Fortgeschrittene 3D-Drucktechnologien: Teil 2 – Erkundung der Schicht-für-Schicht-Fertigung

Teil Zwei: 3D-Drucktechnologien

3D-Druck – auch bekannt als additive Fertigung (AM) – bietet eine breite Palette verschiedener Drucktechnologien zur Auswahl. Obwohl zwischen den einzelnen Methoden erhebliche Unterschiede bestehen können, arbeiten alle 3D-Drucktechniken nach dem gleichen grundlegenden Prinzip: Additive Fertigungstechnologien bauen Werkstücke entweder Schicht für Schicht oder durch Ablagerung entlang eines programmierten Pfades auf.

Basierend auf der Methode zur Schichterstellung lässt sich die 3D-Drucktechnologie hauptsächlich in sieben Kategorien unterteilen:

1. Metallextrusion

Eine Düse oder eine andere Öffnung gibt das Material selektiv ab. Nachdem eine Schicht abgeschlossen ist, bewegt sich die Bauplattform nach unten oder der Extrusionskopf nach oben, und die nächste Schicht wird extrudiert und haftet an der vorherigen Schicht. Diese Technologie befasst sich hauptsächlich mit Materialien wie:

• Thermoplaste
• Eutektische Metalle
• Keramik
• Verbundwerkstoffe
• Modelliermasse
• Metallgefüllte Tone
• Beton
• Lebensmittel
• Lebende Zellen

Diese Technologie umfasst zwei Unterkategorien: Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF). Die Hauptanbieter dieser Technologie sind Stratasys, Arbur, Aleph Objects, Beijing Tiertime, MakerBot Industries und Ultimaker. Die Metallextrusionstechnologie stellt die größte installierte Basis an AM-Maschinen dar. Der Prozess wurde von Stratasys entwickelt.

2. Materialauftrag (Material Jetting)

Ein oder mehrere Tintenstrahldruckköpfe setzen kleine Tropfen des Baumaterials ab, während sie sich über das Pulverbett bewegen. Da mehrere Druckköpfe verwendet werden können, kann jeder unterschiedliche Materialien drucken. Diese Technologie kann auch eine „Direct-Write“-Technologie übernehmen, die nanometergroße Druckmaterialien vernebelt und sie mit einem inerten Trägergas zu einem Aerosol kombiniert, das dann auf eine Oberfläche aufgebracht wird.

Diese Technologie arbeitet mit Materialien wie:

• Photopolymere
• Wachsartige Materialien
• Metalle/Nichtmetalle
• Leiter
• Dielektrika

Die Hauptanbieter sind 3D Systems, Stratasys, Solidscape und Keyence. Diese Technologie kann Investitionsgussmodelle produzieren.

3. Binder Jetting

Beim Binder Jetting wird ein flüssiges Bindemittel mithilfe von Tintenstrahldruckkopfdüsen präzise aufgebracht, um Pulvermaterialien zu verbinden. Im Gegensatz zum Materialauftrag ist das durch die Düse ausgebrachte Material nicht das Rohbaumaterial, sondern ein verflüssigtes Bindematerial, das auf ein Pulverbett aufgetragen wird, um das Pulver in der gewünschten Form zu halten.

Diese Technologie arbeitet mit:

• Acrylpolymer
• Metall
• Sand
• Keramik

Die Hauptanbieter dieser Technologie sind 3D Systems, ExOne Company, Voxeljet Technology GmbH, Microjet Technology, Digital Metal und HP. Dieses Verfahren kann zum Aufbau von Sandmodellen für den Sandgussprozess verwendet werden.

4. Schichtlaminierung (Sheet Lamination)

Bei der Schichtlaminierung werden Schichten aus Blattmaterial verbunden, um ein Design zu realisieren. Die Blattmaterialien werden entweder Papiere sein, die mit Klebstoff behandelt wurden und bei der Laminierung zu einem festen, sperrholzähnlichen Material werden, oder Metallfolien und -bänder, die stattdessen Metallteile erzeugen. Schichtlaminierung wird auch als Laminated Object Manufacturing (LOM) bezeichnet.

Die Hauptanbieter dieser Technologie sind Helisys, Micro Technologies und Fabrisonic.

5. Wannenphotopolymerisation (Vat Photopolymerization)

Flüssiges Photopolymer, das in einer Wanne enthalten ist, wird durch lichtaktivierte Polymerisation selektiv ausgehärtet. Diese Technologie funktioniert nur mit Photopolymeren. Derzeit gibt es zwei Arten von Wannenphotopolymerisationstechnologien auf dem Markt.

• Stereolithographie (SLA) verwendet einen Ultraviolettlaser und X-Y-Scanspiegel, die an computergesteuerten Galvanometern montiert sind, um die oberste Schicht des flüssigen Photopolymers in der Wanne auszuhärten. Jeder vom Laser berührte Punkt wird dann ausgehärtet. SL war in den frühen Jahren der AM der unbestrittene führende Prozess.

 

• Die Wannenpolymerisation wurde erweitert, um auch Digital Light Processing (DLP) einzuschließen. Anstelle eines Lasers als Lichtquelle zum Aushärten verfügen DLP-AM-Drucker über einen digitalen Lichtprojektorbildschirm, der das gesamte Schichtbild auf einmal projiziert und aushärtet.

Die Hauptanbieter dieser Technologie sind 3D Systems, Envisiontec, DWS, Asiga und Rapid Shape, unter anderem.

6. Pulverbettfusion (Powder Bed Fusion)

Thermische Energie verschmilzt selektiv Bereiche eines Pulverbettes. Die thermische Energie schmilzt das Pulvermaterial, das dann beim Abkühlen in eine feste Phase übergeht. Die in dieser Technologie verwendete Energiequelle kann entweder ein Laser oder ein Elektronenstrahl sein.

Dieser Prozess ist auch bekannt als:

• Lasersintern
• Direct Metal Laser Sintering
• Selective Laser Sintering
• Electron Beam Melting
• Selective Laser Melting

Die laserbasierte Technologie erzeugt bessere Oberflächenbeschaffenheiten und feinere Details als Elektronenstrahlanordnungen. Elektronenstrahlen sind in der Anschaffung teurer, aber sie sind auch schneller und produzieren Teile mit geringeren Restspannungen.

Die Mehrheit der Metall-AM-Systeme verwendet den Pulverbettfusionsprozess. EOS ist ein etablierter Metall-AM-Prozess mit der größten installierten Basis. Hochenergetische Pulverbettfusionsprozesse (PBF) drohen, trotz ihrer hohen Kosten Marktanteile von der traditionellen Feingussindustrie zu übernehmen. PBF-Prozesse können komplexe 3D-Formen aus Legierungen erzeugen, die die metallurgischen Qualitäten von Feingussteilen nahezu erreichen. SLM ist die ausgereifteste AM-Methode und beherrscht über 70 % des Metall-Druckmarktes.

Diese Technologie arbeitet mit Polymeren, Metall und Sand. Die Hauptanbieter sind 3D Systems, EOS, Arcam, SLM Solutions, Realizer, Concept Laser, Aconity3D, Proto Labs und mehr.

7. Gerichtete Energieauftragung (Directed Energy Deposition)

Thermische Energie wird verwendet, um Materialien zu verschmelzen, während das Material aufgebracht wird. In den meisten Fällen ist ein Laser die Energiequelle, und das Material ist eine Art Metallpulver. Ein 4- oder 5-Achs-Bewegungssystem wird verwendet, um den Auftragskopf zu positionieren. Diese Technologie funktioniert nur mit Metallmaterialien, aber mehr als eine Art von Metallmaterial kann gleichzeitig verwendet werden.

Die Hauptanbieter der Directed Energy Deposition (DED) Technologie sind Optomec, POM Group, BeAM, Trumpf, RPM und Innovations. DED ist auch als Blown Powder AM und Laser Cladding bekannt. Dies ist eine geeignete Methode, um Material zu bestehenden Werkstücken hinzuzufügen, was sie optimal für die Reparatur oder Modifikation von Teilen macht.

Aktuell bleiben mit Impro

Bei Impro streben wir danach, über die neuesten Fertigungstechnologien und deren Nutzen für unsere Kunden auf dem Laufenden zu bleiben. Wenn Sie mehr über 3D-Druck und dessen Vergleich mit traditionelleren Fertigungsmethoden erfahren möchten, laden Sie bitte unser kostenloses E-Book herunter.

 

Um mehr über die Zukunft des 3D-Drucks zu erfahren, bleiben Sie dran für Teil 3 unserer dreiteiligen Serie zu diesem Thema, der sich auf Inspektion und Prüfung konzentrieren wird. Sie können auch noch heute unser kostenloses E-Book „3D-Druck vs. Konventionelle Fertigung“ herunterladen!