3D-Druck erklärt: Teil 1 – Von Rohmaterialien zu modernen Innovationen

Teil Eins: Rohmaterialien

Obwohl additive Fertigung – allgemein bekannt als 3D-Druck – seit fast 40 Jahren existiert, fühlt es sich für viele immer noch so an, als befände sich die Technologie in ihren Kinderschuhen. Die 3D-Drucktechnologie hat sich in den letzten 10 Jahren mehr weiterentwickelt als in den drei Jahrzehnten zuvor, was sie für Prototyping und kleine Produktionsserien lebensfähiger macht als je zuvor. Diese Fortschritte haben die additive Fertigung fest in den öffentlichen Fokus gerückt, da Hersteller die neuesten Innovationen erkunden und wie sie Produktionsprozesse beschleunigen könnten.

Der 3D-Druckmaterialmarkt wird laut MarketsandMarkets-Forschung von 530,1 Millionen Dollar im Jahr 2016 auf mehr als 1,4 Milliarden Dollar bis 2021 wachsen. Dieses Wachstum ist weitgehend 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 für den 3D-Druckmaterialmarkt

Das im 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 überwinden, bevor sie eine lebensfähige Alternative zu traditionellen Fertigungs- und Bearbeitungsmethoden werden kann. Viele dieser Herausforderungen stehen in direktem Zusammenhang mit Rohmaterialien, einschließlich:

• Rohmaterialkosten

3D-Druck profitiert nicht von den Skaleneffekten, die andere Fertigungstechnologien bieten. Additive Fertigung ist immer noch relativ langsam und wird hauptsächlich für Prototypen oder sehr kleine Produktionsserien verwendet, was bedeutet, dass es keine großen Mengenrabatte für Materialien gibt.

• Begrenzte Materialpalette

Obwohl sich die Arten der verfügbaren Materialien für 3D-Druckprojekte in den letzten zehn Jahren dramatisch erweitert haben, ist die Auswahl immer noch ziemlich begrenzt. Derzeit unterliegt die Materialwahl den Einschränkungen der 3D-Drucktechnologie und allen durch das Design auferlegten Limitations.

• Rohmaterialverfügbarkeit

Additive Fertigungsrohmaterialien können immer noch schwer zu beschaffen sein, insbesondere wenn das Design seltenere Substanzen wie Metalle oder Keramik erfordert.

Diese Probleme sollten in naher Zukunft angegangen werden, da das oben genannte Marktwachstum stattfindet. Wenn 3D-Druck zu einer gängigeren Methode für Hersteller wird, werden die Materialpreise exponentiell sinken, die Optionen werden sich erweitern, und alle Materialtypen werden leichter verfügbar.

 

Interessengruppen am 3D-Druckmaterialmarkt

Erfolgreiches Wachstum in der additiven Fertigung wird weitgehend von der Zusammenarbeit zwischen den verschiedenen Akteuren der Rohmaterial-Lieferkette abhängen. Hauptinteressengruppen umfassen:

• Materiallieferanten
• Druckerhersteller
• Druckdienstleister
• Endverbraucher

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 Interessengruppen ermöglichen, die Richtung der Technologie und ihres Wachstums zu steuern.

 

Arten von 3D-Druckmaterialien

3D-Druckmaterialien liegen typischerweise als Filamente, Pulver 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
  • Rostfreier Stahl
  • Inconel, Kobalt-Chrom, Nickel-Legierungen
  • Titan und Legierungen
  • Sonstige

• Sonstige
  • Sand mit Bindemittel
  • Photosensible Harze

 

Photopolymere

Photopolymerharze machen den größten Anteil am globalen additiven Fertigungsmaterialmarkt aus und werden voraussichtlich ihren Marktanteil in absehbarer Zukunft weiter ausbauen. Photopolymere sind flüssige Harze, die in Polyjet- und Stereolithographie-3D-Druckern verwendet werden und durch einen Polymerisationsprozess mit Hilfe von UV-Strahlen ausgehärtet und verfestigt werden, um Kunststoffteile und Prototypen zu bilden. Photopolymere enthalten im Allgemeinen mehrere Hauptkomponenten, darunter Bindemittel, Monomere und Photoinitiatoren. Photoinitiatoren sind die Hauptkomponenten eines Photopolymers und wandeln Lichtenergie in chemische Energie um. Photopolymere werden gedruckt, um Teile für medizinische, militärische und elektronische Anwendungen zu erstellen.

 

Kunststoffpulver

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

Die primären Prozesse zum Drucken von Teilen mit Kunststoffpulvern beinhalten Depositionsmodellierung und Lasersintern im Allgemeinen haben eine schnelle Durchlaufzeit und sind relativ kosteneffektiv. Dies treibt die Nachfrage nach Kunststoffpulvern an, insbesondere für Prototypenanwendungen.

Polyamid wird voraussichtlich das am häufigsten verwendete Material für Prototypenanwendungen bleiben, aufgrund seiner vernünftigen Preise, leichter Verarbeitbarkeit und überlegenen Oberfläche. Polyamid ist eines der beliebtesten 3D-Druckmaterialien, die von professionellen 3D-Druckunternehmen verwendet werden.

TPU eignet sich für die Herstellung von Teilen, die hohe Elastizität, thermische und abrasive Beständigkeit sowie hohe Scherfestigkeit erfordern. PEEK ist ein teilkristalliner Thermoplast mit hervorragenden mechanischen und chemischen Beständigkeitseigenschaften, die bis zu hohen Temperaturen beibehalten werden; jedoch ist PEEK aufgrund seines hohen Preises auf die anspruchsvollsten Anwendungen beschränkt.

 

Kunststofffilamente

Kunststofffilamente sind der thermoplastische Rohstoff für Fused Deposition Modeling 3D-Drucker. Kunststofffilamente bieten außergewöhnliche Festigkeit für Teile und sind leicht zu formen. Unter einer großen Auswahl an Materialoptionen sind ABS und PLA bei weitem die gängigsten Filamentmaterialien. Wasserbeständigkeit und Zähigkeit sind die vorteilhaften Eigenschaften von ABS, die es zu einem idealen Material für den Druck funktionaler Teile machen. PLA ist einfach zu drucken und biologisch abbaubar, ein beliebtes Material für den Druck von Verbraucherteilen. Unter den teuersten Materialien ist Wachs oder Moldlay ein Material zum Drucken von Feingussmodellen. Es kann während des Schalenbackprozesses ausgeschmolzen werden.

 

Metalle

Metalle werden typischerweise zum Drucken von Werkzeugen und Prototypenteilen verwendet. Stahl wird aufgrund guter Festigkeit und Haltbarkeit in der Automobil-, Industrie-, Lebensmittelverarbeitungs- und Medizintechnikbranche weit verbreitet eingesetzt. Stahl ist auch die wirtschaftlichste unter den Alternativen. Rostfreie Stähle wie 316L und 17-4PH sowie Maraging-Stahllegierungen sind gängige Materialien in dieser Kategorie.

Andere Metalle für 3D-Prozesse umfassen Aluminium, hochwertige Nicht-Stahl-Materialien wie Titan, Inconel und andere hochfeste Legierungen. Die gängigsten Materialien in diesem Segment sind:

• Aluminiumlegierungen
• Kobalt-Chrom-Legierungen
• Nickelbasierte Legierungen
• Titanlegierungen

 

Die Evolution der additiven Fertigung

Marktprognosen können uns eine Vorstellung davon geben, was die Zukunft für 3D-Druck bereithält, aber der beste Weg, um über additive Fertigungstrends auf dem Laufenden zu bleiben, ist, ein Interessengruppenmitglied der Technologie zu werden. Bei Impro bieten wir eine Reihe von Fertigungsdienstleistungen an, einschließlich 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, der sich auf die Technologie selbst konzentrieren wird. Sie können auch noch heute unser kostenloses E-Book „3D-Druck vs. Konventionelle Fertigung“ herunterladen!