckkopf. Üblicherweise wird Gips als Baumaterial eingesetzt, es gibt allerdings bereits auch andere Materialien, wie verschiedene Kunststoffe, Keramik und Metall.
Da die Bauteile am Ende nicht sehr stabil sind, können diese in weiteren Arbeitsgängen infiltriert werden, was zu einer Erhöhung der Festigkeit führt. Über den Einsatz von farbigem Bindemittel ist es möglich, auch mehrfarbige Modelle zu drucken. Modelle aus Materialien wie Keramik oder Metall können in einem Postprozess gesintert werden. Dadurch wird das Bindemittel ausgetrieben. Dabei kommt es in der Regel zu einem unkontrollierten Schrumpfen des Objektes.
Unter Sintern versteht man generell das Erhitzen von in Form gebrachten, körnigen oder pulverförmigen Materialien, die durch den Sinter-Prozess miteinander eine feste Verbindung eingehen ohne dass das Material komplett geschmolzen wird. Beim Selective Laser Sintering, auch einfach Laser-Sintern genannt, erfolgt die Energiezufuhr über einen Laserstrahl, der quasi punktweise (selektiv) das Material erhitzt. Das Ausgangsmaterial selbst kann mit einem Bindemittel versetzt sein, welches dann durch das Erhitzen ausgeschmolzen wird oder die reinen Materialpartikel verschmelzen in den Randbereichen. Ein spezielles Laser-Sinter-Verfahren ist das Mikro Laser-Sintern, dabei werden Schichtdicken von 1 µm bis 5 µm erzeugt.
Im Gegensatz zum Selective Laser-Sintering (SLS) wird beim Selective Laser-Melting bzw. Selektivem Laserschmelzen über einen Laserstrahl deutlich mehr Energie in das Pulverbett eingebracht, so dass an den betroffenen Stellen eine echte Materialschmelze entsteht. Damit entsteht im Vergleich zum SLS-Verfahren ein homogeneres Objekt mit höherer Dichtheit. Die höhere thermische Belastung bringt allerdings auch Nachteile mit sich. So sind eventuell Stützgeometrien erforderlich und eventuell muss durch Änderung der Konstruktion für eine schnellere Wärmeableitung gesorgt werden. Entwickelt wurde diese Verfahren im Wesentlichen durch das Fraunhofer Institut für Lasertechnik in Aachen und Herr Dr. Fockele und Dr. Schwarze. Umgesetzt wurde dieses Verfahren für die kommerzielle Nutzung durch die SLM Solutions GmbH.
Beim Selective Heat-Sintering wird entweder ein Gemisch aus dem eigentlichen Baumaterial und einem Bindemittel oder aber ein von Bindemittel umhülltes Pulver bzw. Granulat selektiver Wäre ausgesetzt. Diese Wäre wird dabei im Gegensatz zum SLS-Verfahren nicht punktuell über einen Laser, sondern eher flächig erzeugt. Mit einer Art Druckkopf, der diese Wärme erzeugt, wird beim Überfahren des Druckbettes das Bindemittel geschmolzen. Derzeit gibt es dieses Verfahren nur für thermoplastische Kunststoffe und stellt damit im Bereich des Sinterns eine deutliche Einschränkung dar.
Beim Electron Beam-Melting bzw. Elektronenstrahlschmelzen wird, ähnlich wie beim Selective Laser-Melting (SLM) eine hohe Energie eingebracht, die zum Schmelzen des Baumaterials führt. Die Energiezuführung geschieht nicht über einen Hochleistungslaser, sondern über einen starken Elektronenstrahl, der mittels starken Magnetspulen passend abgelenkt und damit positioniert wird. Der Prozess des Electron Beam-Meltings muss unter Hochvakuum ablaufen. Dies begrenzt deutlich den Bauraum der Geräte, die mit dem Selektiven Elektronenstrahlschmelzen arbeiten.