Die 7 Kernverfahren der additiven Fertigung entdecken

Additive Fertigung (AM), auch 3D-Druck genannt, baut Teile aus einem CAD-generierten 3D-Modell, indem einzelne Materialschichten hinzugefügt und miteinander verschmolzen werden. AM entstand 1987 und wächst stetig, in jüngster Zeit mit großen Sprüngen. Da Unternehmen neue AM-Verfahren erfinden und einführen, schaffen sie oft einzigartige Marketingbegriffe für ihren Prozess, obwohl die Kernverfahren ähnlich sind. Unterschiedliche Namen für ähnliche Methoden führen leicht zu Marktverwirrung. In diesem Beitrag identifizieren wir die Kernverfahren und ihre Vor- und Nachteile.

Nach ISO/ASTM-Standards unterteilt AM die Verfahren zur Schichterstellung in sieben Kategorien, von denen die ersten vier für Metalle geeignet sind.

1. Binder Jetting
2. Directed Energy Deposition
3. Powder Bed Fusion
4. Sheet Lamination
5. Material Extrusion
6. Material Jetting
7. Vat Photopolymerization

1. Binder Jetting

Einzigartig in der AM, da es keine Hitze beim Materialfusionsprozess verwendet. Ein Bindemittel (Flüssigkeit) wird selektiv abgelagert, um das Pulvermaterial zu verbinden und das 3D-Teil zu bilden. Je nach Pulverart, System oder Kundenanforderungen wird die Art des Bindemittels gewählt. Der Prozess: Pulvermaterial wird per Roller auf der Bauplattform verteilt, der Druckkopf trägt das Bindemittel auf die festgelegten Stellen auf. Die Bauplattform senkt sich für die nächste Schicht, der Vorgang wiederholt sich bis zur Fertigstellung. Ungebundenes Pulver wird entfernt.

Vorteile:

• Teile in verschiedenen Farben möglich
• Materialvielfalt: Metalle, Polymere, Keramik
• Schnellerer AM-Prozess
• Kein Verzug oder Schrumpfen der Teile
• Weniger Abfall durch Wiederverwendung ungenutzten Pulvers
• Zwei-Material-Methode ermöglicht verschiedene Bindemittel-Pulver-Kombinationen

Nachteile:

• Teile erfordern Nachbearbeitung, was signifikant Zeit hinzufügt
• Geringe Festigkeit, nicht immer für Strukturteile geeignet
• Weniger präzise als Material Jetting

2. Directed Energy Deposition (DED)

DED erzeugt 3D-Objekte durch Aufschmelzen und Auftragen von pulver- oder drahtbasierten Materialien aus einer fokussierten thermischen Energiequelle (Laser, Elektronenstrahl, Plasmalichtbogen). Obwohl der Prozess Metall-, Keramik- und Polymerteile herstellen kann, wird er hauptsächlich für Metallteile und in Hybrid-Fertigung eingesetzt, wo das bewegliche Substratbett komplexe Formen ermöglicht. DED wird auch als Laser Metal Deposition (LMD), 3D Laser Cladding oder Direct Light Fabrication bezeichnet. Basierend auf der Funktionsweise wird es 주로 für Reparatur oder Aufarbeitung bestehender Teile durch gezielten Materialauftrag genutzt.

Vorteile:

• Starke, dichte Teile
• Hohe Aufbaugeschwindigkeiten
• Materialeinsparung
• Materialvielfalt: Metall, Keramik, Polymer
• Einfacher Materialwechsel
• Kundenspezifische Legierungen möglich
• Teile nahe Endkontur (near net shape)
• Große Bauteile möglich

Nachteile:

• Hohe Systemkapitalkosten
• Geringere Auflösung → schlechtere Oberflächenqualität, Nachbearbeitung nötig
• Stützstrukturen während des Aufbaus nicht nutzbar

3. Powder Bed Fusion (PBF)

PBF hat vier Energiekategorien: Laser, Elektronenstrahl, Agent+Energie, thermisch. Die Energiequelle schmilzt Kunststoff- oder Metallpulverpartikel, die in einem Muster erstarren und verschmelzen. Der Prozess nutzt zwei Kammern (Bau- und Pulverkammer) und einen Beschichtungsroller. Zum Erzeugen: Roller verteilt Pulver im Baukammer zu einer dünnen Schicht. Manche Prozesse nutzen Schaber, Messer oder Nivellierroller für gleichmäßige Schichtdicke. Dann schmilzt die Energiequelle die oberste Schicht. Nach Scan und Fusion senkt sich die Bauplattform inkrementell, gleichzeitig hebt sich die Pulverkammer um denselben Betrag – Wiederholung bis zur Fertigstellung.

Vorteile:

• Niedrige Maschinenkosten
• Keine oder minimale Stützstrukturen nötig
• Materialvielfalt
• Mehrere Materialien nutzbar
• Pulverrecycling möglich

Nachteile:

• Lange Druckzeiten
• Zusätzliche Nachbearbeitungszeit
• Schwächere strukturelle Eigenschaften
• Oberflächenstruktur schwankt
• Stützbauplatte evtl. nötig gegen Verzug
• Druckgeschwindigkeit bestimmt Pulverrecyclingfähigkeit
• Thermischer Verzug, 주로 bei Polymerteilen
• Hoher Energieverbrauch

4. Sheet Lamination

AM, das 3D-Objekte durch Stapeln und Laminieren dünner Materialschichten durch Kleben, Ultraschallschweißen oder Löten erstellt. Für die Endform wird Laserschneiden oder CNC-Bearbeitung genutzt. Von allen AM-Technologien liefert diese die geringste additive Auflösung/Detailgenauigkeit, bietet aber niedrige Kosten und schnelle Fertigungszeit für Rapid Prototyping mit leicht verfügbaren, günstigen Materialien.

Sheet Lamination lässt sich in sieben Typen unterteilen:

• Laminated Object Manufacturing (LOM)
• Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM)
• Plastic Sheet Lamination (PSL)
• Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials (CAM-LEM)
• Selective Deposition Lamination (SDL)
• Composite Based Additive Manufacturing (CBAM)
• Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)

Die Typen unterscheiden sich leicht, das Prinzip ist gleich: Dünnes Materialblatt wird von Roller zugeführt oder auf Bauplattform gelegt. Nächste Schicht wird eventuell mit vorheriger verbunden (prozessabhängig). Schichtung bis zur Endhöhe. Entfernen des Druckblocks und aller unerwünschten Außenkanten vervollständigt das Objekt.

Vorteile:

• Relativ niedrige Kosten
• Großer Arbeitsbereich
• Vollfarbdruck
• Integrierbar als Hybrid-Fertigungssysteme
• Einfaches Materialhandling
• Mehrschichtige Materialkombination möglich
• Keine Stützstrukturen nötig
• Bei manchen Typen bleibt Materialzustand unverändert
• Schnellere Druckzeit, aber Nachbearbeitung nötig

Nachteile:

• Schichthöhe nur durch Blattdicke änderbar
• Oberflächen variieren nach Material, evtl. Nachbearbeitung
• Begrenzte Materialoptionen
• Entfernung von Überschussmaterial nach Laminierphase schwierig & zeitaufwendig
• Mehr Abfall im Vergleich zu anderen AM-Methoden
• Hohle Teile bei manchen Typen schwer herstellbar
• Verbindungsfestigkeit abhängig von Laminiertechnik

5. Material Extrusion

Beliebtester AM-Prozess für allgemeinen Verbraucherbedarf und Qualität: verwendet kontinuierlichen Filament aus Thermoplast oder Verbundwerkstoff zum Bau 3D-Teile. Material als Kunststofffilament wird durch Extrusionsdüse geführt, erhitzt und schichtweise auf Bauplattform abgelagert.

Vorteile:

• Große Materialauswahl
• Leicht verständliche Drucktechnik
• Benutzerfreundlicher Materialwechsel
• Niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten
• Schnellere Druckzeit für kleine, dünne Teile
• Drucktoleranz ±0,1 mm (±0,005″)
• Keine Überwachung nötig
• Kompakte Gerätegröße
• Niedrigtemperaturprozess

Nachteile:

• Sichtbare Schichtlinien
• Extrusionskopf in Dauerbewegung oder Materialbuckeln
• Stützstrukturen evtl. nötig
• Schwache Festigkeit in Z-Richtung
• Längere Druckzeit bei feinerer Auflösung und größeren Flächen
• Anfällig für Verzug und Temperaturschwankungen
• Giftige Druckmaterialien möglich

6. Material Jetting

Prozess, bei dem wachsartige Materialtröpfchen selektiv auf Bauplattform abgelagert werden. Material kühlt und erstarrt, sodass Schichten übereinander platziert werden können. Nach dem Bau werden Stützstrukturen mechanisch entfernt oder weggeschmolzen.

Vorteile:

• Hervorragende Genauigkeit und Oberflächenqualität
• Teile gut für Gussmodelle nutzbar

Nachteile:

• Begrenzte Anzahl wachsartiger Materialien
• Teile zerbrechlich durch wachsartiges Material
• Langsamer Bauprozess

7. Vat Photopolymerization

Verfahren zur Aushärtung von flüssigem Photopolymerharz in einem Behälter (Vat) Schicht für Schicht mittels UV-Laser zu harten Kunststoffteilen. Die drei gängigsten Typen: Stereolithografie, Digital Light Processing (DLP), Continuous Digital Light Processing (CDLP).

Vorteile:

• Hohe Genauigkeit und gute Oberfläche
• Relativ schneller Prozess
• Große Baubereiche

Nachteile:

• Relativ teuer
• Lange Nachbearbeitungszeit und Entnahme aus Harz
• Beschränkt auf Photopolymer-Materialien
• Kann nach Druck noch von UV-Licht beeinflusst werden
• Stützstrukturen und Nachhärtung evtl. nötig für strukturelle Festigkeit

Fazit

Da additive Fertigungsmaschinen für Werkstätten erschwinglicher werden, führen die Flexibilität in Design und Materialeigenschaften zu einer breiten Palette praktischer Anwendungen. Luftfahrt, Automobil und Medizintechnik profitieren alle von additiver Fertigung. Rapid Prototyping, Kleinserienfertigung und Reparaturfähigkeit sind einige Gründe für das Wachstum dieser Fertigungsart.