3D-Druck-Verfahren2017-09-12T11:59:24+00:00

Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden pulverförmige Werkstoffe aus Kunststoff zu funktionalen und mechanisch belastbaren 3D-Objekten aufgebaut. Aufgrund der aktuell noch sehr hohen Preise für SLS-Fertigungsanlagen sind diese häufig im industriellen Umfeld vorzufinden.

Das Pulver wird durch eine Rakel oder Rolle dünn auf eine Bauplattform aufgetragen. Gemäß den Koordinaten aus der vorliegenden STL-Datei schmilzt ein Laser das Material an den entsprechenden Stellen auf. Anschließend senkt sich die Plattform um den Wert einer Schichtdicke herab und der Ablauf wiederholt sich bis zur Vollendung des Objekts. Auch die gleichzeitige Produktion mehrerer Fabrikate ist möglich.

In der Baukammer wird das Material bis kurz unter den Schmelzpunkt erhitzt, sodass ein geringer Energieaufwand des Lasers ausreicht, um die Schmelze auszulösen. Während der Fertigung wird das Bauteil von dem es umgebenden Pulverbett gestützt, weshalb keinerlei zusätzliche Supportstrukturen notwendig sind – ein wesentlicher Vorteil, der große Freiheiten in der Konstruktion von 3D-Modellen gewährt.

Selektives Lasersintern (SLS)

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Das selektive Laserschmelzen basiert auf demselben Verfahren wie das des selektiven Lasersinterns, jedoch werden hier ausschließlich Metallpulver verarbeitet. Der leistungsstarke Laser schmilzt das Material mit Temperaturen bis zu 1.250 °C im Laserfokus auf. Da der Bauraum währenddessen nicht, bzw. kaum beheizt wird, können durch den großen Temperaturunterschied unerwünschte Effekte wie Curling, Verzüge oder Verbrennungen auftreten. Eine an der Grundplatte befestigte Stützstruktur wirkt dem entgegen, muss allerdings im Anschluss an den Fertigungsprozess manuell entfernt werden. Das selektive Laserschmelzen eignet sich unter anderem zur Herstellung von 3D-Objekten aus Werkzeug- und Edelstahl oder Aluminium. Dank des technologischen Fortschritts ist mittlerweile auch die Verarbeitung von Kupfer mit dem SLM-Verfahren möglich. Das Metall ist wegen seiner hervorragenden elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein wichtiger Werkstoff für die Industrie, der Einsatz im 3D-Druck wird jedoch aufgrund ebendieser Eigenschaften erschwert. Hochleitfähiges Kupfer wird aktuell nur von der Firma PROTIQ verarbeitet.

Mit dem ältesten aller 3D-Druckverfahren können in kurzer Zeit hochauflösende Bauteile aus Kunststoff produziert werden, weshalb sich die Technologie vor allem im Bereich des Rapid Prototyping etabliert hat. Aus flüssigen Photopolymeren (z. B. Epoxidharz) entstehen detailreiche 3D-Objekte mit Wanddicken ab 0,1 mm. Ein UV-Laser härtet das Material Schicht für Schicht anhand CAD-basierter Koordinaten aus. Daraufhin wird die Druckplattform um den Wert genau einer Schichtdicke in das Kunststoffbad abgesenkt, sodass die nächste Ebene vom Laser bestrahlt werden kann. Zwar wechselt der Werkstoff dabei vom flüssigen in einen festen Zustand, stabil ist das Material allerdings noch nicht: Die vollständige Aushärtung erfolgt erst in einem weiteren Schritt, in dem das Bauteil erneut UV-Licht ausgesetzt wird. Eine anschließende Bearbeitung ist in der Regel nicht notwendig, da die Oberfläche der Objekte von vorn herein sehr glatt ist.

Stereolithographie (SLA)

PolyJet/MultiJet Modeling (MJM)

Das PolyJet-Verfahren ähnelt dem herkömmlichen Tintenstrahldruck. Der Druckkopf bewegt sich dabei über die Bauplattform und versprüht feine Tröpfchen eines flüssigen Polymers. Gleichzeitig wird das Material mit UV-Licht bestrahlt und so vernetzt beziehungsweise ausgehärtet. Neben diversen Thermoplasten werden beim MJM Wachse benutzt, die von einem zusätzlichen Druckkopf zu Stützstrukturen für das 3D-Objekt aufgebaut werden. Der Einsatz von mehr als zwei Druckköpfen erlaubt die Produktion von mehrfarbigen Bauteilen und die Verwendung unterschiedlicher Materialien im gleichen Fertigungsvorgang.

Neben Kunststoff und Metall bildet Keramik die dritte große Materialgruppe im 3D-Druck. In der additiven Fertigung wird dieser Werkstoff in einem mehrstufigen Prozess verarbeitet, um 3D-Objekte mit der Keramik-typischen Dichte herstellen zu können. Zunächst wird eine flüssige Keramik-Monomer-Suspension im Stereolithographie-Verfahren zu einem Grünkörper aufgebaut. Dafür wird die Bauplatte in die Flüssigkeit abgesenkt und Schicht für Schicht lokal mit UV-Licht ausgehärtet. Anschließend werden dem Grünkörper die Polymere durch Pyrolyse wieder entzogen, da diese lediglich als Binder benötigt wurden. Zuletzt durchläuft das 3D-Objekt einen Sintervorgang, um die keramischen Partikel zu verdichten.

Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)

Fused Deposition Modeling (FDM)

Die sogenannten FDM-Drucker halten aktuell vermehrt Einzug in Privathaushalte. Sie verarbeiten strangförmige Kunststoffe, sogenannte Filamente, die in einen Extruder eingeführt, aufgeschmolzen und schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen werden. Damit sich das Objekt beim Auskühlen nicht verzieht („Warping“), sind viele FDM-Drucker mit einem Heizbett ausgestattet. Die Temperatur des 3D-Modells wird langsam und gleichmäßig herabgesenkt, um große Spannungsunterschiede zu verhindern.