3D-Druckverfahren

Unter „Sintern“ versteht man ein Rapid Prototyping Verfahren, bei dem 3D-Modelle mithilfe eines Laserstrahls erstellt werden.

Der Werkstoff liegt in Pulverform vor. Daraus wird zunächst eine dünne Lage auf die Bauplattform aufgetragen. In der weiteren Folge verschmilzt der Laser das Pulver an den vorgesehenen Stellen. So wird das Teil Schicht für Schicht fertiggestellt. Die einzelnen Schichten verschmelzen, bis das fertige Bauteil mit der letzten Schicht abgeschlossen ist.

Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden also räumliche Strukturen aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff hergestellt. Zum Einsatz kommen verschiedene kunststoffähnliche Materialien wie Nylon, Elastomere, Alumide oder Polyamide.

Das Verfahren eignet sich für Bauteile, die eine hohe Detailgenauigkeit erfordern und eine hohe spezifische Dichte aufweisen müssen. Beim selektiven Lasersintern können allerdings nur einfarbige Bauteile produziert werden.

Bei der Stereolithografie (SLA), einem weiteren Rapid Prototyping Verfahren, liegt das Werkstück in einem Flüssigbad aus Photopolymer. Nach und nach wird es tiefer hineingesenkt, und der Laser sorgt Schritt für Schritt für die gewünschte Form.

Das Stereolithografie- oder SLA-Verfahren wird schon seit Anfang der 1980er Jahre eingesetzt. Deshalb liegt dazu auch der größte Erfahrungsschatz vor. Der Erfinder Chuck Hull gründete später 3D Systems, einen der weltgrößten Hersteller von 3D-Druck-Anlagen.

Das Stereolithografie-Verfahren liefert äußerst präzise Ergebnisse mit Schichtstärken von 0,016 mm. So werden sehr filigrane Strukturen und glatte Oberflächen möglich. Diese Vorteile haben natürlich auch ihren Preis, sowohl finanziell als auch in zeitlicher Hinsicht.

Durch das Schichtverfahren können im Druckprozess Materialien unterschiedlicher ästhetischer, haptischer und physikalischer Eigenschaften verarbeitet werden. Das Material wird aus Düsen oder Druckköpfen aufgebracht und durch UV-Licht gehärtet. So entstehen formstabile Bauteile ohne Klebestellen.

Beim Polyjetverfahren stehen viele Materialen zur Auswahl, z.B. transparente, gummiartige oder ABS-ähnliche Werkstoffe. Für ein Bauteil können sogar verschiedene Materialien verwenden werden, wenn der Drucker über mehrere Druckköpfe verfügt.

Nach der Fertigung können die Bauteile geschliffen, geschnitten und lackiert werden.

Das Polygrafie-Verfahren liefert Bauteile mit einem hohen Detailgrad, was sich allerdings auch im Preis niederschlägt. Es eignet sich besonders für die Medizin- und Elektrotechnik sowie folgende Aufgaben:

Funktionale Prototypen / Prototypenbau

Funktionale Erstmuster mit Materialmix (Design, Modellbau etc.)

Robuste & präzise Guss- bzw. Formvorlage

Modelle mit komplexen/filigranen Geometrien

Modelle mit dünnen Wandstärke von nur 0,5mm aus gummiartigen

Material verschiedenster Härten sowie transparenten und wasserdichten Werkstoffe

Beim Fused Deposition Modeling (FDM) handelt es sich um ein weiteres Rapid Prototyping Verfahren, das auch unter dem Namen Schmelzschichtungsverfahren bekannt ist. Das 3D-Objekt wird schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff hergestellt, der in Rollen vorliegt und über Düsen an die passenden Stellen kommt. Wir arbeiten mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Dieser Kunststoff eignet sich besonders für Einsatzobjekte mit hoher Beanspruchung.

Auch wenn der 3D-Druck per FDM eine Stützstruktur erfordert, die später wieder entfernt werden muss, geht das Verfahren schnell und ist kostengünstig. Viele verschiedene Materialien stehen zur Auswahl. Die Bauteile sind allerdings nicht sehr detailliert.

Beim SLM-Verfahren, dem Selektiven Laserschmelzen, handelt es sich um ein Rapid Prototyping Verfahren, das überwiegend für die Fertigung von Metall verwendet wird. Es wird auch oft als Additive Manufacturing bezeichnet.

Der Aufbau der Bauteile erfolgt schichtweise. Das Material wird durch den Laserstrahl lokal über seinen Schmelzpunkt erwärmt. Die Temperatur des gesamte Bauraums liegt knapp unter der Schmelztemperatur des Materials. Damit die Metalle nicht oxidieren, wird der Arbeitsraum meist mit einem Schutzgas gefüllt.

Das SLM-Verfahren eignet sich für Bauteile aus Aluminium, Edelstahl, Werkzeugstahl, hochtemperaturbeständigem Stahl und Titan. Es entstehen extrem detailgenaue Bauteile, die Gussteilen hinsichtlich der Belastbarkeit um nichts nachstehen, da sie keine Poren und Risse aufweisen.

Das Verfahren ist allerdings sehr energieintensiv und erfordert auch eine thermische Nachbehandlung.

Beim 3D-Printing wird ein gipsartiges Pulver in dünnen Schichten aufgetragen. Ein Binder sorgt dafür, dass die benachbarten Schichten aneinander haften bleiben. Einige hundert oder gar tausend Schichten sind erforderlich, bis das gewünschte 3D Modell fertiggestellt ist. Bevor es verwendet werden kann, muss es noch mit einem speziellen Füllstoff behandelt werden, der für die mechanischen Eigenschaften sorgt.

Das 3D-Printing ist kostengünstig und liefert schnell das gewünschte Bauteil. Die Auswahl an Materialien ist groß, und hier sind auch mehrfarbige Bauteile möglich. Allerdings dürfen die Ansprüche an die Festigkeit nicht zu groß sein.