3D-Druckverfahren

Wenn es um 3D-Druck geht, denken die meisten immer sofort an Kunststoffe, die erhitzt und nach einem Schema aus einer Düse gepresst werden. Dieses Verfahren, auch als FDM bezeichnet, ist das populärste unter den 3D-Druckverfahren aber nicht das Einzigste. Mit diesem Artikel will ich euch die wichtigsten Verfahren vorstellen.

3D-Drucker gehören zu den additiven Fabricatoren. Also eine Maschine die 3-dimensionale Gegenstände auf Basis von computergenerierten CAD-Dateien durch hinzufügen oder ablagern eines Grundwerkstoffen erzeugt.
Die andere grundlegende Klasse dieses Maschinentyps sind die subtraktiven Fabricatoren, welche 3d-Modele durch abtragen & abtrennen von Material herstellen.
Da wäre die CNC-Fräse zu erwähnen.

Aber zurück zum Thema...

---

1. Binder Jetting

Der eigentliche 3D-Druck!
Dieses Verfahren ist in den VDI-Richtlinien (Verein deutscher Ingenieure) unter dem Namen "3D-Drucken" genormt. Entwickelt wurde Binder Jetting vom MIT, welches auch ein Patent für diese Verfahren ausgesprochen bekam.
"3D-Drucken" setzte sich aber als generischer Begriffe für alle generativen Fertigungsverfahren durch.

Wie bei allen generativen Fertigungsverfahren werde die Objekte schichtweise aufgebaut. Aus 3D-Daten (z.B. CAD-Dateien) werden die einzelnen Schichten berechnet.
Änhlich wie bei einem Tintenstrahldrucker wird hier Binder durch einen Druckkopf über eine darunter liegende Pulver/Granulat-Schicht auf gedruckt. Danach wird durch einen elektrischen Rakel eine neue Schicht Granulat aufgetragen und der Vorgang wiederholt sich solange bis das Objekt fertig ist.
Das überschüssige Granulat wird entfernt und kann wieder verwendet werden.
Von Davidvx - Eigenes Werk, CC BY-SA 4.0

Theoretisch sind alle Werkstoffe möglich die mit Binder verklebt werden können. Als Binder können z.B. Klebstoffe auf Wasserbasis, Kunstharze oder auch sogar lebende Zelle verwendet werden.
Für herausragende oder überhängende Strukturen ist kein Stützmaterial nötig weil das Objekt von dem Pulver/Granulat umschlossen ist, und so auch getragen wird.

---

2. Stereolithografie (SLA)

Dieses Verfahren wurde schon 1981 von Charles W. Hull erfunden und 1983 erstmals in der Praxis angewandt.
Der Grundwerkstoff bei diesem Verfahren ist ein flüssiger Kunststoff (Photopolymer), z.B. Epoxidharz, welcher unter Lichteinstrahlung aushärtet. Der Vorgang geschiet in einem Becken das mit dem photosensitiven Kunststoff gefüllt ist. Ein Laser härtet die entsprechende Stellen aus, danach wird die Bauplattform um die ensprechende Schichthöhe abgesenkt (Standartschichthöhe: 0,1-0,025 mm)und die nächste Schicht wird ausgehärtet. So entsteht Schritt für Schritt ein 3-dimensionales Objekt .

Von Laurensvanlieshout aus nl, CC BY-SA 3.0

Dieses Verfahren erzielt momentan die höchstmögliche Genauigkeit aber die Objekte sind eher spröde und damit ist ihre Einsatzmöglichkeiten begrenzt. Mittlerweile gibt es auch Geräte die das 3d-Objekt nicht absenken sondern dieses Schicht für Schicht aus dem Becken herausziehen.

---

3. Continuous Liquid Interface Production (CLIP)

Die Firma Carbon3D stellte dieses Verfahren 2015 in Vancouver vor und besticht durch seine sehr hohe Druckgeschwindigkeit. Es ist 25-100mal schneller als herkömmliche 3D-Druckverfahren und es ist in der Lage Objekte ohne sichtbaren Schichten herzustellen.

Quelle
Im linken Bild sieht man deutlich die Schichten bei traditionellen Verfahren im rechten Bild CLIP

Ähnlich wie bei SLA, befindet sich ein photosensitiver Kunststoff (auch Resin genannt) in einem Becken und wird von unten mit einer UV-Lampe bestrahlt. Aber der Boden des Beckens besteht hier aus einem licht- und sauerstoffdurchlässigen Material, ähnlich dem vom Kontaktlinsen. Sauerstoff verhindert das Aushärten des Kunststoffes (Resins) und bildet dadurch in der untersten Schicht eine sogenannte "dead zone", welche den weiteren Aufbau des Objekts ermöglicht, das nun kontinuierlich aus dem Becken nach oben gezogen wird.

---

4. Fused Deposition Modeling (FDM)/Fused Filament Fabrication (FFF)

Diese Verfahren wurde von S. Scott Crump in den späten 80ern entwickelt, und in den 90ern kommerzielle genutzt. Der Ausdruck "FDM" ist markenrechtlich geschützt und deswegen wurde von Mitglieder des Reprap-Projektes der Ausdruck "FFF" geprägt um einen markenrechtsfreien Wortgebrauch zu ermöglichen. Es ist eines der populärsten und günstigsten Verfahren - FDM Drucker-Bausätze kann man schon für ca. 130€ erwerben.

Bei diesem Verfahren werden Kunststoffe - wie zum Bespiel PLA oder ABS - auf eine Schmelztemperatur zwischen ca. 190-240°C erhitzt und Schicht für Schicht durch eine Düse(Extruder) auf eine meist beheizte Grundplatte aufgetragen. Schichthöhen liegen hier bei 0,1-0,4mm und einer Mindestwandstärke von 0,2mm. Durch Hinzufügen von weiteren Extrudern können auch zwei- oder mehrfarbige Objekte hergestellt werden.

Ein kleines Beispielvideo von meinem FFF-Drucker.
Und so sieht dann der fertige Würfel aus

Für Überhänge oder herausragende Objekteteile benötigt man Stützstrukturen, die nach dem Prozess entfernt werden müssen.

---

5. Selective Laser Sintering (SLS), Selektives Laserschmelzen

Auch bei diesem Verfahren wird ein 3D-Model Schicht für Schicht hergestellt.
Hierbei kann als Grundwerkstoff neben den bekannten Thermoplasten: Polycarbonate, Polyamide, Polyvinylchlorid auch Metalle, Keramiken und Sand verarbeitet werden.
Dazu wird ein Pulver, des gewünschten Werkstoffes, mit Hilfe eines Rakel/Walze gleichmäßig auf einer Bauplattform verteilt (Schichtdicken ca. von 1 bis 200 µm) und mit einem Laser die Schichtkontur des 3D-Model eingeschmolzen. Darauf senkt sich die Bauplattform ab, neues Pulver wird aufgetragen und der Laser schmilzt die nächste Ebene.

Von Materialgeeza - Eigenes Werk, CC BY-SA 3.0

Stützstrukturen entfallen, da das Objekt durch nicht verschmolzenes Material getragen wird.

---

6. Electron Beam Melting (EBM)

Bei diesem Verfahren wird , ähnlich wie beim Selective Laser Sintering (SLS), ein metallische Pulver durch einen Elektronenstrahl gezielt verschmolzen. Das Prinzip wird unter Vakuum durchgeführt, so sollen Sauerstoffeinlagerungen in das Objekt verhindert werden. Beim EBM wird der Schmelzstrahl durch ein Magnetfeld gesteuert und damit trägheitsfrei abgelenkt. Dadurch sind theoretisch höhere Produktiongeschwindigkeiten als beim SLS-Prinzip, dort wird der Schmelzstrahl mechanisch gesteuert, möglich. Außerdem ermöglich EBM auch die Verarbeitung von Metalen mit einem sehr hohen Schmelzpunkt.
Die Auflösung der Objekte ist meist schlechter als bei SLS-Verfahren.

---

7. Multi Jet Modeling (MJM)

Hier werden, wieder ähnlich wie bei einem Tintstrahldrucker, meist photosensitive Kunststoffe durch einen Druckkopf auf eine Baufläche aufgetragen und unmittelbare, durch eine UV-Lichtquelle die auch am Druckkopf befestigt ist, ausgehärtet. Danach bewegt sich der Druckkopf um die Höhe einer Schicht nach oben und der Vorgang wiederholt sich. Technisch sind Auflösungen von 450 dpi möglich.
Eine andere Varianten ist, mit Hilfe der Druckköpfe, einen Klebstoff auf einen Pulver aufzubringen welches sich in einer absenkbaren Wanne befindet.
Hierdurch entfallen, wie bei der ersten Variante noch notwendig, Stützstrukturen weil das zu erstellende Objekt von Pulver ganz umschlossen ist.
Durch Variante 2 ist auch möglich ein Metall(Pulver)-Klebstoff-Verbund herzustellen, wobei der Klebstoff in einem 2ten Behandlungsschritt ausgebrannt werden kann um ein massives Metallobjekt zu erhalten.

---

8. Contour Crafting (CC)

Dieses Verfahren dient zur Erstellung von Gebäuden. Werkstoff ist hier ein schnellhärtender Beton. Ein Portalroboter gießt mit diesem Beton die Umrisse der Gebäudemauern, welche später mit normalem Beton ausgegossen werden können.

Quelle

---

Durch mein eigenes Interesse an diesem Thema, hatte ich mich entschieden eine Zusammenfassung der wichtigsten Verfahren zu erstellen. Ich hoffe, ich kann hierdurch auch andere für den 3D-Druck begeistern.
Da dies mein erster Beitrag dieser Art ist, freue ich mich über eure Tips, was ich noch besser machen kann.

LG

---

Quellen:
https://www.carbon3d.com/process/
http://3d-druckercheck.de/3d-druck-verfahren/
Wikipedia
XYZ calibration cube