3D-Druck (Teil 1)

Teil Eins:Rohstoffe

Obwohl die additive Fertigung – besser bekannt als 3D-Druck – schon seit fast 40 Jahren existiert, fühlt es sich für viele immer noch so an, als stecke die Technologie noch in den Kinderschuhen. Die 3D-Drucktechnologie hat sich in den letzten 10 Jahren stärker weiterentwickelt als in den drei Jahrzehnten zuvor, wodurch sie für das Prototyping und kleine Produktionsserien rentabler ist als je zuvor. Diese Fortschritte haben die additive Fertigung fest ins Blickfeld der Öffentlichkeit gerückt, während Hersteller die neuesten Innovationen untersuchen und herausfinden, wie sie Produktionsprozesse beschleunigen könnten.

Laut einer Studie von MarketsandMarkets wird der Markt für 3D-Druckmaterialien von 530,1 Millionen US-Dollar im Jahr 2016 auf mehr als 1,4 Milliarden US-Dollar im Jahr 2021 wachsen. Dieses Wachstum ist größtenteils auf eine Erweiterung der Materialoptionen zurückzuführen, die zum Drucken von Objekten verwendet werden. Während 3D-Drucker ursprünglich eine begrenzte Auswahl an Kunststoffen verwendeten, können neuere Maschinen mit einer viel breiteren Palette von Materialien drucken.

Herausforderungen auf dem Markt für 3D-Druckmaterialien

Das beim 3D-Druck verwendete Material bestimmt die Effizienz des Druckprozesses und die Qualität des Endprodukts. Trotz des rasanten Wachstums der additiven Fertigung muss die Technologie jedoch zahlreiche Herausforderungen meistern, bevor sie zu einer praktikablen Alternative zu herkömmlichen Fertigungs- und Bearbeitungsmethoden werden kann. Viele dieser Herausforderungen stehen in direktem Zusammenhang mit Rohstoffen, darunter:

• Rohstoffkosten

Der 3D-Druck profitiert nicht von den Skaleneffekten anderer Fertigungstechnologien. Die additive Fertigung ist noch relativ langsam und wird hauptsächlich für Prototypen oder Kleinstserien eingesetzt, wodurch es keine großen Mengenrabatte gibt.

• Eingeschränkte Materialauswahl

Während die Arten der verfügbaren Materialien für 3D-Druckprojekte in den letzten zehn Jahren dramatisch zugenommen haben, ist die Auswahl immer noch ziemlich begrenzt. Derzeit unterliegt die Materialauswahl den Beschränkungen der 3D-Drucktechnologie und etwaigen Einschränkungen durch das Design.

• Rohstoffverfügbarkeit

Rohstoffe für die additive Fertigung können immer noch schwierig zu beschaffen sein, insbesondere wenn das Design seltenere Substanzen wie Metalle oder Keramiken erfordert.

Diese Probleme sollten in naher Zukunft angegangen werden, wenn das oben erwähnte Marktwachstum eintritt. Da der 3D-Druck zu einer immer häufigeren Methode für Hersteller wird, werden die Materialpreise exponentiell sinken, die Optionen werden erweitert und alle Materialtypen werden leichter verfügbar sein.

Marktakteure für 3D-Druckmaterialien

Ein erfolgreiches Wachstum in der additiven Fertigung wird weitgehend von der Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Beteiligten an der Rohstofflieferkette abhängen. Zu den primären Stakeholdern gehören:

• Materiallieferanten
• Druckerhersteller
• Druckereien
• Endnutzer

Da jeder dieser Teilnehmer neue Innovationen auf den Markt bringt, wird die Technologie weiter voranschreiten. Die Zusammenarbeit zwischen jedem Glied der Lieferkette wird es den Beteiligten ermöglichen, die Richtung der Technologie und ihres Wachstums zu steuern.

Arten von 3D-Druckmaterialien

3D-Druckmaterialien liegen typischerweise in Filamenten, Pulvern oder Flüssigkeiten vor. Die verwendeten Typen umfassen vier Hauptkategorien:

• Kunststoffe
  • Photopolymere – Epoxide und Hybride, Acrylate, Polyamid, Nitrilkautschuk
  • Kunststoffpulver – PA, TPU, PEEK, PP, PS
  • Kunststofffilamente – ABS, PLA, PC und Mischungen, Nylon, Polyethylenterephthalat, thermoplastisches Polyurethan

• Keramik
  • Keramikpulver

• Metalle
  • Aluminium und Legierungen
  • Edelstahl
  • Inconel, Kobalt-Chrom, Nickellegierungen
  • Titan und Legierungen
  • Andere

• Andere
  • Sand mit Bindemittel
  • Lichtempfindliche Harze

Photopolymere

Photopolymerharze machen den führenden Anteil des globalen Marktes für additive Fertigungsmaterialien aus und es wird erwartet, dass sie ihren Marktanteil in absehbarer Zeit ausbauen werden. Photopolymere sind flüssige Harze, die in Polyjet- und Stereolithographie-3D-Druckern verwendet und durch einen Polymerisationsprozess mit Hilfe von UV-Strahlen gehärtet und ausgehärtet werden, um Kunststoffteile und Prototypen zu bilden. Photopolymere enthalten im Allgemeinen mehrere Hauptkomponenten, einschließlich Bindemittel, Monomere und Photoinitiatoren. Photoinitiatoren sind die Hauptbestandteile eines Photopolymers und wandeln Lichtenergie in chemische Energie um. Photopolymere werden gedruckt, um Teile für medizinische, militärische und elektronische Anwendungen herzustellen.

Kunststoffpulver

Kunststoffpulver sind eine weitere Art von 3D-Druckmaterialien, die einen bedeutenden Marktanteil einnehmen. Kunststoffpulver wie Polyamid, Polyetheretherketon (PEEK) und thermoplastisches Polyurethan (TPU) werden zur Gewichtsreduzierung in Fahrzeugen ausgewählt, um die Kraftstoffeffizienz zu steigern und Emissionen zu reduzieren.

Die primären Verfahren zum Bedrucken von Teilen mit Kunststoffpulvern umfassen Auftragsmodellierung und Lasersintern, haben im Allgemeinen eine schnelle Bearbeitungszeit und sind relativ kostengünstig. Dies treibt die Nachfrage nach Kunststoffpulvern an, insbesondere für Prototypanwendungen.

Polyamid wird aufgrund seiner günstigen Preise, einfachen Verarbeitung und hervorragenden Verarbeitung wahrscheinlich das am häufigsten verwendete Material für Prototyping-Anwendungen bleiben. Polyamid ist eines der beliebtesten 3D-Druckmaterialien, das von professionellen 3D-Druckunternehmen verwendet wird.

TPU eignet sich zur Herstellung von Teilen, die eine hohe Elastizität, Wärme- und Abriebfestigkeit sowie eine hohe Scherfestigkeit erfordern. PEEK ist ein teilkristalliner Thermoplast mit hervorragenden mechanischen und chemischen Beständigkeitseigenschaften, die auch bei hohen Temperaturen erhalten bleiben.; Aufgrund seines hohen Preises ist PEEK jedoch nur für die anspruchsvollsten Anwendungen nur begrenzt einsetzbar.

Kunststofffilamente

Kunststofffilamente sind das thermoplastische Ausgangsmaterial für Fused Deposition Modeling 3D-Drucker. Kunststofffilamente verleihen Teilen eine außergewöhnliche Festigkeit und sind leicht zu formen. Unter einer großen Auswahl an Materialoptionen sind ABS und PLA die mit Abstand am häufigsten verwendeten Filamentmaterialien. Wasserbeständigkeit und Zähigkeit sind die günstigen Eigenschaften von ABS, die es zu einem idealen Material zum Drucken von Funktionsteilen machen. PLA ist einfach zu drucken und biologisch abbaubar, eine beliebte Materialoption zum Drucken von Verbraucherteilen. Wachs oder Moldlay gehört zu den teuersten Materialien und ist ein Material zum Drucken von Feingussmodellen. Es kann beim Schalenbacken wegschmelzen.

Metalle

Metalle werden typischerweise zum Drucken von Werkzeugen und Prototypenteilen verwendet. Stahl ist aufgrund seiner guten Festigkeit und Haltbarkeit in der Automobil-, Industrie-, Lebensmittelverarbeitungs- und medizinischen Anwendung weit verbreitet. Stahl ist auch die wirtschaftlichste Alternative. Rostfreie Stähle wie 316L und 17-4PH sowie Maraging-Stahllegierungen sind gängige Materialien in dieser Kategorie.

Andere Metalle für 3D-Prozesse umfassen Aluminium, hochwertige Nichtstahlmaterialien wie Titan, Inconel und andere hochfeste Legierungen. Zu den gängigsten Materialien in diesem Segment gehören:

• Aluminiumlegierungen
• Kobalt-Chrom-Legierungen
• Legierungen auf Nickelbasis
• Titanlegierungen

Die Evolution der additiven Fertigung

Marktprognosen können uns eine Vorstellung davon geben, was die Zukunft für den 3D-Druck bereithält, aber der beste Weg, um bei den Trends der additiven Fertigung auf dem Laufenden zu bleiben, besteht darin, ein Interessenvertreter der Technologie zu werden. Bei Impro bieten wir eine Reihe von Fertigungsdienstleistungen an, darunter Sandguss, Feinguss und Präzisionsbearbeitung, und wir konzentrieren uns darauf, uns als begeisterter Akteur in der additiven Fertigung zu etablieren.

Um mehr über die Zukunft des 3D-Drucks zu erfahren, bleiben Sie dran für Teil 2 unserer dreiteiligen Serie zu diesem Thema, die sich auf die Technologie selbst konzentriert. Sie können auch noch heute unser kostenloses eBook „3D-Druck vs. konventionelle Fertigung“ herunterladen!