Figuren im 3D-Drucker, Bild: Patrick Daxenbichler - stock.adobe.com

Vorbei sind die Zeiten, in denen es eine Limitierung auf wenige Farben und Werkstoffe im 3D-Druck gab. In der additiven Fertigung geht es farbenfroh zu und die Werkstoffvielfalt wächst. Bild: Patrick Daxenbichler - stock.adobe.com

Die Vielfalt der Werkstoffe, die Unternehmen für die verschiedenen 3D-Druckverfahren anbieten, kann sich sehen lassen. Vorbei sind die Zeiten, in denen lediglich Kunststoff gedruckt worden konnte – und die eintönige Einfarbigkeit haben die Materialien auch hinter sich gelassen. Wenn man sich die Farb- und Materialvielfalt jedoch anschaut, sollte man sich darüber im Klaren sein, dass es sich hier um eine sehr junge Fertigungstechnologie handelt: Gerade einmal etwas mehr als drei Jahrzehnte ist der 3D-Druck alt. Konventionelle Fertigungsverfahren haben eine viel längere Tradition – und damit auch die in ihr verwendeten Werkstoffe. Die Anzahl der Materialien für den 3D-Druck sollte also noch einen enormen Zuwachs vor sich haben.

Kleine Werkstoffkunde

Was bietet welches Material?

Protolabs hat eine Liste der gängigen kunststoff- und metallbasierten Werkstoffe für den 3D-Druck inklusive ihrer grundlegenden Eigenschaften zusammengestellt:

  • ABS (vergleichbar): Genauigkeit, Langlebigkeit, Stoßbeständigkeit
  • Aluminium: Korrosionsbeständigkeit, hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, Temperaturbeständigkeit
  • Edelstahl: Korrosions- und Rissbeständigkeit
  • PA (Polyamid): Starrheit, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit
  • PC (vergleichbar): Genauigkeit, Steifigkeit
  • PP (vergleichbar): Genauigkeit, Langlebigkeit, Flexibilität
  • Titan: Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Gewichtsreduktion
  • Warmarbeitsstahl: Gute Mechanische Eigenschaften, härtbar

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UPDATE Hannover Messe 2019: Neues superweiches Kunstharz besser als Silikon?

Elastic Resin heißt ein neues superweiches Kunstharz von Formlabs für die additive Fertigung. Nach eigenen Aussagen des amerikanischen 3D-Druck-Experten nimmt es das Elastomer qualitativ und preislich sogar mit Silikon auf. Besonders für den Druck von Werkstücken im Stereolithografie-Verfahren (SLA) kann die Entwicklung weicher Kunstharze eine Herausforderung darstellen. Die Teile müssen äußerst elastisch und gleichzeitig fest genug sein, damit sie beim Drucken nicht reißen – zwei Eigenschaften, die sich für gewöhnlich ausschließen. Elastic Resin bietet eine große Dehnung und eine hohe Energierückgabe. Teile, die mit diesem Material gedruckt wurden, ähneln in Aussehen und Eigenschaften einem Teil aus geformtem Silikon und sind robust genug, um mehreren Lastwechseln standzuhalten.

Druckverfahren, Bild: Pixabay
Unabhängig von Druckverfahren und Material bleibt eine Herausforderung für Konstrukteure, die Bauteile für die additive Fertigung entwerfen, immer bestehen: Da in jedem Verfahren schichtweise aufgebaut wird, ist die Z-Richtung immer die am wenigsten belastbarste. Bild: Pixabay

Noch können nicht alle Werkstoffe, die man aus dem normalen Maschinenbaualltag kennt, fit für den 3D-Druck gemacht werden. Der Kunststoffexperte Igus hat sich jedoch das Ziel gesetzt, alle seine existierenden Iglidur Gleitlagermaterialien auch im 3D-Druck verarbeitbar zu machen. Noch gibt es hier jedoch Beschränkungen. Tom Krause, Leiter Geschäftsbereich Additive Fertigung, bei Igus erklärt: „Aufgrund der besonderen Anforderungen an den 3D-Druck ist die Auswahl an Grundzutaten gegenüber anderen Verfahren begrenzt.“

Redet man beispielsweise über Filamente für den FDM-Druck, muss unter anderem die Größe der Additive beachtet werden, die klein genug sein müssen, um noch durch die Düse zu passen. Für den SLS-Druck wiederum muss darauf geachtet werden, dass der Werkstoff die geeignete Fließfähigkeit des Pulvers erreicht. Im Falle von Igus möchte man vor allem eine hohe Verschleißfestigkeit erreichen, da die Produkte, die das Unternehmen anbietet, in bewegten Anwendungen verwendet werden sollen – bis hin zu Lagern für den Heavy-Duty-Einsatz in der Landmaschine. Daher setzt das Unternehmen auf thermoplastische Kunststoffe, die es mit Festschmierstoffen oder anderen Additiven veredelt. Möchte man ein extrem verschleißfestes Material für den Filamentdruck, bietet das Unternehmen etwa die beiden Produkte Iglidur J260-PF und C210-PF an, die auf diese Anforderung optimiert sind.

Noch sind die 3D-Druckmaterialien in der Unterzahl gegenüber denen für den Spritzguss. Aber die Entwicklungen werden vorangetrieben. „Wir arbeiten kontinuierlich an neuen Hochleistungskunststoffen für bewegte Anwendungen“, so Tom Krause. Als besonders interessant für die additive Fertigung sieht er Materialien mit Lebensmittelkonformität genauso wie Hochtemperaturmaterialien an.

Wenn‘s mal etwas heißer werden sollte

Hochtemperaturfähige Thermoplaste für den 3D-Druck sind auch bei Stratasys ein Thema. „Ultem 1010-Harz bietet die höchste Temperaturbeständigkeit, chemische Beständigkeit und Zugfestigkeit aller thermoplastischen FDM-Kunststoffe“, so die Unternehmensangaben. Die Vicat-Erweichungstemperatur des Materials liegt bei 214 °C, womit es sich laut Stratasys für das Drucken chirurgischer Schablonen eignet, die der Dampfsterilisation standhalten können. Sogar Außenbauteile für die Luft- und Raumfahrt und Bauteile für Automotoren sind kein Problem für das Material. Im Vergleich zu einem Standard-ABS: Hier liegt die Vicat-Erweichungstemperatur bei gerade einmal um die 100°C.

Auf dem Gebiet des Drucks mit Endlosfasern ist Markforged einer der Vorreiter. Der Mark Two Industrie 3D-Drucker wurde mit dem Ziel entwickelt, Teile mit der Stabilität von Metall zu drucken. Er kann Carbon, Kevlar und Glasfaser als Endlosfasern drucken. Durch das Continuous-Filament-Fabrication-Verfahren (CFF) zusammen mit dem Fused-Filament-Fabrication-Verfahren (FFF) fertigt der Drucker Funktionsteile indem Nylon/PA6 mit Endlosfasern kombiniert wird. Im Ergebnis sollen die auf diese Art und Weise gefertigten Bauteile bis zu 27 mal steifer und 24 mal stabiler als ABS sein und die Festigkeitseinschränkungen, die bei vielen 3D-Druckmaterialien bestehen, können umgangen werden.

Meilensteine des 3D-Drucks (Teil 1)

  • Zugegeben noch sehr wage ging es schon in den 60er und 70er Jahren des 20. Jahrhunderts los mit Gedankenspielen: Der britische Physiker und Science Fiction-Autor Arthur C. Clarke hatte die erste Idee für einen 3D-Drucker und im Comic „Tim und Struppi und der Haifischsee“ erfindet Professor Bienlein eine 3D-Fotokopiermaschine.
  • Geboren wurde der 3D-Druck aber in den 1980er-Jahren. Als Erfinder des 3D-Drucks gilt der US-Amerikaner Charles Hull, der 1984 sein erstes Patent für das Fertigungsverfahren Stereolithografie anmeldete, das ihm 1986 schließlich auch bewilligt wurde. 1986 gründete Hull das Unternehmen 3D-Systems und brachte ein Jahr später den ersten kommerziellen 3D-Drucker SLA-1 auf den Markt. 3D-Systems ist bis heute einer der weltweiten Branchenführer der Technologie.
  • 1988 meldete der Amerikaner Carl Deckard ein Patent für das Selektive Lasersintern an – ein Verfahren, bei dem ein Kunststoffpulver mit einem Laser verschmolzen wird. Hierbei können Bauteile von fast beliebiger Komplexität gefertigt werden. 1989 erfindet S. Scott Crump durch das Mischen von Wachs und Kunststoff in der Küche seiner Familie das Verfahren FDM – das Fused Deposition Modeling. Ein Raster von Punkten wird auf eine Fläche aufgetragen. Erzeugt werden die Punkte durch die Verflüssigung eines Kunststofffadens. Schicht für Schicht entsteht so die gewünschte Form. Dieses Verfahren und seine Patentierung führte zur Gründung des Unternehmens Stratasys, das heute in der gleichen Liga wie 3D-Systems spielt und seit 1991 FDM-Drucker verkauft.
  • Schon bald darauf schloss sich das Startup DTM mit dem Luft- und Raumfahrt-Unternehmen Goodrich zusammen, mit dessen finanzieller Unterstützung 1992 die ersten kommerziellen Lasersinter-Anlagen Mod A und Mod B hergestellt werden konnten.
  • Ende der 90er Jahre war es schließlich möglich, nicht nur Kunststoffe, sondern auch Metall zu verarbeiten.

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Aus dem Drucker kann alles kommen

Mit einer steigenden Werkstoffvielfalt werden auch die Ideen dazu beflügelt, welche Dinge in additiven Fertigungsverfahren hergestellt werden können. Prof. Dr. Norbert Babel ist Dozent an der Fakultät für Maschinenbau der Hochschule Landshut. Hier setzt er sich unter anderem als Anwender der 3D-Drucktechnik, die an einem modernen Maschinenbau-Lehrstuhl nicht mehr fehlen darf, unter anderem mit Materialeigenschaften von Werkstoffen für die additive Fertigung auseinander. Zu den interessantesten Entwicklungen zählen für ihn das 3D-Printing von funktionalisierten Textilien für den Sicherheits- oder Sportbereich. Oder auch die Möglichkeit, Oberflächenkonfektionierungen gleich mitzudrucken, etwa Gecko- oder Lotuseffekte. Aber auch das Drucken von Glas ist bereits im Kommen und die Nasa lotet schon Möglichkeiten aus, Behausungen für Astronauten auf dem Mars mittels 3D-Druck erstellen zu können.

Einer der ausgefalleneren Einsatzbereiche für die additive Fertigung ist mit Sicherheit das Bioprinting: Haut, Knochen oder Organe sollen aus dem Drucker kommen. Lebendes Gewebe setzt sich aus verschiedensten Zelltypen zusammen, die in einer spezifischen Reihenfolge angeordnet sind. Um das mit einem 3D-Drucker reproduzieren zu können, haben Forscher des Wake Forest Institute for Regenerative Medicine in den USA fast ein Jahrzehnt an der Entwicklung eines entsprechenden Druckers gearbeitet. Als Druckmaterial dienen: Zellen.

Mittlerweile wurden damit bereits Ohr-, Knochen- und Muskelstrukturen gedruckt, die erfolgreich an Tieren implantiert worden sind. Sie haben sich so gut in das echte Gewebe integriert, dass sich in den gedruckten Strukturen Blutgefäße entwickelt haben. Diese Drucktechnik soll über kurz oder lang auch auf menschliche Patienten übertragbar sein.

Einer der treibenden Gedanken der 3D-Druck-Welt ist sicher die Vision des „Wir werden einmal alles drucken können“. Ein wichtiger Punkt, der uns dieser Vision näher bringen kann: eine steigende Werkstoffvielfalt.

Formnext 2018: German RepRap mit neuem 3D-Druck-Verfahren!

German RepRap hat auf der Formnext 2018 ein neues 3D-Druck-Verfahren vorgestellt! ke-NEXT-Chefredakteur Wolfgang Kräußlich hat sich genau das näher angeschaut.

ke NEXT im Gespräch mit Prof. Norbert Babel

Prof. Dr. Norbert Babel
Prof. Dr. Norbert Babel arbeitet an der Fakultät für Maschinenbau der Hochschule Landshut unter anderem mit verschiedenen 3D-Druckern. Für ihn gilt: Heutige Ingenieursstudenten müssen lernen, 3D-druckgerecht zu konstruieren.

Zunächst: Mit welchen 3D-Druckern arbeiten Sie?

Wir haben in unseren Laboren mehrere Drucker, die nach dem Fused-Deposition-Modeling-Verfahren, kurz FDM, arbeiten und einen Multijet-Drucker. Vor Kurzem erst haben wir einen Großraumdrucker in Betrieb genommen, mit einem Bauraum von 700 mal 700 mal 1.820 Millimeter; auch dieser arbeitet auf FDM-Basis. Als drittes additives Fertigungsverfahren haben wir von einer Schweizer Firma einen Pulverdrucker für das Lasersintern. Wenn wir einen neuen Drucker in Betrieb nehmen, lasse ich eine Bachelor- oder Masterarbeit anfertigen, in deren Rahmen unter anderem die Druckgenauigkeit und die Festigkeitseigenschaften der Werkstoffe ermittelt werden, die in den verschiedenen Druckrichtungen erreicht werden. Diese Daten vergleichen wir anschließend mit den Herstellerangaben.

Da haben Sie direkt ein interessantes Thema angesprochen: Festigkeitseigenschaften. Wie sieht es da im 3D-Druck in den verschiedenen Achsen aus?

Additiv gefertigte Teile haben isotrope Eigenschaften. Das bedeutet, dass die Festigkeitseigenschaften der Bauteile richtungsabhängig sind, beziehungsweise von der Druckrichtung abhängen. Eigentlich liegt eine Art transversale Isotropie vor, das heißt, dass das Spannungs-/Verformungsverhalten und damit auch die Festigkeitswerte des Materials in Aufbaurichtung, also in Z-Richtung anders sind als in X- und Y-Richtung. In X-/Y-Richtung haben wir die maximalen Werkstoffkennwerte. Da jedoch bei der additiven Fertigung – unabhängig vom Verfahren, ob Pulverdruck, Multijet- oder FDM-Verfahren – schichtweise aufgebaut wird, ist die Werkstofffestigkeit in Z-Richtung grundsätzlich niedriger. Für das FDM-Verfahren haben wir festgestellt, dass in Aufbau-, sprich in Z-Richtung, maximal 80 Prozent der Werkstofffestigkeit im Vergleich zur X-/Y-Richtung erreicht werden. In der Literatur werden Werte zwischen 80 und 85 Prozent angegeben, was sich ganz gut mit den Werten unserer Versuche deckt. Beim Pulverdruck oder beim Multijet-Verfahren werden die Werte ein wenig abweichen, aber gehen auch in diese Richtung.

Wird man hier die 100 Prozent erreichen oder genügen diese 80 bis 85 Prozent den industriellen Anwendern?

Die für das Produkt benötigte Festigkeit ist letztendlich von der Funktion und den, beim Einsatz auftretenden Belastungen abhängig. Und hier ist es eben wichtig, darauf zu achten, wie das Bauteil im Bauraum des Druckers ausgerichtet wird. Das benötigt einiges an Know-how, denn es ist nicht das Wichtigste nur darauf zu achten, in welcher Lage ich am wenigsten Stützmaterial benötige, sondern die Richtung zu erkennen, in der im späteren Gebrauch die größten Belastungen auftreten. Und so gibt es noch viele weitere Faktoren, die beim 3D-Druck bereits in der Fertigung und Konstruktion zu beachten sind, damit das Bauteil im Einsatz die Erwartungen erfüllt. Ein meines Erachtens sinnvoller Ansatz ist es daher, den minimalen Werkstoffkennwert zugrunde zu legen, da ich dann auch nicht mehr durch die Druckrichtung eingeschränkt bin.

Oftmals sind Konstruktionen überdimensioniert. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Schrauben. Ausgehend von den Festigkeitsanforderungen könnten zum Beispiel zwei Bauteile mit einer M4-Schraube verbunden werden, aber da die Bauteile eine gewisse Größe haben, wird eine M6-Schraube verwendet, da sonst die Größenverhältnisse nicht mehr stimmen. Und so denke ich, ist es in der additiven Fertigung auch eine Frage: Inwieweit kann ich meine Bauteile überdimensionieren, um die richtungsabhängige Festigkeit bei der Ausrichtung im Druckerbauraum weniger beachten zu müssen?

Meilensteine des 3D-Drucks (Teil 2)

(...)

  • im Jahr 2004 wurde der Replicating Rapid-Prototyper entwickelt. Der 3D-Drucker war fähig, große Teile für einen weiteren 3D-Drucker herzustellen. Dieses Open-Source-Projekt führte zur Verbreitung der 3D-Drucker für den Arbeitsplatz.
  • 2005: Das Unternehmen Z Corp. bringt Spectrum Z510 auf den Markt, den ersten hochauflösenden 3D-Farbdrucker.
  • Mit dem Auslaufen des Patentschutzes für das FDM-Verfahren 2009 wurde eine neue Innovationswelle ausgelöst. Die Preise von 3D-Druckern für den Arbeitsplatz sanken, die 3D-Technik wurde für viele zugänglich. Die Firma MakerBot war eine der ersten Firmen, die diesen Trend nach kleinen, günstigen Geräten bediente; für einige Hundert USD gab es den FDM Drucker für Zuhause oder die Werkstatt in der kleinen Firma.
  • 2010 wurde der erste 3D-gedruckte Automobil-Prototyp hergestellt, das Gehäuse kam komplett aus einem riesigen 3D-Drucker.
  • 2011 entstand der erste 3D-Lebensmittel-Drucker.
  • 2012 wurde die erste Kieferprothese in 3D gedruckt und transplantiert.
  • 2016 folgten die ersten Knochen in 3D.
  • 2019: Ein Miniherz kommt aus dem 3D-Drucker.
  • ...Die Zukunft...: Wann kommt der 3D-Druck in die Serienfertigung?

Wie steht es um das Thema Langlebigkeit bei den Werkstoffen für den 3D-Druck?

Man muss sich bewusst sein, dass das Material speziell beim FDM-Druck während der Herstellung mehrfach umgeschmolzen wird. Zuerst wird ein Granulat hergestellt, das eventuell für die Einfärbung und für die Beimischung von Zusatzstoffen, wie Holzmehl oder Metallpulver, zur Erreichung eines entsprechenden Design- oder Haptikeffektes erneut eingeschmolzen wird. Letztendlich wird es vielleicht noch einmal umgeschmolzen, um eine Strangform zu bekommen, die dann in einer 3D-Druckmaschine Verwendung findet.

Wenn ich wirklich qualitativ hochwertige Teile fertigen möchte, muss auch ein hochwertiges Grundmaterial verwendet werden und hier ist es wichtig, dass die Lieferanten eine hochwertige Filamentqualität liefern, um dann beim additiven Fertigungsprozess keine Fehldrucke zu bekommen. Wenn man sich vorstellt, dass der Druck eines Bauteils ein bis zwei Tage dauern kann und es reißt hier zwischendrin das Filament, hätte man vielleicht auch ein hochwertigeres aber dafür teureres Filament verwenden können. Am besten ist es, wenn man sein Material von einem entsprechend zertifizierten Hersteller bezieht, der insbesondere enge Toleranzen des Filamentquerschnittes und konstante Produktqualität gewährleistet.

Wie steht es bei den Werkstoffen um die Weiterentwicklung?

Laufend werden neue Materialien für den 3D-Druck entwickelt. Ich denke, hier ist die Wissenschaft recht gut dabei. Wie überall, gibt es auch im 3D-Druck Werkstoffe, die sich gut verarbeiten lassen, und andere, bei denen mehr Sorgfalt und Aufwand betrieben werden muss. Polyamid lässt sich beispielsweise sehr gut verarbeiten. Werkstoffe wie Nylon oder PET hingegen erfordern mehr Sorgfalt in Bezug auf die Konstanz der Verarbeitungsparameter. Man darf eines nicht vergessen: Den 3D-Druck gibt es erst seit Mitte der 80er-Jahre, das sind gute 30 Jahre. Andere Fertigungsverfahren sind schon seit mehr als 2000 Jahren bekannt und immer weiterentwickelt worden. Genauso ist es mit dem Werkstoff Kunststoff, der erst seit circa 100 Jahren verwendet wird. In Sachen Entwicklung und Erfahrung ist das ein großer Unterschied, wobei ich denke, dass wir mit den für die additive Fertigung zur Verfügung stehenden Verfahren und Werkstoffen bereits gute Ergebnisse in Bezug auf die Qualität und die Toleranzen im Vergleich zu den konventionellen Fertigungsverfahren erzielen. jl

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