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Seit wann gibt es 3D Druck

 

Der 3D-Druck wurde 1983 von dem US-Amerikaner Chuck Hull erfunden. Hull hat seine 3D-Druck-Technologie als Stereolithografie bezeichnet und im Jahre 1986 die erste Patentanmeldung publiziert.

 

Was versteht man unter 3D Druck

 

Unter 3D-Drucken versteht man in erster Linie den Fertigungsprozess des Urformens. 3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. So verwendet z. B. der Flugzeughersteller Boeing in dem Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile. 3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. So verwendet z. B. der Flugzeughersteller Boeing in dem Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile.

 

Der 3D Druck als Fertigungsverfahren

 

Komplexe Serienteile direkt aus CAD-Daten und ohne Werkzeuge? Das klingt für viele immer noch nach Science Fiction oder Spielerei. Tatsächlich haben sich die Schichtbauverfahren für Prototypen, Serienteile und Werkzeuge in der herstellenden Industrie längst etabliert. Ob strahlgeschmolzene Titanteile für die Luftfahrtechnik, lasergesinterte Kunststoffimplantate in der Medizintechnik, oder gedruckte Sandgussformen in der Größe eines Sportwagens, der Fortschritt in diesem Bereich ist nicht mehr aufzuhalten. Additive (generative) Fertigungsverfahren ermöglichen neue Wege, wenn der Wettbewerb zu immer kürzeren Entwicklungszeiten drängt und gleichzeitig die Produktkomplexität und Nachfrage nach individuellen Produkten steigt.

 

Die verschiedenen Verfahren der 3D Drucker

 

Fused Deposition Modeling bezeichnet ein Fertigungsverfahren aus dem Bereich des Rapid Prototyping, mit dem ein Werkstück schichtweise aus einem schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut wird.  Dieses Verfahren basiert auf der Verflüssigung eines drahtförmigen Kunststoff- oder Wachsmaterials durch Erwärmung. Beim anschließenden Abkühlen erstarrt das Material. Der Materialauftrag erfolgt durch Extrudieren mit einer in der Fertigungsebene frei verfahrbaren Heizdüse. Die Schichtdicken liegen je nach Anwendungsfall zwischen 0,025-1,25 mm, die Wandstärke mindestens bei 0,2 mm. Bei der schichtweisen Modellherstellung verbinden sich damit die einzelnen Schichten zu einem komplexen Teil.

 

Film Transfer Imaging (FTI) Bei diesem Verfahren wird das Material mit Hilfe eines Beamers, anstelle des beim STL eingesetzten Lasers, gehärtet. Auch das Kunststoff-Bad entfällt, dafür wird beim Film Transfer Imaging eine Transportfolie eingesetzt. Auf dieser Folie wird ein Film des verwendeten Materials aufgetragen, durch die Folie belichtet und so ausgehärtet. Danach wird das Objekt von der Folie gehoben, ein Rakel verteilt das Material auf der Folie und das Objekt wird wieder abgesenkt. Dann folgt wieder die Belichtung und der Arbeitsschritt beginnt von vorn. Die Belichtung härtet also nur die Stellen aus, auf der das Objekt entstehen soll. Entwickelt wurde es von der Firma 3D Systems.

 

Multi-Jet Modeling (MJM) bezeichnet ein Verfahren des Rapid Prototyping, bei dem ein Modell durch einen Druckkopf mit mehreren linear angeordneten Düsen, der ähnlich wie der Druckkopf eines Tintenstrahldruckers funktioniert, schichtweise aufgebaut wird. Aufgrund der geringen Größe der mit diesen Systemen erzeugten Tröpfchen können auch feine Details dargestellt werden. Eine Druckauflösung von 450 dpi und besser ist technisch möglich. Um Überhänge fertigen zu können, sind Stützkonstruktionen nötig. Diese werden – je nach Hersteller – massiv aus einem niedriger schmelzenden Wachs oder in Form nadelartiger Stützen aus dem Modellwerkstoff aufgebaut. Als Modellwerkstoff finden häufig UV-empfindliche Photopolymere Anwendung. Diese Rohmaterialien in Form von Monomeren werden unmittelbar nach dem „Aufdrucken“ auf die bereits vorhanden Schichten mittels UV-Licht polymerisiert und dabei vom flüssigen Ausgangszustand in den festen Endzustand überführt.

 

Stereolithografie (SLA) bezeichnet ein Vertigungsverfahren wo ein lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer), zum Beispiel Epoxidharz, von einem Laser in dünnen Schichten (Standardschichtstärke im Bereich 0,05-0,25 mm  ausgehärtet wird. Die Prozedur geschieht in einem Bad, welches mit den Basismonomeren des lichtempfindlichen (photosensitiven) Kunststoffes gefüllt ist. Nach jedem Schritt wird das Werkstück einige Millimeter in die Flüssigkeit abgesenkt und auf eine Position zurückgefahren, die um den Betrag einer Schichtstärke unter der vorherigen liegt. Der flüssige Kunststoff über dem Teil wird dann durch einen Wischer gleichmäßig verteilt. Dann fährt ein Laser, der von einem Computer über bewegliche Spiegel gesteuert wird, auf der neuen Schicht über die Flächen, die ausgehärtet werden sollen. Nach dem Aushärten erfolgt der nächste Schritt, so dass nach und nach ein dreidimensionales Modell entsteht.

 

Selektives Lasersintering (SLS) ein generatives Schichtbauverfahren: das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, z. B. Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen. Wegen des hohen maschinellen Aufwands und insbesondere der vom generierten Volumen abhängenden Prozesszeiten werden die Verfahren besonders zum Fertigen von Prototypen und kleinen Stückzahlen komplizierter Teile verwendet. Der Trend geht allerdings dahin, die Technologie auch als Rapid-Manufacturing- bzw. Rapid Tooling-Verfahren zur schnellen Erzeugung von Werkzeugen und von Funktionsbauteilen zu nutzen. Als Beispiel sind hier Zahnkäppchen zu nennen, die mittlerweile in großer Stückzahl preiswert hergestellt werden. Grundvoraussetzung ist, dass die Geometriedaten des Produktes dreidimensional vorliegen und als Schichtdaten verarbeitet sind. Bei der Herstellung von Gießformen muss zuerst aus den Geometriedaten ein Gussmodell hergestellt werden, das u. a. das Schwinden des abkühlenden Metalles und andere gießereitechnische Anforderungen berücksichtigt. Aus den vorliegenden CAD-Daten des Bauteils (üblicherweise im STL-Format) erzeugt man durch sogenanntes „Slicen“ zahlreiche Schichten. Meist kommt als Laser ein CO2-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser zum Einsatz. Der pulverförmige Werkstoff ist beispielsweise Polyamid 12 oder ein anderer Kunststoff, ein kunststoffbeschichteter Formsand, ein Metall- oder ein Keramikpulver. Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig in einer Dicke von 0,001 bis 0,2 mm aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Schichtkontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Das Pulver wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in der Rakel zur Verfügung gestellt. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikale Richtung, dadurch ist es möglich, auch hinterschnittene Konturen zu erzeugen. Die Energie, die vom Laser zugeführt wird, wird vom Pulver absorbiert und führt zu einem lokal begrenzten Sintern von Partikeln unter Reduktion der Gesamtoberfläche.