Definition Was ist industrieller 3D-Druck?

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3D-Druck beschreibt ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Material schichtweise aufgetragen wird, um dreidimensionale Objekte herzustellen. Wie funktioniert industrieller 3D-Druck und mit welchen Materialien? Was sind die wesentlichen Vor- und Nachteile additiver Fertigung?

3D-Druckverfahren werden in der Industrie häufig dazu eingesetzt, um u.a. Bauteile mit geringen Stückzahlen, hoher Individualisierung und komplexen Geometrien herzustellen. Mittlerweile hat sich die additive Fertigung zudem als eigenständiger Industriezweig mit einer Reihe an neuen Anwendungen in der Serienfertigung bis hin zur Massenproduktion entwickelt.

Seit wann gibt es den 3D-Druck?

Als Erfinder des 3D-Drucks gilt der US-amerikanische Erfinder und Ingenieur Chuck Hull. Er entwickelte im Jahr 1984 den ersten 3D-Drucker und die STL-Schnittstelle (eine Standardschnittstelle für viele CAD-Systeme) für die Stereolithografie, dem ältesten patentierten 3D-Druckverfahren, und meldete den Drucker zum Patent an. Später gründete Chuck Hull das Unternehmen 3D Systems.

Wo wird 3D-Druck am häufigsten eingesetzt?

Zu den derzeit am weitesten verbreiteten Anwendungsfeldern der additiven Fertigung gehören:

• Prototypenfertigung: Die schnelle Entwicklung und Fertigung von Modellen zur Design- und Funktionsprüfung, im Allgemeinen als Rapid Prototyping bezeichnet.

• Produktion von Bauteilen mit komplexen Geometrien: ermöglicht die einfache Fertigung von Bauteilen, die sich mit bislang bekannten herkömmlichen Produktionsverfahren nicht realisieren ließen

• Leichtbau: die Fertigung von besonders leichten Bauteilen mit wenig Gewicht, was u.a. in der Luft- und Raumfahrt, aber auch im Transportwesen Vorteile bietet

• Individualisierung: die einfache Anpassung von Produkten an spezifische Kundenanforderungen

• Produktion von Hilfsmitteln und Werkzeugen: einfach anpassbare und mit 3D-Druck schnell realisierbare Vorrichtungen oder Werkzeuge

• Kleinserien und Ersatzteile: einfache und schnelle Herstellung von Bauteilen in kleinen Stückzahlen und Ersatzteilen, die schnell verfügbar sind

Welche Materialien werden meist für industriellen 3D-Druck verwendet?

Kunststoffe bilden zu einem Großteil die wesentliche Basis für spezifische 3D-Druck-Materialien, die in der Industrie je nach Anforderung und auch Anwendung ausgewählt werden. Hierbei wird generell unterschiedene zwischen

• Thermoplasten: Thermoplaste lassen sich mehrmals schmelzen und können daher auch öfters erstarren, ohne ihre materialspezifischen Eigenschaften zu verlieren. Thermoplaste können daher immer wieder verwendet werden, um unterschiedliche Formen bzw. Konstruktionen zu realisieren.

• Duroplasten: Duroplaste behalten indes nach dem Aushärten ihre feste Form. Werden sie erneut erhitzt, zersetzen sie sich, anstatt zu schmelzen und bilden sich nach dem Abkühlen nicht neu.

Zu den führenden Kunststoffen beim 3D-Druck gehören u. a.

• Polyamid: Auch bekannt als Nylon, gehört Polyamid zu den am meisten im industriellen 3D-Druck eingesetzten Materialien. Das Material ist nicht nur robust, sondern gleichermaßen vielseitig und einfach nachzuarbeiten. Der Kunststoff wird häufig in Pulverform für 3D-Druckverfahren wie das selektive Lasersintern (SLS) eingesetzt.

• ABS: Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) wird aufgrund seiner Hitzebeständigkeit und Haltbarkeit im industriellen 3D-Druck sehr geschätzt, z. B. beim FDM-Verfahren.

• PLA: Polylactid wird häufig für die Entwicklung von Prototypen eingesetzt und eignet sich für alle Anwendungen, in denen keine hohe Temperaturbeständigkeit von einer Konstruktion bzw. einem Bauteil gefordert ist. PLA ist biologisch abbaubar und daher schon allein mit Blick auf Umweltbelastungen durch Kunststoff ein durchaus interessanter Werkstoff.

• TPU: Thermoplastisches Polyurethan ist ein dehnbarer, flexibler und zudem schlagfester Kunststoff, der sich z. B. für die Prototypenfertigung eignet und über hervorragende vibrationsdämpfende Eigenschaften verfügt.

• Verschiedene Metalle: Metalle wie z. B. Aluminium, Edelstahl, Titan, Werkzeugstahl und Nickellegierungen sind ebenfalls im industriellen 3D-Druck weit verbreitet und werden vor allem zur Herstellung von funktionalen Prototypen oder Fertigprodukten eingesetzt. Anwendungen finden sich hier u. a. in der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der Elektrotechnik oder in der Automobilindustrie.

Die Möglichkeiten von potenziellen Werkstoffen für den 3D-Druck sind damit allerdings noch nicht erschöpft. Auch Materialien wie Keramik (z. B. für komplexe Bauteile in der Elektronik oder der Medizin), Beton (für den 3D-Druck von Hausgrundmauern mit speziellen Zement-Mischungen), Holz (z. B. mit Holz gefüllte Filamente), Sand (z. B. mit dem Binder-Jetting-Verfahren für die Gießereiindustrie) und sogar Papier oder Glas lassen sich einsetzen.

Darüber hinaus werden laufend neue Werkstoffe für den industriellen 3D-Druck entwickelt, u. a. auch im Zusammenhang mit neuen, patentierten 3D-Druckverfahren. Mehr zu diesem Thema im Artikel der konstruktionspraxis: „Zwölf neue Verfahren für die additive Fertigung“

Welche Technologien gibt es für den 3D-Druck?

Eine schwierige Frage: Die additive Fertigung entwickelt sich aufgrund ihrer besonderen Vorzüge rasant weiter, sodass auch immer wieder neue Verfahren und Technologien für den 3D-Druck auf den Markt kommen. Daher stellen wir an dieser Stelle die derzeit wohl am häufigsten eingesetzten 3D-Druck-Technologien für Kunststoffe und Metalle vor.

3D-Drucktechnologien für Kunststoffe

• Fused Deposition Modeling (FDM) – Schmelzschichtung: Bei diesem Verfahren wird durch das Schmelzen und Extrudieren von Filament (thermoplastische Kunststoffe, die in Draht- oder Seilform auf einer Rolle aufgewickelt sind) über eine Druckdüse eine Konstruktion Schicht für Schicht aufgebaut.

• Stereolithographie (SLA): Diese Drucktechnologie gehört als erste überhaupt verfügbare 3D-Drucktechnologie zu den ältesten Verfahren und ist nach wie vor sehr gefragt. Unter den Technologien für Kunststoff bietet dieses Verfahren beim 3D-Druck die höchste Präzision sowie Auflösung, sodass sich mit SLA sehr filigrane Teile mit sehr glatten Oberflächen herstellen lassen. Teile, die mit dem SLA-Verfahren produziert werden, können außerdem z. B. durch Polieren, Beschichten oder Lackieren nachbearbeitet werden. Die Festigkeit von Teilen aus dem SLA-Druck bleibt unabhängig von ihrer Ausrichtung immer gleich, sodass ihre Eigenschaften sehr gut vorhersehbar sind, etwa für Halterungen, funktionsfähige Prototypen oder Produkte für den Endgebrauch.

• Selektives Lasersintern (SLS): Bei diesem Verfahren wird Kunststoffpulver durch einen Laser geschmolzen und verfestigt. Mit dieser Technologie lassen sich sehr stabile, funktionsfähige Teile fertigen. Da das ungesinterte Pulver das produzierte Bauteil beim 3D-Drucken unterstützt, sind keine zusätzlichen Strukturen zur Verfestigung notwendig. SLS ist daher insbesondere für die Herstellung komplexer Geometrien z. B. mit dünnen Wänden oder Hinterschneidungen geeignet. SLS empfiehlt sich daher gleichermaßen für das Rapid Prototyping wie zur Fertigung von Kleinserien.

• Binder-Jetting: Dabei handelt es sich ebenfalls um ein additives Produktionsverfahren, bei dem ein Bindemittel auf ein Pulvermaterial aufgetragen wird, um die Schichten für ein Bauteil zu bilden. Hierzu werden piezoelektrische Druckköpfe eingesetzt, die das Bindemittel auf das Pulver sprühen, damit sich die Partikel verbinden und somit zusammenhalten. Binder-Jetting hat den Vorteil einer hohen Druckgeschwindigkeit. Mit diesem Verfahren lassen sich außerdem komplexe Geometrien ohne Stützstrukturen erstellen, weil das umgebende Pulverbett für die erforderliche Stabilität sorgt.

• Material Jetting: Bei diesem 3D-Druckverfahren werden Werkstoffe wie z. B. Fotopolymere oder Wachse auf einer Plattform schichtweise aufgetragen. Dies geschieht durch Druckköpfe, deren Funktionsweise einem Tintenstrahldrucker ähneln. Die aufgetragenen Materialien werden anschließend z. B. mittels UV-Licht gehärtet. Mit Material Jetting lassen sich sehr detaillierte und präzise Drucke erzeugen, wobei das Verfahren den Einsatz mehrerer Materialien und Farben in einem Druckvorgang ermöglicht.

3D-Drucktechnologien für Metalle

Wie bei den Kunststoffen gibt es auch bei Metallen mehrere verschiedene Verfahren, von denen hier die Metall-Schmelzschichtung, das SLM und DMLS vorgestellt werden:

• Metall-Schmelzschichtung: Drucker für dieses Verfahren funktionieren ähnlich wie FDM-Drucker. Die Geräte extrudieren jedoch Metallstäbe, die von Polymerbindestoffen zusammengehalten werden. Der Bindestoff wird dann später beim Sintern in einem Brennofen entfernt.

• Selektives Laserschmelzen (SLM) und Direct Metal Laser Sintering (DMLS): Die Drucker für den SLM-3D-Druck und DMLS-3D-Druck funktionieren ähnlich wie Drucker für das selektive Lasersintern (SLS). Anstatt Kunststoffpulver werden Metallpulverpartikel schichtweise von einem Laser verschmolzen. Mit diesen Verfahren werden robuste, komplexe und somit sehr präzise Produkte aus Metall gefertigt, deren Einsatzbereiche sich u.a. in der Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik oder Automobilindustrie finden .

Vorteile additiver Fertigungsverfahren

Im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren hat der 3D-Druck eine Reihe an Vorteilen:

• Gestaltungs- und Designfreiheit: Mit der additiven Fertigung lassen sich auch komplexe Strukturen, Geometrien und Designs herstellen, die sich mit konventionellen Produktionsmethoden wie z. B. der Zerspanung nur sehr schwer oder gar nicht realisieren ließen. Dies schließt u. a. Strukturen, Hinterschneidungen oder Hohlräume ein, für die nur dort Material eingesetzt wird, wo es tatsächlich notwendig ist.

• Kosteneffizienz: Additive Fertigung kann die Produktionskosten deutlich senken, weil u.a. keine teuren Formen oder Werkzeuge für die Herstellung eines Bauteils benötigt werden. Dies kann im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsverfahren zu Einsparungen von bis zu 80 Prozent führen.

• Rapid Prototyping: Die additive Fertigung kann die Entwicklung von Prototypen erheblich beschleunigen, sodass Unternehmen etwa in der Lage sind, Lösungen schneller zu produzieren und auch in den Markt einzuführen. Darüber hinaus werden mögliche Probleme schneller erkannt und lassen sich ohne den Einsatz von teuren Werkzeugen lösen.

• Individualisierung: Mit dem 3D-Druck lassen sich kostengünstig und mit geringerem Aufwand als herkömmliche Fertigungsverfahren maßgeschneiderter Produkte herstellen, die u. a. auf spezifische Bedürfnisse von Kunden zugeschnitten sind.

• Geringere Lagerkosten: Eine Produktion „on demand“ reduziert die Lagerkosten und zudem Transportkosten, da Bauteile direkt von Ort gefertigt werden können.

• Umweltschonend: In der additiven Fertigung ist der Materialverbrauch optimiert, da nur das für ein Bauteil unbedingt notwendige Material verwendet wird. Abfälle fallen somit kaum an. Wie bereits oben beschrieben, können mit dem 3D-Druck auch die Transportwege durch eine dezentrale Fertigung eingespart oder verkürzt werden.

Nachteile additiver Fertigungsverfahren

Neben den oben aufgeführten Vorteilen des 3D-Drucks gibt es allerdings auch einige Nachteile, die zu berücksichtigen sind:

• Genauigkeit: In vielen Fällen erreicht die additive Fertigung mit 3D-Druckern nicht die hohen Genauigkeiten von CNC-Maschinen. Mit der ständigen Weiterentwicklung der Fertigungsverfahren und 3D-Drucker ändert sich dies aber allmählich.

• Fälschungen und Produktpiraterie: Mit den wachsenden Potenzialen der additiven Fertigung steigen auch die Möglichkeiten für Produktfälschungen. Auch das Urheberrecht wird mitunter verletzt, weil sich zahlreiche Designs einfach im Internet herunterladen lassen und hergestellt werden können, ohne dass der Entwickler hierfür eine Entschädigung erhält.

• Materialverfügbarkeit: Zwar gibt es eine Fülle an Materialien für den 3D-Druck, allerdings ist die Auswahl im Vergleich zu den für andere Fertigungsverfahren erhältlichen Materialien nach wie vor geringer. Außerdem lassen sich duroplastische Materialien nach der Herstellung eines Bauteils nicht recyclen, wodurch Materialabfälle entstehen.

• Nachbearbeitungen: Die meisten, mit additiven Fertigungsverfahren hergestellten Produkte müssen nach den 3D-Druck noch nachbearbeitet werden. Hierzu sind zusätzliche Prozesse erforderlich, wie etwa eine Wärmebehandlung, Polieren, Lackieren, die Entfernung von Stützstrukturen in einem Bauteil, etc. In der spanabhebenden Fertigung müssen jedoch Werkstücke nach der Bearbeitung mitunter ebenfalls nachbearbeitet werden.

• Bauteildimensionen: Für größere Bauteile werden 3D-Drucker mit großen Druckerkammern benötigt, was erhebliche Investitionen bedeutet. Ein Großteil der Druckertechnologien ist daher auf vergleichsweise kleinere Bauteile ausgelegt.

Quellen: Wikipedia; 3D Profi; EOS; Formlabs – Druckerauswahl; Formlabs – 3D-Druckmaterialien; Freeform4you; 3Druck.com; 3Faktur; 3D Activation; IGO3D; 3d-grenzenlos; BMF; Dassault Systems; konstruktionspraxis

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