Die sieben Arten der additiven Fertigung verstehen

Additive Manufacturing (AM), auch bekannt als 3D-Druck, baut Teile durch ein CAD-generiertes 3D-Modell, indem einzelne Materialschichten hinzugefügt und die Schichten miteinander verschmolzen werden. AM entstand erstmals 1987 und ist seitdem stetig gewachsen, mit weiteren Sprüngen und Grenzen in den letzten Jahren. Wenn Unternehmen neue AM-Techniken erfinden und einführen, neigen sie dazu, einzigartige Marketingbegriffe für ihren Prozess zu schaffen, obwohl die Kerntechniken ähnlich sind. Unterschiedliche Bezeichnungen für ähnliche Methoden können auf dem Markt leicht zu Verwirrung führen. In dem Beitrag werden wir die Kerntechniken und ihre Vor- und Nachteile identifizieren.

Gemäß den ISO/ASTM-Standards unterteilt AM die Techniken, die zum Erstellen der Schichten verwendet werden, in sieben Kategorien, von denen die ersten vier auf der Liste für Metalle geeignet sind.

1. Bindemitteldüsen
2. Gezielte Energiedeposition
3. Pulverbettfusion
4. Blattlaminierung
5. Materialextrusion
6. Materialstrahlen
7. Becken-Photopolymerisation

1. Binderdüsen

Einzigartig in AM, da es während des Materialschmelzprozesses keine Wärme verwendet. Eine Bindeflüssigkeit oder ein Binder wird selektiv aufgebracht, der das Pulvermaterial zusammenfügt, um das 3D-Teil zu bilden. Abhängig von der Art des Pulvers, dem verwendeten System oder den Anforderungen der Kundenanwendung wird die Auswahl der Binderart bestimmt. Der Prozess beginnt damit, dass das Pulvermaterial mithilfe einer Walze über die Bauplattform verteilt wird und der Druckkopf das Bindemittel an den angegebenen Stellen auf das Pulver aufträgt. Die Bauplattform wird abgesenkt, um Platz für die nächste Schicht zu schaffen, und der Vorgang wiederholt sich, bis das Element fertig ist. Ungebundenes Pulver wird entfernt.

Vorteile des Binder Jetting

• Fähigkeit, Teile mit einer Reihe verschiedener Farben herzustellen
• Verwendet eine Reihe von Materialien:Metall, Polymere und Keramik
• Schnellerer AM-Prozess
• Kein Verziehen oder Schrumpfen von Teilen
• Weniger Abfall durch Wiederverwendung von nicht verwendetem Pulver
• Verfügt über eine Zwei-Material-Methode, die verschiedene Bindemittel-Pulver-Kombinationen ermöglicht

Nachteile des Binder Jetting

• Teile erfordern eine Nachbearbeitung, was den Gesamtprozess erheblich zeitaufwändiger macht
• Geringe Bauteilfestigkeit, nicht immer für Strukturteile geeignet
• Weniger genau als Material Jetting

2. Directed Energy Deposition (DED)

DED erstellt 3D-Objekte durch Schmelzen und Abscheiden von entweder pulverbasierten oder drahtbasierten Materialien aus einer fokussierten thermischen Energiequelle, einschließlich Laser, Elektronenstrahl oder Plasmabogen. Während das Verfahren Metall-, Keramik- und Polymerteile herstellen kann, wird es hauptsächlich für Metallteile und in der hybrideren Fertigung verwendet, bei der das Substratbett beweglich ist, um komplexe Formen zu erzeugen. DED wird aufgrund der unterschiedlichen Verwendung von Energiequellen und der Endverwendung auch als Laser Metal Deposition (LMD), 3D-Laserauftragschweißen oder Direktlichtherstellung bezeichnet. Schließlich wird es je nach Funktionsweise des Prozesses hauptsächlich zum Reparieren oder Überholen vorhandener Teile verwendet, indem bei Bedarf Material hinzugefügt wird.

Vorteile von DED

• Starke und dichte Teile
• Schnelle Erstellungsraten
• Reduzierung der Materialverschwendung
• Bereich der Materialauswahl:Metall, Keramik und Polymer
• Materialien lassen sich leicht auswechseln
• Fähigkeit, Teile mit kundenspezifischen Legierungen herzustellen
• Teile, die nahezu in Netzform gebaut sind
• Fähigkeit, größere Teile zu bauen

Nachteile von DED

• Die Investitionskosten für Systeme sind hoch
• Teile haben eine geringere Auflösung, was zu einer schlechteren Oberflächenbeschaffenheit führt und eine Nachbearbeitung erfordert
• Stützstrukturen sind während des Erstellungsprozesses nicht verwendbar

3. Pulverbettfusion (PBF)

PBF hat vier Kategorien von Energiequellen, lasergeschmolzen, elektronenstrahlgeschmolzen, mit Wirkstoff und Energie geschmolzen und thermisch geschmolzen. Die Energiequelle schmilzt entweder Kunststoff- oder Metallpulverpartikel, die sich verfestigen und in einem Muster miteinander verschmelzen, um das Objekt herzustellen. Der Pulverbettfusionsprozess verwendet zwei Kammern, die Baukammer und die Pulverkammer, und eine Beschichtungswalze. Um die Objekte zu erzeugen, bewegt sich die Beschichtungswalze und verteilt das Pulvermaterial über die Baukammer, um eine dünne Pulverschicht aufzubringen. Bei einigen PDF-Prozessen wird nach der Beschichtungswalze ein Schaber, eine Klinge oder eine Nivellierwalze verwendet, um sicherzustellen, dass die Dicke der obersten Materialschicht gleichmäßig ist. Als nächstes schmilzt die Energiequelle die abgeschiedene Deckschicht der Metallpulverbasis. Wenn diese Schicht gescannt und verschmolzen ist, wird die Konstruktionsplattform schrittweise abgesenkt, gleichzeitig wird die Pulverkammer dadurch angehoben, und der Vorgang wiederholt sich, bis das Objekt fertiggestellt ist.

Vorteile von PBF

• Niedrige Maschinenkosten
• Keine oder minimale Stützstrukturen für den Bau erforderlich
• Vielfältige Materialauswahl
• Mehrere Materialien können verwendet werden
• Pulver recycelbar

Nachteile von PBF

• Langsame und lange Druckzeit
• Zusätzliche Nachbearbeitungszeit
• Schwächere strukturelle Eigenschaften
• Variationen der Oberflächentexturqualität
• Unter Umständen ist eine unterstützende Bauplatte erforderlich, um ein Verziehen zu vermeiden
• Die Geschwindigkeit des Druckprozesses kann bestimmen, ob das Pulver recycelbar ist
• Thermischer Verzug, hauptsächlich bei Polymerteilen
• Maschinen verbrauchen viel Energie, um Teile herzustellen

4. Blechlaminierung

AM, das 3D-Objekte durch Stapeln und Laminieren dünner Materialschichten durch Kleben, Ultraschallschweißen oder Löten erstellt. Um die endgültige Form des Objekts zu erstellen, wird Laserschneiden oder CNC-Bearbeitung verwendet. Von allen AM-Technologien produziert diese Teile mit der geringsten additiven Auflösung oder Detailgenauigkeit, bietet aber niedrige Kosten und eine schnellere Fertigungszeit für schnelles Prototyping unter Verwendung von leicht verfügbarem, kostengünstigem Material.

Blattlaminierung kann in sieben Typen eingeteilt werden:

• Laminierte Objektherstellung (LOM)
• Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM)
• Kunststofffolienlaminierung (PSL)
• Computergestützte Herstellung von laminierten technischen Materialien (CAM-LEM)
• Selektive Depositionslaminierung (SDL)
• Composite Based Additive Manufacturing (CBAM)
• Additive Ultraschallfertigung (UAM)

Während sich die Arten der Blechlaminierung geringfügig unterscheiden, ist das Gesamtprinzip dasselbe. Der Prozess beginnt damit, dass eine dünne Materialbahn von der Walze zugeführt oder auf die Konstruktionsplattform gelegt wird. Die nächste Schicht kann je nach Verfahren mit der vorherigen Schicht verbunden sein oder nicht. Die Schichtung wird fortgesetzt, bis die volle Höhe erreicht ist. Das Entfernen des Druckstocks und aller unerwünschten Außenkanten vervollständigen das Objekt.

Vorteile der Folienkaschierung

• Relativ niedrige Kosten
• Größerer Arbeitsbereich
• Vollfarbdrucke
• In Hybrid-Fertigungssysteme integrierbar
• Einfache Materialhandhabung
• Möglichkeit, mehrere Materialien zu schichten
• Keine Stützstrukturen erforderlich
• In einigen Blattlaminaten
• Je nach verwendeter Technikart bleibt der Materialzustand unverändert
• Schnellere Druckzeit, erfordert aber Nachbearbeitung

Nachteile der Folienkaschierung

• Die Schichthöhe kann nicht geändert werden, ohne die Blechdicke zu ändern
• Oberflächen können je nach Material variieren und eine Nachbearbeitung erfordern
• Begrenzte Materialoptionen verfügbar
• Das Entfernen von überschüssigem Material nach der Laminierungsphase kann schwierig und zeitaufwändig sein
• Kann im Vergleich zu anderen AM-Methoden mehr Abfall erzeugen
• Hohlteile sind bei einigen Arten der Blechlaminierung schwierig herzustellen
• Die Haftfestigkeit hängt von der verwendeten Laminiertechnik ab

5. Materialextrusion

Das beliebteste AM-Verfahren in Bezug auf Verfügbarkeit für die allgemeine Verbrauchernachfrage und Qualität verwendet ein kontinuierliches Filament aus thermoplastischem oder Verbundmaterial, um 3D-Teile zu konstruieren. Das Material in Form von Kunststofffäden wird durch eine Extruderdüse geführt, wo es erhitzt und dann Schicht für Schicht auf die Konstruktionsplattform aufgetragen wird.

Vorteile der Materialextrusion

• Große Auswahl an Druckmaterial
• Leicht verständliche Drucktechnik
• Benutzerfreundliche Methode zum Bedruckstoffwechsel
• Niedrige Anschaffungs- und Betriebskosten
• Schnellere Druckzeit für kleine und dünne Teile
• Drucktoleranz von +/- 0,1 (+/- 0,005″)
• Keine Aufsicht erforderlich
• Kleine Gerätegröße
• Niedertemperaturverfahren

Nachteile der Materialextrusion

• Sichtbare Schichtlinien
• Extrusionskopf in kontinuierlicher Bewegung oder das Material stößt auf
• Unterstützungen können erforderlich sein
• Schwache Teilfestigkeit entlang der Z-Achse
• Erhöhte Druckzeit mit feinerer Auflösung und breiteren Bereichen
• Anfällig für Verformungen und andere Temperaturschwankungen
• Giftige Druckmaterialien

6. Materialstrahlen

Ein Prozess, bei dem Tröpfchen aus wachsartigen Materialien selektiv auf einer Konstruktionsplattform abgeschieden werden. Das Material kühlt ab und verfestigt sich, wodurch Materialschichten übereinander gelegt werden können. Stützstrukturen werden nach dem Aufbau entweder mechanisch entfernt oder weggeschmolzen.

Vorteile des Materialstrahlens

• Material Jetting kann hervorragende Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit erzielen
• Teile eignen sich gut zur Verwendung in Modellen zum Gießen

Nachteile des Material Jetting

• Begrenzte Anzahl an wachsähnlichen Materialien verfügbar
• Teile sind aufgrund von wachsartigen Materialien zerbrechlich
• Langsamer Erstellungsprozess

7. Bottich-Photopolymerisation

Das Verfahren, bei dem Photopolymer-Flüssigharz in einem Bottich Schicht für Schicht ausgehärtet und mit einem Ultraviolett (UV)-Laser in harte Kunststoffteile umgewandelt wird. Die drei gängigsten Arten dieser Technologie sind Stereolithographie, Digital Light Processing (DLP) und Continuous Digital Light Processing (CDLP).

Vorteile der Bottich-Fotopolymerisation

• Hohe Genauigkeit und gutes Finish
• Relativ schneller Prozess
• Große Baugebiete

Nachteile der Küpen-Photopolymerisation

• Relativ teuer
• Lange Nachbearbeitungszeit und Entfernung vom Harz
• Beschränkt auf Fotoharzmaterialien
• Kann nach dem Druck noch durch UV-Licht beeinträchtigt werden
• Möglicherweise sind Stützstrukturen und Nachhärtung erforderlich, damit die Teile stark genug für strukturelle Zwecke sind

Schlussfolgerung

Da additive Fertigungsmaschinen für Maschinenwerkstätten erschwinglicher werden, führt die Flexibilität in Design und Materialeigenschaften zu einer breiten Palette praktischer Anwendungen und Verwendungen. Die Luft- und Raumfahrt-, Automobil- und Medizinindustrie sehen alle Vorteile der additiven Fertigung. Schnelles Prototyping, Kleinserienproduktion und die Möglichkeit, Teile zu reparieren, sind einige der Gründe für das Wachstum dieser Art der Fertigung.