Additive Fertigung Wie mit Verfahren des Kunststoff-3D-Drucks Bauteile aus Metall, Keramik oder Glas entstehen

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Die Verfahren Stereolithographie, Lasersintern und Fused Deposition Modeling sind weit über 30 Jahre alt. Ihre bewährte Technologie wird in jüngsten Entwicklungen zur Herstellung von Metall-, Keramik- oder Glasbauteilen genutzt. Wie das funktioniert, erfahren Sie hier.

Die Stereolithographie (SLA kam bereits 1986 durch 3D Systems auf den Markt und ist die Älteste unter den 3D-Druck-Technologien. Die grundlegende Version basiert auf UV-empfindlichen Flüssigharzen, die auf einer Plattform aufgebracht und anschließend per Laserstrahl selektiv gehärtet werden. Während des Fertigungsprozesses senkt sich die Plattform nach und nach und das Bauteil wächst Schicht für Schicht. Nach dem Druck werden nicht gehärtetes Harz und Supports vom Bauteil entfernt. Aus dieser Grundversion haben sich im Laufe der Zeit verschiedene Varianten entwickelt. Jüngste Materialentwicklungen zielen nun darauf ab, anstelle von Kunststoffteilen Bauteile aus Metall oder Glas mittels Stereolithographie zu generieren.

Metallbauteile im SLA-Verfahren herstellen

Das deutsche Start-up Metshape aus Pforzheim ist Mitentwickler und Anbieter der Lithography-based Metal Manufacturing (LMM)-Technologie. Das lithographiebasierte Verfahren ermöglicht die additive Fertigung von metallischen Klein- und Mikroteilen. Beim LMM entsteht additiv durch Photopolymerisation ein hochpräzises Grünteil. Dabei ist das Ausgangsmaterial eine Kombination aus Metallpulver und photosensitivem Bindersystem. Das 3D-gedruckte Grünteil muss anschließend entbindert und gesintert werden. Dabei erfährt es eine Schrumpfung, die bei der Konstruktion berücksichtigt werden muss.

Mit der LMM-Technologie können dünnwandige Bauteile mit einer hohen Auflösung und hohen Oberflächengüte generiert werden. Dabei sind keine Stützstrukturen erforderlich. Das Verfahren ermöglicht eine große Werkstoffvielfalt. Momentan kann Metshape Bauteile aus Edelstahl und Titan fertigen. Anwendungen gibt es vor allem im Medizintechnikbereich. An Materialformulierungen auf Basis von Kupfer und Gold wird gearbeitet.

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Glasbauteile mittels SLA generieren

Die Glassomer GmbH beschäftigt sich mit dem Stereolithographie-3D-Druck von Glas. Dieses Jahr gelang ihnen in Kombination mit einer neu entwickelten Mikro-3D-Druck-Technologie der University of California der Durchbruch. Die neue Technologie basiert auf so genannten Glassomer-Materialien, die am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt und in die Glassomer GmbH ausgegründet wurden. Die Materialien bestehen aus Glaspulver in einem speziellen Kunststoff-Binder. Bei dem neuen, Computed Axial Lithography (CAL) genannten Verfahren der University of California entsteht das Bauteil in einem einzigen Schritt: Ein Gefäß mit flüssigem, lichtempfindlichen Material wird hierfür aus vielen verschiedenen Winkeln mit zweidimensionalen Lichtbildern des zu druckenden Objekts belichtet. Wo die Bilder sich überschneiden und die absorbierte Lichtmenge dadurch lokal einen gewissen Schwellwert überschreitet, härtet das Material schlagartig aus – innerhalb weniger Minuten ist das Bauteil geformt. Das überschüssige, noch flüssige Material kann abgewaschen werden.

Die dadurch entstehenden Komponenten kommen anschließend in einen Ofen, wo der Kunststoff verbrennt und das Glas gesintert wird. Die Bauteile bestehen danach aus 100 Prozent hoch transparentem Quarzglas. Es können Strukturen im Bereich von 50 Mikrometern in wenigen Minuten gedruckt werden.

Metallbauteile im Lasersintern fertigen

Das Lasersinter-Verfahren (SLS) wurde 1988 an der Universität Texas entwickelt und 1992 in Form eines ersten Druckers realisiert. Beim Lasersintern wird Kunststoffpulver mit Hilfe einer Walze oder einer Rakel vollflächig auf einer Bauplattform verteilt und anschließend mit einem Hochleistungslaserstrahl selektiv durch Schmelzen verbunden. Hat der Laser die erste Schicht vollständig bearbeitet, senkt sich die Plattform ab und es wird eine neue Pulverschicht aufgebracht. Dieses Vorgehen wird so lange wiederholt, bis das Bauteil fertig ist. Sind die Sintervorgänge abgeschlossen, wird das Bauteil aus dem Bauraum herausgenommen und das am und im Objekt verbliebene Pulver entfernt. Weitere Nachbearbeitungsschritte dienen der Oberflächenbehandlung oder der Reduzierung interner mechanischer Spannungen.

Das junge Unternehmen Headmade Materials aus Unterpleichfeld bei Würzburg kombiniert nun die Vorteile des Lasersinterns mit den Vorteilen der Pulvermetallurgie. Für ihr Cold-Metal-Fusion-Verfahren (CMF) entwickeln sie spezielle Feedstock-Materialien. Diese bestehen aus Metallpulver und einem Kunststoff-Binder und können auf gängigen SLS-Anlagen verarbeitet werden. Dabei wird das Bauteil bei geringer Temperatur (<80 °C) schichtweise durch Schmelzen des Binders aufgebaut. Im Bauprozess selbst sind keine Stützstrukturen notwendig, was auch eine freie Platzierung der Bauteile im Bauraum ermöglicht. Der fertige Baujob wird anschließend entpulvert, entbindert und gesintert. Die hohe Grünteilfestigkeit erlaubt bereits vor dem Sintern zum Metallbauteil die mechanische Nachbearbeitung, was gerade bei schwer zu bearbeitenden Materialien einen hohen Mehrwert bietet.

Das neue Metall-3D-Druckverfahren Cold Metal Fusion ermöglicht die Serienfertigung von komplexen Metallbauteilen in Stückzahlen von über 100.000. Realisiert wurde bereits die Fahrrad-Klickpedale My Ti aus Titan. Diese hat Headmade Materials zusammen mit Titanum designed und fertigt viele tausend Stück pro Jahr in Serie. Mit EU-Fördergeldern erfolgt momentan ein Scale-Up der Feedstock-Produktion und eine Erweiterung des Produktportfolios um weitere Materialien und Legierungen.

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Keramikbauteile mittels FDM produzieren

Das Fused Deposition Modeling (FDM) wurde 1989 von S. Scott Crump, dem Mitbegründer von Stratasys, entwickelt. Das Verfahren basiert auf schmelzfähigem Kunststoff, der in Drahtform auf Rollen bereitgestellt wird. Dieses Filament wird durch eine Extruderdüse geführt, in der das Material erwärmt und anschließend auf einer Bauplattform auf den erforderlichen Bereichen schichtweise aufgebracht wird. Sind alle Bereiche einer Schicht aufgebracht, wird die Düse nach oben verschoben und die nächste Schicht auf die darunterliegende gedruckt. Durch laufende Wiederholung dieses Prozesses entsteht Schicht für Schicht das vollständige Bauteil. Nach dem Druck werden die gegebenenfalls mitgedruckten Stützstrukturen entfernt und die Oberflächen nachbearbeitet.

Der 2017 gegründete Firma AIM3D aus Rostock ist es gelungen, einen Multimaterialdrucker zu entwickeln, der ohne kostenintensive Maschinenumrüstung auf Grundlage von Standard-Spritzgussgranulat Produkte aus Metallen, Keramiken, Kunststoffen und verstärkten Kunststoffen drucken kann. Ihr Composite Extrusion Modeling (CEM-Verfahren) kombiniert den Metallspritzguss (MIM-Verfahren),Keramikspritzguss (CIM) und den eigentlichen Spritzguss mit dem FDM-Verfahren. Im Falle von Metall und Keramik wird nur der Kunststoffanteil aus dem MIM bzw. CIM-Granulat aufgeschmolzen. Das durch Kunststoff gebundene Metall- oder Keramikpulver formt so einen Grünling, der im weiterführenden Prozess vom Kunststoff entbindert und abschließend gesintert wird. Dadurch verbinden sich die Metall- bzw. Keramikpartikel auf molekularer Ebene und bilden ein stabiles Metall- oder Keramikteil. Die durch das Verfahren bedingte Schrumpfung kann durch eine einfache Skalierung der Druckgeometrie berücksichtigt werden.

Die zentrale Komponente ist hier der Extruder. Dessen verschiedene Druckkopfversionen sind auf die einzelnen Werkstoffgruppen abgestimmt. Durch die große Materialvielfalt sind beispielsweise Prototypen im selben Material möglich wie im späteren Serienverfahren.

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