3D-Fertigung – 5 Druckverfahren mit verschiedenen Materialien

3D Fertigung

Die Fertigung mittels 3D-Druck wird additive Fertigung genannt und ist in verschiedenen Branchen, beispielsweise in der Medizin- und Raumfahrttechnik, auf dem Vormarsch. Besonders oft kommt die 3D-Fertigung daneben zur Herstellung von Prototypen zum Einsatz. Während insbesondere Polymer ein beliebter Ausgangsstoff ist, wird heute auch häufig Metall auf diese Weise verarbeitet. Der folgende Artikel beleuchtet fünf verschiedene additive Fertigungsverfahren, welche die Verwendung von davon abweichenden Materialien möglich machen.

Autor: Thomas W. Frick, 17.12.2019, Thema: 3D Fertigung

#1: 3D-Fertigung per CFF – Continous Filament Fabrication

3D Fertigung CFFBeim CFF-Verfahren werden zwei verschiedene Düsen in einem Druckkopf kombiniert. Man spricht hier von einem Zweifach-Extrudersystem, welches sich aus den Drucktechniken CFF und FFF (Fused Filament Fabrication) zusammensetzt. Während die erste Düse Hülle und Kernkonstruktion des späteren Bauteils erarbeitet, fügt die zweite kontinuierlich verstärkende Fasern ein. Diese Fasern sind von Kunststoff umgeben, werden erhitzt und somit vor dem schichtweisen Auftragen formbar gemacht. Ein integriertes Schneidwerk trennt die Endlosfasern, die über eine Spule abgewickelt werden, zu jedem Bahnende ab. Grundsätzlich kommen die Faserstoffe Carbon, Kevlar und Glasfaser infrage. Besonders gerne wird die Kohlefaser im Verbund mit Polymer verwendet, da sich daraus ein extrem fester Werkstoff schaffen lässt, der dennoch mit Leichtigkeit punktet. Der Nachteil: Aufgrund eines Patents lassen sich die Druckdrüsen lediglich mit Stoffen der Firma Markforged befüllen. Mit dem in sich geschlossenen Drucksystem können verschiedene Füllstrategien verfolgt werden, wobei auch sehr komplexe geometrische Konstruktionen möglich sind.

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#2: 3D-Fertigung per PEM – Paste Extrusion Modeling

Mittels PEM können sämtliche Materialien mit einer pastösen Konsistenz verarbeitet werden. Die Paste wird jeweils aus einer Düse durch einen Druckkopf gepresst und schichtweise aufgetragen. Das Vorgehen ist selektiv lokal. Sprich: Das Material landet ganz gezielt nur dort, wo es für das spätere Bauteil benötigt wird. Die Dosierung erfolgt dabei entweder per Pumpeinheit oder per Kolbendüse. Nach jeder aufgebrachten Schicht setzt sich der Arbeitsuntergrund um die Breite einer Schicht ab, um Patz für die nächste zu machen. PEM erlaubt die Verarbeitung verschiedenster pastöser Materialien, zum Beispiel Alumina oder Methyl-Cellulose.

#3: 3D-Fertigung per BJ – Binder Jetting

3D Fertigung BJBeim Binder Jetting kommt ein sogenannter Binder, also ein Bindemittel, zum Einsatz. Dabei handelt es sich um spezielle Klebstoffe, die eine zentrale Rolle bei diesem Verfahren der 3D-Fertigung spielen. Das Material, aus dem das spätere Bauteil aufgebaut werden soll, muss in Pulverform vorliegen. Eine Rolle trägt eine dünne Pulverschicht auf, bevor der Druckkopf auf Tintenstrahl-Basis den Klebstoff an den Stellen aufträgt, die zum späteren Bauteil gehören. Schicht für Schicht entsteht so ein Werkteil, das ganz ohne Stützkonstruktion auskommt. Warum? Ganz einfach: Es wird während des kompletten Prozesses vom umliegenden Pulver gestützt. Da die Bauteile, die so entstehen, mechanische Defizite aufweisen, werden sie häufig weiterverarbeitet, zum Beispiel gesintert. Generell gilt das Binder Jetting als vergleichsweise schnelle und kostengünstige Option der 3D-Fertigung. Ein klarer Vorteil ist die Tatsache, dass sich jedes Material, das zu Pulver verfeinert werden kann, verarbeiten lässt. Aus diesem Grund ist auch die Produktion farbiger Bauteile kein Problem. Aufgrund der bereits angesprochenen mechanischen Mankos, wird das BJ-Verfahren zumeist zum Prototypenbau sowie zur Herstellung von Grünteilen und Urmodellen für den Guss eingesetzt.

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#4: 3D-Fertigung per DOD – Drop On Demand

3D Fertigung DODStrenggenommen zählt Binder Jetting zu den Drop-on-Demand-Verfahren. Diese Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass ein Stoff durch feine Düsen gepresst und als Tröpfchen aufgebracht wird, was beim BJ-Verfahren im Falle des Klebstoffes zutrifft. Generell eignen sich im Rahmen von DOD-Verfahren hauptsächlich Wachse und wachsartige Werkstoffe. Ein spannendes Beispiel ist das sogenannte “Material Jetting”. Dabei wird lichtempfindliches Polymer aufgetragen und direkt durch UV-Einstrahlung erhärtet. Recht neu ist dagegen die Verwendung von Silikonen im DOD-Verfahren, doch auch dies ist mittlerweile möglich. DOD-Systeme kommen vor allem dort infrage, wo eine hohe Detailgenauigkeit gefragt ist.

#5: 3D-Fertigung per SDL – Selective Deposition Lamination

Das SDL-Verfahren unterscheidet sich in vielerlei Hinsicht drastisch von allen übrigen Möglichkeiten der 3D-Fertigung. Hier kommen nicht etwa Metalle oder Kunststoffe, sondern handelsübliches Papier zum Einsatz. Dieses wird schichtweise aufgestapelt, wobei die Schichten dort, wo das spätere Werkteil entsteht, miteinander verklebt werden. Ein Laser schneidet die Papierbahnen Schicht für Schicht zurecht. Klar ist, dass so erarbeitete Bauteile nicht gerade durch Festigkeit und Widerstandsfähigkeit punkten. Dafür ist das Material Papier vergleichsweise enorm günstig zu beschaffen.

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