Arten der 3D-Drucktechnologie

Der Begriff 3D-Druck umfasst mehrere Fertigungstechnologien, die Teile Schicht für Schicht aufbauen. Alle unterscheiden sich in der Art und Weise, wie sie Kunststoff- und Metallteile bilden, und können sich in Materialauswahl, Oberflächenbeschaffenheit, Haltbarkeit sowie Herstellungsgeschwindigkeit und -kosten unterscheiden.

Es gibt verschiedene Arten des 3D-Drucks, darunter:

• Stereolithographie (SLA)
• Selektives Lasersintern (SLS)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Digital Light Process (DLP)
• Multi-Jet-Fusion (MJF)
• PolyJet
• Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)
• Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Die Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens für Ihre Anwendung erfordert ein Verständnis der Stärken und Schwächen jedes Prozesses und die Zuordnung dieser Attribute zu Ihren Produktentwicklungsanforderungen. Lassen Sie uns zuerst besprechen, wie der 3D-Druck in den Produktentwicklungszyklus passt, und dann einen Blick auf gängige Arten von 3D-Drucktechnologien und die jeweiligen Vorteile werfen.

3D-Druck für Rapid Prototyping und mehr

Man kann mit Sicherheit sagen, dass der 3D-Druck am häufigsten für das Prototyping verwendet wird. Seine Fähigkeit, schnell ein einzelnes Teil herzustellen, ermöglicht es Produktentwicklern, Ideen auf kostengünstige Weise zu validieren und auszutauschen. Die Bestimmung des Zwecks Ihres Prototyps gibt Aufschluss darüber, welche 3D-Drucktechnologie am vorteilhaftesten ist. Die additive Fertigung kann für eine Reihe von Prototypen geeignet sein, die von einfachen physischen Modellen bis hin zu Teilen für Funktionstests reichen.

Die SLA-Technologie formt Kunststoffteile durch Aushärten eines flüssigen duroplastischen Harzes mit einem UV-Laser. Wenn Teile gebaut werden, benötigen sie Stützstrukturen, die entfernt werden, sobald der Bau abgeschlossen ist.

Obwohl 3D-Druck fast gleichbedeutend mit Rapid Prototyping ist, gibt es Szenarien, in denen es sich um einen praktikablen Produktionsprozess handelt. Typischerweise beinhalten diese Anwendungen kleine Volumina und komplexe Geometrien. Häufig sind Komponenten für die Luft- und Raumfahrt sowie für medizinische Anwendungen ideale Kandidaten für den 3D-Produktionsdruck, da sie häufig die zuvor beschriebenen Kriterien erfüllen.

Fünf Überlegungen zum 3D-Druck

Wie bei den meisten Dingen im Leben gibt es bei der Auswahl eines 3D-Druckverfahrens selten eine einfache Antwort. Wenn wir Kunden bei der Bewertung ihrer 3D-Druckoptionen unterstützen, weisen wir in der Regel auf fünf Schlüsselkriterien hin, um festzustellen, welche Technologie ihren Anforderungen entspricht:

1. Budget
2. Mechanische Anforderungen
3. Kosmetische Erscheinung
4. Materialauswahl
5. Geometrie

Sobald ein SLS-Bau abgeschlossen ist, entfernt der Techniker das Teil aus dem Pulverbett, bürstet überschüssiges Material ab und Anschließend wird das Teil perlgestrahlt.

Polymer-3D-Druckverfahren

Lassen Sie uns einige gängige 3D-Druckverfahren für Kunststoff skizzieren und besprechen, wann jedes den größten Nutzen für Produktentwickler, Ingenieure und Designer bietet.

Stereolithographie (SLA)

Die Stereolithographie (SLA) ist das ursprüngliche industrielle 3D-Druckverfahren. SLA-Drucker zeichnen sich durch die Herstellung von Teilen mit hohem Detaillierungsgrad, glatten Oberflächen und engen Toleranzen aus. Die hochwertige Oberflächenveredelung von SLA-Teilen sieht nicht nur gut aus, sondern kann auch die Funktion des Teils unterstützen – zum Beispiel beim Testen der Passform einer Baugruppe. Es ist in der medizinischen Industrie weit verbreitet und gängige Anwendungen umfassen anatomische Modelle und Mikrofluidik. Wir verwenden Vipers, ProJets und iPros 3D-Drucker, die von 3D Systems für SLA-Teile hergestellt werden.

Selektives Lasersintern (SLS)

Selektives Lasersintern  (SLS) schmilzt Pulver auf Nylonbasis zu festem Kunststoff zusammen. Da SLS-Teile aus echtem thermoplastischem Material hergestellt sind, sind sie langlebig, für Funktionstests geeignet und können bewegliche Scharniere und Schnappverschlüsse unterstützen. Im Vergleich zu SL sind die Teile stärker, haben aber eine rauere Oberflächenbeschaffenheit. SLS erfordert keine Stützstrukturen, sodass die gesamte Bauplattform genutzt werden kann, um mehrere Teile in einem einzigen Bau zu verschachteln, wodurch es für Teilemengen geeignet ist, die höher sind als bei anderen 3D-Druckverfahren. Viele SLS-Teile werden für Prototypendesigns verwendet, die eines Tages spritzgegossen werden. Für unsere SLS-Drucker verwenden wir sPro140-Maschinen, die von 3D Systems entwickelt wurden.

PolyJet

PolyJet ist ein weiteres Kunststoff-3D-Druckverfahren, aber es gibt eine Wendung. Es kann Teile mit mehreren Eigenschaften wie Farben und Materialien herstellen. Konstrukteure können die Technologie für das Prototyping von elastomeren oder umspritzten Teilen nutzen. Wenn Ihr Design aus einem einzigen starren Kunststoff besteht, empfehlen wir, bei SL oder SLS zu bleiben – es ist wirtschaftlicher. Aber wenn Sie Prototypen für ein Umspritzungs- oder Silikonkautschukdesign erstellen, kann PolyJet Ihnen die Notwendigkeit ersparen, früh im Entwicklungszyklus in Werkzeuge zu investieren. Dies kann Ihnen helfen, Ihr Design schneller zu iterieren und zu validieren und Geld zu sparen.

Digitale Lichtverarbeitung (DLP)

Die digitale Lichtverarbeitung ähnelt der SLA insofern, als flüssiges Harz mit Licht ausgehärtet wird. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Technologien besteht darin, dass DLP eine digitale Lichtprojektionsleinwand verwendet, während SLA einen UV-Laser verwendet. Dies bedeutet, dass DLP-3D-Drucker eine ganze Schicht des Builds auf einmal abbilden können, was zu schnelleren Build-Geschwindigkeiten führt. Während der DLP-Druck häufig für Rapid Prototyping verwendet wird, eignet er sich aufgrund des höheren Durchsatzes für Produktionsläufe von Kunststoffteilen in kleinen Stückzahlen.

Protolabs verwendet Mlab- und M2-Maschinen von Concept Laser für 3D-gedruckte Metallteile.

Multi-Jet-Fusion (MJF)

Ähnlich wie bei SLS baut Multi Jet Fusion auch Funktionsteile aus Nylonpulver. Anstatt einen Laser zum Sintern des Pulvers zu verwenden, verwendet MJF eine Tintenstrahlanordnung, um Schmelzmittel auf das Bett aus Nylonpulver aufzutragen. Dann fährt ein Heizelement über das Bett, um jede Schicht zu verschmelzen. Dies führt zu konsistenteren mechanischen Eigenschaften im Vergleich zu SLS sowie zu einer verbesserten Oberflächenbeschaffenheit. Ein weiterer Vorteil des MJF-Prozesses ist die verkürzte Bauzeit, die zu niedrigeren Produktionskosten führt.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) ist eine gängige Desktop-3D-Drucktechnologie für Kunststoffteile. Ein FDM-Drucker funktioniert, indem er ein Kunststofffilament Schicht für Schicht auf die Konstruktionsplattform extrudiert. Es ist eine kostengünstige und schnelle Methode zur Herstellung physischer Modelle. Es gibt einige Fälle, in denen FDM für Funktionstests verwendet werden kann, aber die Technologie ist aufgrund von Teilen mit relativ rauer Oberflächenbeschaffenheit und mangelnder Festigkeit begrenzt.

Metall-3D-Druckverfahren

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)

Der Metall-3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten für das Design von Metallteilen. Das Verfahren, das wir bei Protolabs zum 3D-Drucken von Metallteilen verwenden, ist direktes Metall-Lasersintern (DMLS). Es wird häufig verwendet, um mehrteilige Metallbaugruppen in eine einzelne Komponente oder leichte Teile mit internen Kanälen oder ausgehöhlten Merkmalen zu reduzieren. DMLS ist sowohl für das Prototyping als auch für die Produktion geeignet, da die Teile so dicht sind wie die, die mit traditionellen Metallherstellungsmethoden wie maschineller Bearbeitung oder Guss hergestellt werden. Die Herstellung von Metallkomponenten mit komplexen Geometrien macht sie auch für medizinische Anwendungen geeignet, bei denen ein Teiledesign eine organische Struktur nachahmen muss.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Das Elektronenstrahlschmelzen ist eine weitere Metall-3D-Drucktechnologie, die einen Elektronenstrahl verwendet, der von elektromagnetischen Spulen gesteuert wird, um das Metallpulver zu schmelzen. Das Druckbett wird während des Baus aufgeheizt und unter Vakuumbedingungen gehalten. Die Temperatur, auf die das Material erhitzt wird, wird durch das verwendete Material bestimmt.

Wann 3D-Druck verwendet werden sollte

Wie bereits erwähnt, gibt es bei 3D-Druckanwendungen einige gemeinsame Nenner. Wenn Ihre Teilemengen relativ gering sind, kann der 3D-Druck optimal sein – die Richtschnur, die wir unseren 3D-Druckdienstkunden geben, ist normalerweise 1 bis 50 Teile. Da die Stückzahlen in die Nähe von Hunderten gehen, lohnt es sich, andere Herstellungsverfahren zu untersuchen. Wenn Ihr Design eine komplexe Geometrie aufweist, die für die Funktion Ihres Teils entscheidend ist, wie z. B. eine Aluminiumkomponente mit einem internen Kühlkanal, ist der 3D-Druck möglicherweise Ihre einzige Option.

Bei der Auswahl des richtigen Prozesses kommt es darauf an, die Vorteile und Grenzen jeder Technologie an den wichtigsten Anforderungen Ihrer Anwendung auszurichten. In den frühen Stadien, wenn Ideen herumgeworfen werden und Sie nur ein Modell brauchen, das Sie mit einem Kollegen teilen können, sind diese treppenstufenartigen Oberflächenveredelungen Ihrerseits kein großes Problem. Aber sobald Sie den Punkt erreicht haben, an dem Sie Benutzertests durchführen müssen, beginnen Faktoren wie Kosmetik und Haltbarkeit eine Rolle zu spielen. Obwohl es keine Einheitslösung gibt, wird der richtige Einsatz der 3D-Drucktechnologie während der gesamten Produktentwicklung das Designrisiko reduzieren und letztendlich zu besseren Produkten führen.