3D-Druck Zehn neue Verfahren für die additive Fertigung von Bauteilen

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Immer mehr additive Fertigungsverfahren wollen die traditionelle Formgebung ersetzen. Manchmal ermöglichen sie aber auch erstmals die Verarbeitung neuer Materialien. Oder neue 3D-Druck-Verfahren dringen in Größenbereiche vor, die bisher nicht wirtschaftlich umzusetzen waren. Wir stellen die jüngsten Entwicklungen vor.

Biobasierte Faserverbundbauteile bei Raumtemperatur 3D-drucken

Bei Faserbundwerkstoffen, die in der Natur vorkommen, sind mikroskopisch kleine Fasern aus Collagen oder Cellulose in eine formgebende Matrix aus Lignin, Hemicellulose oder Collagen eingebettet. Die Faserstränge verlaufen dabei belastungsgerecht. Ähnlich der Natur ermöglichen 3D-Druckverfahren mit Endlosfaserverstärkung ebenfalls eine topologieoptimierte Ablage des Fasserstrangs. Allerdings sind Naturfasern empfindlich gegenüber höheren Temperaturen. Sie können deshalb nicht im klassischen FDM-3D-Druckprozess verarbeitet werden. Das Deutsche Institut für Textil- und Faserforschung (DITF) und Arburg haben nun ein energie- und materialsparendes 3D-Druckverfahren für diese leichten biobasierten Faserverbundwerkstoffe entwickelt.

So können jetzt in einem Arbeitsgang ein Faserverbundwerkstoff aus Cellulose-Endlosfasern mit cellulosebasierter Matrix sowie das belastungsgerechte Bauteil additiv bei Umgebungstemperatur hergestellt werden. Der Cellulosefaserstrang wird dabei zunächst mit einem Binder für die Verarbeitung im Drucker stabilisiert. Ein speziell gestalteter Druckkopf wandelt den Binder in eine Matrix um, mit der die Cellulose-Endlosfasern umhüllt werden. Da die Cellulose-Fasern und die Matrix eine ähnliche chemische Struktur haben, ist das Bauteil sehr stabil. Mechanische Eigenschaften wie die Bruchfestigkeit sollen ausgesprochen gut sein.

Liquid-Metal-Printing (LMP) für Aluminiumbauteile

Die Grob-Werke haben das Liquid-Metal-Printing (LMP) entwickelt und machen es mit dem Fertigungssystem GMP300 verfügbar. Das LMP-Verfahren hat nach eigenen Angaben eine höhere Aufbaurate als vergleichbare PBF (Powder Bed Fusion)-Anlagen bei einer besseren Bauteilauflösung verglichen mit aktuellen DED (Direct Energy Deposition)-Verfahren und dient zur Herstellung endkonturnaher Aluminiumbauteile. Es funktioniert wie folgt: Zuerst wird Aluminiumdraht aufgeschmolzen. Das flüssige Aluminium fällt als Tropfen auf einen in x/y-Richtung verfahrbaren Kreuztisch. Durch Anheben des Druckkopfs erfolgt der Aufbau in z-Achse.

Dabei handelt es sich um einen Mikrogießprozess mit keinem oder nur geringem thermischen Verzug. Dieser erzeugt ein homogenes Mikrogefüge bei Streckgrenzen, die gleich oder zum Teil auch über den Werten des Ausgangsmaterials in Drahtform liegen. Laut Grob lassen sich Aufbauraten bei einer maximalen Tropfenfrequenz von 500 Herz und einem Tropfendurchmesser von 700 Mikrometer zu 320 Kubikzentimeter pro Stunde berechnen. Der reduzierte Nachbearbeitungsaufwand und die Tatsache, dass die Bauteilkosten nur gering über den Füllgrad der Bauplatte skalieren, erhöhe zusätzlich die Produktivität des LMP-Verfahrens. Die für das Liquid Metal Printing entwickelte Maschine GMP300 ist für die Einzel- und Kleinserienfertigung konzipiert.

Xolographie druckt Kunststoffteile aus dem vollen Volumen

Die Berliner Firma Xolo arbeitet seit 2019 am volumetrischen 3D-Druck. Ihre Erfindung – die Xolographie – steht mit dem 3D-Drucker Xube jetzt erstmals zur Verfügung. Bei der Xolographie handelt es sich um ein volumetrisches Druckverfahren, das schnell druckt und sehr glatte Oberflächen produziert. Es operiert mit Materialien, die bisher nicht für den 3D-Druck verwendet werden konnten. Anders als bei herkömmlichen 3D-Druckverfahren, bei denen Schicht für Schicht gearbeitet wird, druckt die Xolographie aus dem vollen Volumen. Eine Küvette mit Flüssigharz bewegt sich dafür kontinuierlich durch einen sogenannten Lichtschnitt, in den eine Lichtprojektion fokussiert wird. Durch die Anreicherung des Flüssigharzes mit von Xolo entwickelten photoaktiven Spezialchemikalien, den sogenannten Photoinitiatoren, entsteht innerhalb kürzester Zeit das Endprodukt mit glatten Oberflächen. Anwendungsfelder gibt es zum Beispiel in der Medizintechnik bei der Reproduktion von Organen oder in der optischen Industrie bei der Herstellung von Hochpräzisionslinsen.

Light Sheet Printing als Alternative zur Stereolithographie

Bisherige Stereolithografie-Verfahren sind langsam und haben eine geringe Auflösung. Für den schnellen, harzbasierten 3D-Druck von mikrometergroßen Teilen hat ein Forschungsteam des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), der Universität Heidelberg und der Queensland University of Technology (QUT) ein neues Laserdruckverfahren entwickelt – den 3D-Lichtblattdruck (Light-Sheet 3D-Printing). Dabei wird blaues Licht in einen Behälter projiziert, der mit einem flüssigen Harz gefüllt ist. Durch das blaue Licht wird das Harz voraktiviert. In einer zweiten Stufe liefert ein roter Laserstrahl die zusätzliche Energie, die zum Aushärten des Harzes erforderlich ist.

Jedoch lassen sich nur Harze schnell drucken, die rasch aus dem voraktivierten Zustand in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren. Erst dann kann die nächste Schicht gedruckt werden. Die Rückkehrzeit diktiert folglich die Wartezeit zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten und damit die Druckgeschwindigkeit. Ein neu entwickeltes Harz erfüllt mit einer Rückkehrzeit von weniger als 100 Mikrosekunden diese Anforderung. So können mikrometergroße 3D-Teile in wenigen hundert Millisekunden gedruckt werden. In Zukunft sollen zentimetergroße 3D-Strukturen möglich sein.

Elektronische Komponenten in einem Schritt additiv fertigen

Um elektronische Komponenten mit Hilfe des 3D-Drucks herzustellen, wird im herkömmlichen Verfahren zunächst ein nichtleitendes Trägerbauteil erzeugt und anschließend mit einer dünnen Struktur, zum Beispiel einer speziellen Tinte oder einem Klebstoff, versehen. Diese muss in einem weiteren Schritt bei etwa 200 Grad gesintert – also thermisch nachbehandelt – werden, damit sie elektrisch leitfähig wird. Jedoch sind die für die Sinterung benötigten Geräte und Anlagen sehr teuer und es besteht die Gefahr, dass sich das Bauteil durch die nachgelagerte Behandlung verformt. Ein interdisziplinäres Team der TH Köln hat nun ein einstufiges Herstellungsverfahren mit einer dazugehörigen Vorrichtung konzipiert.

Die neuartige Methode kombiniert die additive Fertigung mit der thermischen Nachbehandlung. Dabei wird die beim FDM-3D-Druck ohnehin schon vorhandene Prozesswärme zur Materialsinterung der leitfähigen Strukturen genutzt. Hardwareseitig wurde neben dem Extruder des 3D-Druckers ein Dosiersystem angebracht, dessen Kartusche mit Silberleitklebstoff gefüllt ist. Der Druckprozess läuft folgendermaßen ab: Der Silberleitklebstoff wird mit einer Dosiernadel in die gedruckten Filamentschichten integriert, sodass eine leitfähige Struktur entsteht. Die Spitze des Nadeldispensers liegt dabei unmittelbar in der Nähe der Extruderdüse des Druckers, aus dem das Filament kommt. So kann der Klebstoff die Wärme des geschmolzenen Filaments nutzen und wird beim Verlassen der Dosiernadel gesintert.

Mit Schallwellen kleinste 3D-Objekte formen

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung und der Universität Heidelberg haben eine neue 3D-Druck-Technologie entwickelt. Mithilfe von akustischen Hologrammen werden dabei Feststoffpartikel oder biologische Zellen per Ultraschall in nur einem Schritt zu einem dreidimensionalen Objekt zusammenfügt. In früheren Studien zeigten die Forscher aus Heidelberg, wie Ultraschall mithilfe von akustischen Hologrammen – 3D-gedruckten Platten, die ein bestimmtes Schallfeld kodieren sollen – erzeugt werden kann. Sie demonstrierten, dass diese Schallfelder verwendet werden können, um Materialien zu zweidimensionalen Mustern zusammenzusetzen.

Mit ihrer neuen Studie konnte das Team die Idee nun einen Schritt weiterbringen. Sie verwendeten mehrere akustische Hologramme zusammen und konnten so ein Schallfeld bilden, das frei im Wasser schwebende Partikel und Zellen einfangen und zu dreidimensionalen Formen zusammensetzen kann. Dabei ist die Digitalisierung eines ganzen 3D-Objekts in Ultraschall-Hologrammfelder jedoch sehr rechenintensiv. Die neue Methode soll mit einer Vielzahl von Materialien funktionieren, darunter Glas- oder Hydrogelperlen und biologische Zellen.

EHLA-Verfahren zum Highspeed-3D-Druck erweitert

Vor zehn Jahren wurde am Fraunhofer ILT und dem Lehrstuhl für Digital Additive Production DAP der RWTH Aachen University das Extreme Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen EHLA entwickelt. Bei dem patentierten Verfahren schmilzt ein Laser Pulverpartikel oberhalb des Schmelzbades auf. Auf diese Weise lässt sich gegenüber dem Laserauftragschweißen (Laser Material Deposition LMD) die Prozessgeschwindigkeit von bisher 0,5 bis 2,0 Meter pro Minute auf bis zu 200 Meter pro Minute steigern und die Schichtdicke von 500 Mikrometer auf bis zu 10 Mikrometer senken. Nun wurde das EHLA-Verfahren erfolgreich in die dritte Dimension geführt.

Um EHLA mit dem Highspeed-3D-Druck zu kombinieren, modifizierten die Forscher eine 5-Achs-CNC-Anlage so, dass sie höchste Präzision und hohe Vorschubgeschwindigkeiten für die additive Fertigung, Freiformbeschichtung und Bauteilreparatur mittels EHLA vereint. Das neue, EHLA 3D genannte Verfahren kombiniert die Produktivität von LMD mit dem strukturell gezielten, präzisen Aufbau von Laser Powder Bed Fusion (LPBF). 50 bis 300 Mikrometer dicke Schichten seien möglich. So sollen sich produktiv Bauteile herstellen lassen, die schon sehr nah an die Endkontur kommen. Dank der geringen Aufmischungszone und der hohen Abkühlgeschwindigkeit sind mit der EHLA-3D-Technologie auch Bauteile aus schwer schweißbaren Werkstoffen und Multimaterialpaarungen additiv herstellbar. Dabei steht und fällt die Produktivität mit dem Zusammenspiel des sogenannten fly-in, bei dem der Laserkopf mit eingeschaltetem Laserstrahl zum Einsatzort fliegt, mit dem anschließenden fly-out, dem abgebremsten Herausfliegen aus der Bearbeitungszone. Der Wirkungsgrad ergibt sich aus dem Verhältnis von Bearbeitungszeit mit eingeschaltetem Laserstrahl zur gesamten Prozesszeit.

Voxelfill-Prinzip überwindet inhomogene 3D-Druck-Festigkeiten

Die Multimaterialdrucker von AIM3D können auf Grundlage von Standard-Spritzgussgranulat Produkte aus Metallen, Keramiken, Kunststoffen und verstärkten Kunststoffen drucken. Ihr Composite Extrusion Modeling (CEM-Verfahren) kombiniert den Metallspritzguss, den Keramikspritzguss und den eigentlichen Spritzguss mit dem FDM-Verfahren. Jedoch weist der schichtbasierte Aufbauprozess inhomogene Festigkeitswerte in Z-Richtung auf. Nun hat AIM3D die Voxelfill-Strategie entwickelt, die diese Einschränkung überwindet und die Wirtschaftlichkeit des CEM-Verfahrens steigert. Dabei werden Bauteile nicht mehr ausschließlich schichtweise aufgebaut, sondern durch den Einsatz von sogenannten Voxeln als Volumenbereiche schichtübergreifend gefüllt.

Die Voxelfill-Strategie betseht aus zwei Verfahrensstufen. Zuerst wird die Bauteilkontur als Basisstruktur über eine oder mehrere Bahnen des extrudierten Materials erzeugt. Im Inneren des Bauteils entsteht dabei ein Gittermuster, das die Grenzen der zu füllenden Volumenelemente als Waben definiert. Die CEM-Anlage wiederholt diesen Aufbau bis zu einer definierten Höhe der Volumenelemente. Dann erfolgt die Füllung der Hohlräume (Voxel) durch Einspritzen des thermoplastischen Materials. Der zweite Teil der 3D-Druckstrategie besteht darin, dass bei der Füllung der Volumenbereiche nicht alle Voxel in einer Ebene gefüllt werden. Durch Versetzen der Volumenelemente in halber Höhe der Voxel wird eine Art Ziegelverbund im Bauteil erzeugt. Dies bewirke eine enorme Festigkeitserhöhung und verbessere die Elastizität der Bauteile in Z-Richtung. Auf diese Weise können Bauteilgewicht, Dämpfungseigenschaften, Schwerpunktmanipulationen oder Elastizitäten – abgestimmt auf die Anwendung – definiert werden. Beim Einsatz von faserverstärkten Werkstoffen lassen sich die Fasern im Bauteil zudem gezielt auszurichten, um die mechanischen Eigenschaften zu steigern.

Verfahrenskombination ermöglicht hochaufgelöste Mikrobauteile

Um sowohl Produktivität als auch Detailtreue bei der additiven Fertigung von Mikrobauteilen aus Kunststoff zu erzielen, wurde am Fraunhofer ILT ein neuartiger 3D-Drucker entwickelt. Er vereint die schnelle flächige Belichtung des scrolling Digital Light Processing mit dem hochaufgelösten Laserprozess der Multiphotonenpolymeriation. Dabei kann während des schichtweisen Aufbaus eines Bauteils mehrmals zwischen beiden Druckverfahren gewechselt werden. Zu den potenzielle Anwendungen gehören mikrofluidische Chips für Labordiagnostik und Schnelltests, mikromechanische Bauteile und komplette Mikrofluidiksysteme für eine effiziente Point-of-Care-Diagnostik.

Der HoPro-3D genannte 3D-Drucker besitzt zwei wählbare Belichtungssysteme: eines für hohe Aufbauraten (scrolling DLP) und eines für hohe Präzision (MPP). Das DLP-Modul mit einer Wellenlänge von 365 Nanometern soll die Basisstrukturen eines Mikrobauteils mit einer Pixelauflösung von zehn Mikrometern belichten. Ergänzend können mit einem Femtosekundenlaser und dem MPP-Modul Konturlinien mit einer Auflösung von etwa zwei Mikrometern geschrieben werden. Durch das schichtweise Vorgehen sei es dabei möglich, feinste MPP-Strukturen auf bereits gedruckten DLP-Strukturen aufzubauen. Ein Wechsel zwischen beiden Belichtungsmodulen soll reibungslos möglich sein. So können kleinere Funktionselemente direkt in größere Bauteile integriert werden. Die gesteigerte Präzision des MPP-Prozesses ermöglicht hier eine hohe lokale Funktionsdichte.

Netzartige Druckplatte optimiert den FDM-3D-Druck

Bislang wird beim extrusionsbasierten 3D-Druck Kunststoff auf beheizte Metallplatten aufgetragen und lagenweise in Form gebracht. Oft löst sich das Material vom Druckbett und die Produktion muss abgebrochen werden. Das Start-up „FLIPoQ“ der Hochschule Darmstadt hat jetzt eine neuartige Druckunterlage entwickelt, die den extrusionsbasierten 3D-Druck-Prozess optimiert. Aufgrund ihrer Webrahmen-Netzstruktur kann das 3D-gedruckte Bauteil besser auf der Bauplattform haften. Dabei wird das Netz der stützenden Unterlage aus demselben Material hergestellt wie das zu fertigende Bauteil.

Der Fertigungsprozess verläuft so: Die netzartige Druckunterlage wird als Erstes bauteilindividuell per FDM-Druck erzeugt. Der Kunststoff wird dabei exakt in den Aussparungen abgelegt, die in der Druckplatte vorhanden sind und spannt sich selbst. Diese Netzspannung durch Schwindung ist ein wichtiger Effekt um freitragend fertigen zu können. Dann erfolgt der extrusionsbasierte additive Aufbau des Bauteils direkt auf der Netzstruktur. Durch die Möglichkeit, die komplette Bauplattform umzudrehen, kann das Bauteil auch von beiden Seiten „wachsen“. Bei durchdachter Anordnung der Unterlage in Bezug auf die Geometrie des Bauteils können so Überhänge vermieden werden. Das bedeutet weniger Stützmaterial für die Produktion. Das Netz kann zum Schluss je nach Struktur und Anzahl der Berührungspunkte händisch durch ziehen abgetrennt werden. Bei stärkeren Netzstrukturen ist ein Seitenschneider oder Cuttermesser nötig.

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