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Freiraumverfahren für 3D Drucker

Im Gegensatz zum Pulververfahren wird beim Freiraumverfahren nicht der komplette Bauraum Schicht für Schicht gefüllt, sondern das gedruckte 3D Modell entsteht schichtweise, indem nur an den Stellen Material aufgebracht wird, 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 Consumer-Markt 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 gliedert sich das Freiraumverfahren in die folgenden Druckverfahren

  • Fused Deposition Modeling (FDM)
  • Contour Crafting (CC)
  • Wax Deposition Modeling (WDM)
  • PolyJet oder MultiJet Modeling (MJM)
  • Laminated Object Modeling (LOM)
  • Cladding (Auftragsschweißen))
  • Cladding (Kaltgasspritzen)

 

Fused Deposition Modeling (FDM oder Fused Filament Fabrication FFF)

Das als Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung, FDM) bezeichnet 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 Crumb, 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.

Contour Crafting (CC)

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.

Wax Deposition Modeling (WDM)

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.

Kunststoff-Freiformen (AKF)

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.

PolyJet oder MultiJet Modeling (MJM)

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. Die Connex-Linie von Stratasys ist derzeit das einzige System, was dazu in der Lage ist.

Laminated Object Modeling (LOM)

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.

Cladding (Auftragsschweißen)

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.

Cladding (Kaltgasspritzen)

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.

 
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