Metallsinteranlage von Proto Labs Ltd.

Mit präzisen Metallsinteranlagen können Teile aus Metallen wie z.B. Edelstahl, Kobalt-Chrom, Aluminium in Produktionsqualität gebaut werden. Bild: Proto Labs Ltd.

Die additive Fertigung oder der 3D-Druck, wie sie häufig genannt wird, ist ein Verfahren, das digitale CAD-Modelle zum Bau von physischen, oft geschichteten realen Objekten verwendet. Die Eignung des Verfahrens hängt von der späteren Verwendung des Teils ab.

Allen additiven Verfahren ist die Unmöglichkeit der Massenproduktion mit Stückzahlen von tausenden und hunderttausenden Teilen gemein. Ist die Skalierbarkeit ein Bereich, den sich die additiven Verfahren schon bald erschließen könnten? Terry Wohlers vom unabhängigen Beratungsunternehmen Wohlers Associates, Inc. zufolge, beginnen die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrtindustrie mit dem 3D-Druck von Teilen in höheren Stückzahlen, ebenso wie Firmen in der Dental- und Schmuckindustrie. Für eine richtungsweisende Veränderung ist wahrscheinlich jedoch mehr nötig. Wohlers zufolge sind additive Kunststoffmaterialien derzeit in der Regel 50 bis 100 Mal teurer als solche, die in der traditionellen Fertigung zum Einsatz kommen. Daher eignen sich momentan eher kleine Mengen für die additive Fertigung.

Jedoch: Wenn der Gerätedurchsatz steigt und die Geräte- und Materialkosten sinken, wird auch das Potenzial für größere Produktionsmengen steigen. Bis dahin bleiben Verfahren wie das Spritzgießen, die mit Vorabinvestitionen in Werkzeuge, jedoch auch mit niedrigeren Stückpreisen bei größeren Mengen einhergehen, der logische nächste Schritt nach der Prototypenherstellung.

3D-Druck im Maschinenbau auf dem Vormarsch

Nicht nur, um Prototypen zu erstellen, sondern als ernst zu nehmende ergänzende Fertigungstechnologie kristallisiert sich derweil der 3D-Druck auch für den Maschinenbau heraus. Laut einer aktuellen Umfrage der VDMA-Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing spielen bereits in fast der Hälfte der Maschinenbau-Unternehmen 3D-Druck-Bauteile oder generell die additive Fertigung eine Rolle. „Zwar handelt es sich dabei in vielen Fällen noch um relativ kleine Investitionen, einige Firmen kommen aber bereits auf eingesetzte Bauteilvolumen im sechsstelligen Euro-Bereich“, erläutert Rainer Gebhardt, Leiter der Arbeitsgemeinschaft.

Auffällig sei dabei, dass sowohl Kunststoff-, als auch Metallfertigung rasch an Bedeutung gewinnen. Die Hälfte der befragten Maschinenbauer setzen ausschließlich Kunststoff-3D-Druck ein, ein Viertel beschäftigt sich nur mit Metallfertigung. Alle anderen befragten Unternehmen verwenden beide Rohstoffe. Noch hat aber auch im Maschinenbau das Prototyping die größte Bedeutung, 50 Prozent der Firmen nennen es als Einsatzzweck von 3D-Druck. „Die andere Hälfte der Unternehmen hat aber bereits Anwendungen in den Bereichen Serie, Werkzeug oder Ersatzteile“, sagt Gebhardt.

Druckverfahren: Die richtige Auswahl treffen

Hochgeschwindigkeits-Stereolithographie-Anlagen - Bild: Protolabs
Hochgeschwindigkeits-Stereolithographie-Anlagen ermöglichen die Herstellung von Teilen mit hervorragenden Oberflächenqualitäten, welche die Eigenschaften von Kunststoffen wie ABS, Polycarbonat und Polypropylen besitzen. Bild: Protolabs

 

Die Herausforderung in der Auswahl des richtigen additiven Prototyping-Verfahrens besteht darin, die besten Prototyping-Methoden für ein Projekt, sowie für jede Phase des Projekts zu finden. Zu den Variablen bei den Prototyping-Methoden zählen Geschwindigkeit, Kosten, Erscheinungsbild, unterstützte Werkstoffe und eine Reihe physikalischer Eigenschaften. In einigen Fällen wird lediglich ein Anschauungsobjekt benötigt, in anderen Fällen muss das Teil an andere Komponenten angepasst sein. Der Übersicht halber, haben wir für Sie eine Druckverfahrens-Übersicht mit den wichtigsten Kriterien für Ihre Auswahl zusammengestellt:

Übersicht der wichtigsten Druckverfahren

1 Druck per Binder Jetting (BJET)

Abbildung Binder Jetting Bauteil - Bild: Protolabs

Binder Jetting ist eines der einfachsten und grundlegendsten additiven Druckverfahren für das Prototyping. Ein Tintenstrahl-Druckkopf bewegt sich über ein Pulverbett und trägt dabei selektiv ein flüssigkeitsbindendes Material auf. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis das komplette Teil geformt wurde. Nach Abschluss wird das ungebundene Material entfernt, zurück bleibt das fertige Objekt.

2 Druck per Fused Deposition Modeling (FDM)

Abbildung Fused Deposition Modeling Bauteil - Bild: Protolabs

Beim Druckverfahren Fused Deposition Modeling (FDM), wird thermoplastischer Kunststoff (ABS, Polycarbonat oder eine ABS/Polycarbonat-Mischung) geschmolzen und anschließend in Schichten zu einem fertigen Prototypen erhärtet. Da beim FDM-Verfahren als Material echte thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen, bietet es eine höhere Festigkeit als das Binder-Jetting-Verfahren und kann in begrenztem Umfang für Funktionsprüfungen verwendet werden.

3 Druck per Stereolithographie (SL oder SLA)

Abbildung Stereolithographie Bauteil - Bild: Protolabs

Das Stereolithographie-Verfahren (SL oder SLA) verwendet einen computergesteuerten Laser zum Bau von Teilen in einem Bad mit UV-härtendem Kunststoff. Beim Aufbau der einzelnen Schichten mit dem Laser wird das Bad mit dem flüssigen Kunststoff nach jeder Schicht abgesenkt, sodass die nächste Schicht ausgehärtet werden kann. Die Qualität des fertigen Teils hängt weitgehend von der Qualität der verwendeten Ausrüstung und des eingesetzten Verfahrens ab.

4 Druck per Selektivem Lasersintern (SLS)

Abbildung Selektives Lasersintern Bauteil - Bild: Protolabs

Das selektive Lasersintern (SLS) verwendet einen computergesteuerten CO2 -Laser zum Aufschmelzen von pulverförmigem Material, wie Nylon, von unten nach oben. Die Festigkeit ist besser als bei der SL, fällt jedoch geringer aus als bei subtraktiven Verfahren, wie Spritzgießen oder CNC-Bearbeitung. Außerdem hat es einen gewissen Nutzen als Produktionsverfahren.

5 PolyJet-Druck (PJET)

Abbildung PolyJet Bauteil - Bild: Protolabs

Beim PolyJet-Verfahren (PJET) werden mit einem Druckkopf Schichten von photopolymerem Kunststoff aufgesprüht, die nacheinander mit einem UV-Licht ausgehärtet werden. Die Schichten sind sehr dünn und ermöglichen so eine hohe Auflösung. Das Material wird von einer Gelmatrix unterstützt, die nach Fertigstellung des Teils entfernt wird.

6 Druck per Digital Light Processing (DLP)

Abbildung Digital Light Processing Bauteil - Bild: Protolabs

Bei der auf Digital Light Processing (DLP-Verfahren) basierenden additive Fertigung wird ein Körper digital in Schichten zerlegt, die ein DLP-Chip von Texas Instruments nacheinander auf die Oberfläche eines flüssigen Photopolymerbades projiziert. Das projizierte Licht härtet eine Schicht aus flüssigem Photopolymer aus (Material), die auf einer beweglichen Bauplattform ruht. Die Bauplattform bewegt sich in kleinen Schritten nach unten, während neue Bilder auf die Flüssigkeit projiziert werden. Dabei werden die Schichten nach und nach ausgehärtet, wodurch schließlich das fertige Objekt entsteht. Das übrige flüssige Photopolymer wird anschließend aus der Wanne gespült, zurück bleibt das Volumenmodell. Das Verfahren kann sich bei der Herstellung kleiner Mengen an kleinen, detailreichen Teilen als nützlich erweisen, ist jedoch bei größeren Teilen, insbesondere solchen, die glatte Oberflächen benötigen, weniger geeignet.

7 Druck per direktem Metall-Lasersintern (DMLS)

Abbildung Direktes Metall-Lasersintern Bauteil - Bild: Protolabs

Das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) ist das führende additive Verfahren zur Herstellung von Prototypen aus Metall. Es ähnelt dem selektiven Lasersintern mit Kunststoff, eignet sich jedoch für den Einsatz mit Metallen, wie Aluminium, Edelstahl, Titan, Kobalt-Chrom und Inconel. Es bietet gute Präzision und Detailtreue sowie hervorragende mechanische Eigenschaften. DMLS kann für sehr kleine Teile und Merkmale verwendet werden. Da es ein additives Verfahren ist, kann es Geometrien wie umschlossene Räume reproduzieren, die unmöglich zu fräsen wären. Die Schichten können bis zu 20 Mikrometer dünn, die Toleranzen bei kleinen Merkmalen bis zu ±0,05 mm klein sein. Bei mittels DMLS hergestellten Teilen sind Nachbearbeitungen wie maschinelles Bohren, Schlitzen, Fräsen und Reiben, sowie Veredelungsverfahren wie Anodisieren, Elektropolieren, manuelles Polieren und Pulverbeschichten bzw. Lackieren möglich.

8 Druck mit HP Multi Jet Fusion

Wie beim Lasersintern, wird bei diesem Verfahren, das zwischen 2013 und 2016 von HP entwickelt wurde, mit PA 12 (Polyamid 12) gedruckt. Das HP Jet Fusion Verfahren ist allerdings nicht nur ein neuer Weg PA 12 zu drucken, es ist eine Technologie, welche den gesamten 3D-Druck Markt revolutionieren kann. Im Vergleich mit dem Lasersinterverfahren kann man mittels Jet Fusion festere Bauteile herstellen. Weiterhin werden eine höhere Genauigkeit, eine höhere Auflösung und ein deutlich schnellerer Druck möglich. In den meisten Fällen sind die Kosten entweder gleich hoch oder sogar niedriger als beim selektiven Lasersintern. Durch Jet Fusion gedruckte Bauteile sind zu annährend 100 Prozent dicht und können für Funktions- und fertige Bauteile verwendet werden. Dank der hohen Effizienz und der besonderen Materialeigenschaften, erhöht Jet Fusion die Möglichkeiten von additiven Verfahren. Nicht nur die Herstellung von Prototypen, sondern auch die additive Herstellung von bis zu 5.000 Stück (oder mehr), ist nun wirtschaftlich.

Vorteile des Druckverfahrens:

  • Sehr hohe Genauigkeit und Auflösung
  • Außergewöhnlich fest und nahezu isotrop
  • Sehr schnell und kosteneffizient.

Nachteile des Druckverfahrens:

  • Die Oberflächenqualität ist gut, aber rauer als bei photopolymerbasierten Verfahren (Polyjet, SLA).
  • Die gedruckten Teile sind grau, können aber ohne Probleme schwarz gefärbt werden, andere Farben müssen extra Beschichtet werden (extra Kosten).
  • Aktuell nur ein Material verfügbar (PA 12).

(Quelle HP Multi Jet Fusion)

9 Druck per Electron Beam Melting (EBM-Verfahren)

Das Druckverfahren Elektronenstrahlschmelzen (EBM) erfordert leitfähiges Material in Pulverform als Ausgangsmaterial. Dieses Metallpulver wird mit einem Hochenergiestrahl aus Elektronen beschossen und geschmolzen. Jede vorherige Schicht schmilzt mit der neuen zusammen und erzeugt auf diese Art den gewünschten festen Körper.

Vorteile des Druckverfahrens:

  • Druckobjekte mit einer hohen Dichte bis ca. 100% möglich
  • Hohe mechanische Belastbarkeit der Druckobjekte (Ähnlich den klassischen Fertigungsverfahren)

Nachteile des Druckverfahrens:

  • Langsamer Druckvorgang
  • Langer Abkühlvorgang im Anschluss an den Druck
  • Teuer in der Anschaffung und in der Nutzung
  • Nachbearbeitung der Druckobjekte mit einem großen Aufwand verbunden
  • Erzeugt sehr raue Oberflächen
  • Geringere Auflösung als beispielsweise beim Selektiven Laserschmelzen

(Quelle EBM-Verfahren)