Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens

Einführung

3D-Druck oder Additive Fertigung ist ein Oberbegriff, der mehrere Prozesse umfasst. Jedes 3D-Druckverfahren hat seine Vor- und Nachteile und jedes ist für bestimmte Anwendungen besser geeignet als für andere.

In diesem Artikel stellen wir mehrere benutzerfreundliche Tools vor, die Ihnen bei der Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens für Ihre Anforderungen helfen. Verwenden Sie die folgenden Grafiken und Tabellen als schnelle Referenz, um den Prozess zu identifizieren, der Ihre Designanforderungen am besten erfüllt.

Wir sind die Prozessauswahl aus drei verschiedenen Blickwinkeln angegangen:

• Das benötigte Material ist bereits bekannt
  
• Die Eigenschaften des Endteils (physisch oder visuell) sind bereits definiert
  
• Bestimmte Prozessfähigkeiten (Genauigkeit, Baugröße usw.) sind erforderlich
  
  

Um die Informationen in diesem Artikel für den Leser umsetzbar und in der sich ständig weiterentwickelnden 3D-Drucklandschaft immer relevant zu machen, wurden einige allgemeine Verallgemeinerungen eingeführt, die bei Bedarf in jedem Abschnitt erörtert werden.

Auswahl eines Prozesses nach Material

3D-Druckmaterialien liegen normalerweise in Filament-, Pulver- oder Harzform vor (abhängig von den verwendeten 3D-Druckverfahren). Polymere (Kunststoffe) und Metalle sind die beiden Hauptmaterialgruppen für den 3D-Druck, während andere Materialien (wie Keramik oder Verbundwerkstoffe) ebenfalls verfügbar sind. Polymere können weiter in Thermoplaste und Duroplaste unterteilt werden.

Wenn das benötigte Material bereits bekannt ist, ist die Auswahl eines 3D-Druckverfahrens relativ einfach, da nur wenige Technologien Teile aus den gleichen Materialien herstellen. In diesen Fällen wird der Auswahlprozess in der Regel zu einem Kosten-Eigenschafts-Vergleich.

Thermoplaste:

Thermoplaste sind am besten für funktionale Anwendungen geeignet, einschließlich der Herstellung von Endverbrauchsteilen und funktionalen Prototypen.

Sie haben gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Stoß-, Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit. Sie können auch mit Kohlenstoff, Glas oder anderen Additiven gefüllt werden, um ihre physikalischen Eigenschaften zu verbessern. 3D-gedruckte technische Thermoplaste (wie Nylon, PEI und ASA) werden häufig zur Herstellung von Endverbrauchsteilen für industrielle Anwendungen verwendet.

SLS-Teile haben bessere mechanische und physikalische Eigenschaften und eine höhere Maßgenauigkeit, aber FDM ist wirtschaftlicher und hat kürzere Lieferzeiten.

	Typische Thermoplaste für den 3D-Druck
SLS	Nylon (PA), TPU
FDM	PLA, ABS, PETG, Nylon, PEI (ULTEM), ASA, TPU

Die folgende Pyramide zeigt die gängigsten thermoplastischen Materialien für den 3D-Druck. Als Faustregel gilt:Je höher ein Material in der Pyramide steht, desto besser sind seine mechanischen Eigenschaften und desto schwieriger ist es im Allgemeinen zu drucken (höhere Kosten):

Duroplaste (Harze):

Duroplaste (Harze) eignen sich besser für Anwendungen, bei denen Ästhetik wichtig ist, da sie Teile mit glatten, spritzgussähnlichen Oberflächen und feinen Details herstellen können.

Im Allgemeinen haben sie eine hohe Steifigkeit, sind aber spröder als Thermoplaste, sodass sie für funktionelle Anwendungen nicht geeignet sind. Es sind Spezialharze erhältlich, die für technische Anwendungen (die die Eigenschaften von ABS und PP nachahmen) oder Zahneinsätze und Implantate entwickelt wurden.

Material Jetting produziert Teile mit überlegener Maßgenauigkeit und im Allgemeinen glatteren Oberflächen, aber zu höheren Kosten als SLA/DLP. Beide Verfahren verwenden ähnliche lichthärtbare Harze auf Acrylbasis.

	Typische Duroplaste (Harze) für den 3D-Druck
Materialstrahlen	>Standardharz, digitales ABS, haltbares Harz (PP-ähnlich), transparentes Harz, Dentalharz
SLA/DLP	Standardharz, zähes Harz (ABS-ähnlich), haltbares Harz (PP-ähnlich), klares Harz, Dentalharz

Metalle:

Metall 3D-gedruckte Teile haben hervorragende mechanische Eigenschaften und können bei hohen Temperaturen betrieben werden. Die Freiformfähigkeiten des 3D-Drucks machen sie ideal für leichte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie in der medizinischen Industrie.

DMLS/SLM-Teile haben überlegene mechanische Eigenschaften und Toleranzen, aber Binder Jetting kann bis zu 10x billiger sein und viel größere Teile produzieren.

	Typische Metalle für den 3D-Druck
DMLS/SLM	Edelstahl, Titan, Aluminium
Binder-Jetting	Edelstahl (bronzegefüllt oder gesintert)

Andere Materialien:

Andere Materialien können auch 3D-gedruckt werden, sind aber nicht so weit verbreitet, da ihre Anwendungen begrenzt sind. Zu diesen Materialien gehören Keramik und Sandstein in Vollfarbe mit Binder Jetting.

	Andere 3D-Druckmaterialien
Binder-Jetting	Sand, Keramik

Profi-Tipp:

Aufgrund der additiven Natur der Technologie haben 3D-gedruckte Teile oft anisotrope mechanische Eigenschaften, was bedeutet, dass sie in z-Richtung schwächer sind. Bei Funktionsteilen sollte diese Eigenschaft bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Sehen Sie sich beispielsweise in diesem Artikel an, wie die Eigenschaften von SLS-Nylon im Vergleich zu Bulk-Nylon sind.

Auswahl eines Prozesses nach Anwendungsfall

Es ist wichtig, früh im Auswahlprozess zu bestimmen, ob die Hauptüberlegung beim Design die Funktion ist oder visuelle Erscheinung . Dies wird bei der Auswahl des am besten geeigneten Prozesses sehr hilfreich sein.

Als Faustregel gilt, dass thermoplastische Polymerteile besser für funktionale Anwendungen geeignet sind, während Duroplaste am besten für das optische Erscheinungsbild geeignet sind.

Funktionalität:

Das folgende Flussdiagramm kann Ihnen helfen, das am besten geeignete 3D-Druckverfahren basierend auf allgemeinen Designanforderungen für Funktionsteile und Prototypen zu identifizieren.

Hier sind einige weitere Details:

• Bei der Konstruktion eines Teils oder Prototyps, der andere Komponenten stört, ist es wichtig, das erforderliche Toleranzniveau zu definieren . Als Faustregel gilt, dass die Auswahl eines Prozesses mit höherer Maßgenauigkeit die Kosten erhöht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, Merkmale mit kritischen Abmessungen oder kleinen Details nach dem 3D-Druck fertigzustellen (z. B. durch Bohren von Löchern oder Gewindeschneiden).
  
• Die Gesamtfestigkeit des Teils hängt von verschiedenen mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab. Zur Vereinfachung der Auswahl kann die Materialzugfestigkeit als Orientierung herangezogen werden. Bei hoher Festigkeit und Steifigkeit erforderlich sind, sind Metall-3D-Druck oder FDM-Druck verstärkt mit Endlos-Carbonfasern die besten Lösungen.
  
• Materialien für den technischen 3D-Druck sind mit besonderen Eigenschaften erhältlich B. Hitzebeständigkeit, Flammbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit oder die als biokompatibel oder lebensmittelecht zertifiziert sind.
  
• Flexibilität kann entweder als hohe Bruchdehnung definiert werden, wo Thermoplaste wie TPU in SLS und FDM verfügbar sind, oder als geringe Härte, wo Materialien mit einem gummiartigen Gefühl für SLA/DLP und Material Jetting verfügbar sind.
  
  

Visuelles Erscheinungsbild:

Wenn das optische Erscheinungsbild im Vordergrund steht, kann die Auswahl des 3D-Druckverfahrens mithilfe des folgenden Flussdiagramms vereinfacht werden.

Hier sind einige weitere Informationen:

• Sowohl SLA/DLP als auch Material Jetting können Teile mit glatter, spritzgussähnlicher Oberflächenbeschaffenheit herstellen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Verfahren (abgesehen von den Kosten) besteht darin, dass die Unterstützung beim Material Jetting löslich ist, während sie beim SLA/DLP nach dem Drucken manuell entfernt werden muss, was kleine Spuren auf der Oberfläche hinterlässt, die nachbearbeitet werden müssen ( geschliffen oder poliert).
  
• Material Jetting produziert vollständig transparente Teile, während SLA/DLP-Teile halbtransparent gedruckt werden und nachbearbeitet werden können, um nahezu 100 % optisch klar zu sein.
  
• Teile mit besonderer Textur, wie z. B. einer holzähnlichen oder metallähnlichen Oberfläche, können mit Woodfill- oder Metalfill-FDM-Filamenten gedruckt werden. Gummiähnliche Teile sind weich (Shore-Härte <70 A) und können sich verbiegen und komprimieren, haben aber die Leistung von echtem Gummi.
  
• Material Jetting und Binder Jetting sind die einzigen 3D-Druckverfahren, die derzeit Vollfarbdruckfunktionen bieten. Material Jetting hat den Vorteil, dass es Materialien mit besseren physikalischen Eigenschaften sowie Multi-Material-Fähigkeiten bietet. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Modelle nach dem Drucken zu grundieren und zu lackieren oder einen FDM-Drucker mit dualer Extrusionsfunktion zu verwenden (nur für zwei Farben).
  
  

Auswahl eines Prozesses nach Fertigungskapazitäten

Wenn das Modelldesign bereits abgeschlossen ist, spielen die Fähigkeiten der einzelnen 3D-Drucktechnologien oft die Hauptrolle bei der Prozessauswahl.

Es ist wichtig, einen Überblick über die grundlegenden Mechanismen jedes Prozesses zu haben, um ihre wichtigsten Vorteile und Einschränkungen vollständig zu verstehen. Lesen Sie dazu die speziellen Einführungsartikel zu jeder Technologie im folgenden Kapitel der Wissensdatenbank.

Hier sind einige praktische Regeln, die Ihnen bei der Interpretation der Daten helfen:

• Maßgenauigkeit hängt mit dem Detailgrad zusammen, den jeder Prozess erreichen kann, und der Bauqualität jedes 3D-Druckers. Prozesse, die eine höhere Genauigkeit bieten, können normalerweise Teile mit feineren Merkmalen erzeugen. Maschinen in Industriequalität haben eine höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit als Desktop-Drucker.
  
• Die Baugröße bestimmt die maximalen Abmessungen eines Teils, die ein Drucker produzieren kann. Erwägen Sie für Komponenten, die die typische Baugröße überschreiten, die Migration auf eine alternative Technologie oder die Aufteilung des Teils in mehrere Komponenten, die später zusammengebaut werden können.
  
• Der Bedarf an Unterstützungsstrukturen bestimmt die Gestaltungsfreiheit. Prozesse, die keine Unterstützung erfordern, wie SLS, oder auflösbare Unterstützung, wie Material Jetting oder Dual-Extrusion, haben weniger Einschränkungen und können einfacher Freiformstrukturen herstellen.
  
  

	Maßgenauigkeit	Typische Baugröße	Unterstützung
FDM	± 0,5 % (Untergrenze ± 0,5 mm) – Desktop ± 0,15 % (Untergrenze ± 0,2 mm) – Industrie	200 x 200 x 200 mm für Desktop-Drucker Bis zu 900 x 600 x 900 mm für Industriedrucker	Nicht immer erforderlich (auflösbar verfügbar)
SLA/DLP	± 0,5 % (Untergrenze:± 0,10 mm) – Desktop ± 0,15 % (Untergrenze:± 0,05 mm) – Industrie	145 x 145 x 175 mm für Desktop bis zu 1500 x 750 x 500 mm für Industriedrucker	Immer erforderlich
SLS	± 0,3 % (Untergrenze:± 0,3 mm)	300 x 300 x 300 mm (bis zu 750 x 550 x 550 mm)	Nicht erforderlich
Materialstrahlen	± 0,1 % (Untergrenze von ± 0,05 mm)	380 x 250 x 200 mm (bis zu 1000 x 800 x 500 mm)	Immer erforderlich (immer auflösbar)
Binder-Jetting	± 0,2 mm (± 0,3 mm für Sanddruck)	400 x 250 x 250 mm (bis zu 1800 x 1000 x 700 mm)	Nicht erforderlich
DMLS/SLM	± 0,1 mm	250 x 150 x 150 mm (bis zu 500 x 280 x 360 mm)	Immer erforderlich

Ebenenhöhe

Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Auswahl einer Technologie ist die Auswirkung der Schichthöhe.

Aufgrund der additiven Natur des 3D-Drucks bestimmt die Schichthöhe die Glätte der Oberfläche im Druckzustand und der minimalen Merkmalsgröße ein Drucker produzieren kann (in z-Richtung). Die Verwendung einer geringeren Schichthöhe macht auch den Treppenstufeneffekt weniger ausgeprägt und trägt dazu bei, genauere gekrümmte Oberflächen zu erzeugen .

	Typische Schichtdicke
FDM	50 - 400 μm (am häufigsten:200 μm)
SLA/DLP	25 - 100 μm (am häufigsten:50 μm)
SLS	80 - 120 μm (am häufigsten:100 μm)
Materialstrahlen	16 - 30 μm (am häufigsten:16 μm)
Binder-Jetting	100 μm
DMLS/SLM	30 - 50 μm

Faustregeln

• Bestimmen Sie frühzeitig im Auswahlprozess, ob Funktionalität oder optisches Erscheinungsbild an erster Stelle stehen.
  
• Wenn mehr als ein Prozess Teile aus demselben Material herstellen kann, wird der Auswahlprozess zu einem Kosten-Eigenschafts-Vergleich.
  
• Bevorzugen Sie für funktionelle Polymerteile Thermoplaste (SLS oder FDM) gegenüber Duroplasten.
  
• Für das optische Erscheinungsbild und die Ästhetik sind Duroplaste (SLA/DLP oder Material Jetting) die beste Option.
  
• Wählen Sie für Metallteile DMLS/SLM für Hochleistungsanwendungen und Binder Jetting für niedrigere Kosten und größere Teile.
  
• Für funktionelle Teile aus Metall oder Kunststoff ziehen Sie auch die CNC-Bearbeitung in Betracht.