3D-Druck : Das sind die etabliertesten Rapid Prototyping-Verfahren

Die Rapid Prototyping-Technologie zeigt viele Vorteile gegenüber traditionellen Fertigungsmethoden: Kosten, Zeit und Ressourcen werden vermindert, die Gestaltungsmöglichkeiten dafür gesteigert. Laut einer Studie von Dimensional Research von 2019 ist Rapid Prototyping die bis heute am weitesten verbreitete Anwendung für 3D-Drucktechnologien. Die Studie besagt weiters, dass die additive Fertigung für die Massenproduktion von Teilen wächst dafür stetig. Daraus haben sich fünf Verfahren herauskristallisiert, die am häufigsten in der Produktion angewandt werden:

Beim selektiven Lasersintern erfolgt die Herstellung der Modelle mithilfe eines Laserstrahls. Dabei wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial wie Alumid, Polyamid oder aber auch Elastomer vollflächig auf eine Bauplattform aufgetragen. Die Schichten werden durch einen Laserstrahl entsprechend der Schichtkontur schrittweise in das Pulverbett bis kurz unter den Schmelzpunkt erhitzt und dadurch werden sie verbunden. Nach Fertigstellung einer Schicht wird die Bauplattform herabgesenkt und eine neue Pulverschicht wird aufgetragen. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht von unten nach oben. Dadurch können auch hinterschnittene Konturen erzeugt werden. Überhängende Strukturen werden dabei im Pulverbett stabilisiert, sodass Stützstrukturen nicht notwendig sind. Letzteres ist einer der wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber beispielsweise der Stereolithografie. Mit dem SLS-Verfahren lassen sich produktspezifische Greifer-Systeme für Handling-Aufgaben fertigen. Auch in der Automobilbranche, der Luftfahrtindustrie und in der Medizintechnik kommt das Verfahren zum Einsatz.

Wie eine Turbine mittels SLS-Verfahrens gedruckt wird:

Das Selektive Laserschmelzen ist ein Rapid Prototyping-Verfahren, das für die Fertigung von Metall-Teilen verwendet wird. Die Bauteile werden im Schichtverfahren aufgebaut. Der größte Unterschied zum SLS-Verfahren liegt darin, dass beim SLM das Materialpulver nicht gesintert wird. Beim selektiven Laserschmelzen wird das Materialpulver direkt an dem Bearbeitungspunkt durch die Wärmeenergie eines Laserstrahls lokal aufgeschmolzen. Der Bauraum mit dem Pulvermaterial wird bis knapp unter die Schmelztemperatur erhitzt.

Neben der Luft- und Raumfahrtindustrie wird das SLM-Verfahren auch in der Werkzeugindustrie eingesetzt. Hier kommt es auf hohe Festigkeit und Verschleißbeständigkeit an, sodass hauptsächlich Stähle verarbeitet werden. Die häufigste Anwendung ist hierbei die Herstellung von Formen für Gießprozesse, Umformwerkzeuge und Sonderwerkzeuge. Ein Pluspunkt dieses Verfahrens ist der Production on demand-Aspekt, der Logistikkonzepte von Unternehmen stark verändern kann. Ersatzteile müssen so nicht gehortet, sondern können bei Bedarf ausgedruckt werden. Das ist in der Flugzeug- als auch in der Automobilbranche ein essentieller Vorteil. So hat der gesamte VW-Konzern bereits weltweit über 120 Anlagen zur additiven Fertigung mit Metall und Kunststoff und Boeing pro hergestelltem Langstrecken-Verkehrsflugzeug "Dreamliner" zwischen zwei bis drei Mio. Euro eingespart, da die Titan-Teile aus dem 3D-Drucker stammen.

Dieses Video veranschaulicht, wie ein Ersatz-Bremssattel für einen Bugatti hergestellt wird:

Das am längsten am Markt etablierte und patentierte additive Fertigungsverfahren, bei dem ein Werkstück durch frei im Raum materialisierende Punkte schichtweise aufgebaut wird, ist die Stereolithografie. Dieses Verfahren wird für für die Erzeugung von Konzeptmodellen mit hoher Auflösung und hoher Oberflächenqualität verwendet. Für das Stereolithografie-Verfahren werden flüssige, duroplastische Harze eingesetzt, die durch UV-Licht aushärten. Dabei können Harze mit verschiedenen Farben und unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften benützt werden. Für die Bauteilerzeugung kommt ein UV-Laser zum Einsatz, durch dessen Strahlung das duroplastische Harz lokal ausgehärtet wird. Nachdem eine Schicht auf der Harzoberfläche ausgehärtet ist, wird die Bauplattform abgesenkt und eine nächste Harzschicht aufgetragen. Diese Vorgänge werden iterativ Schicht für Schicht wiederholt, bis der Bauprozess abgeschlossen ist. Spezifisch für das SLA-Verfahren ist, dass Support-Strukturen benötigt werden, die auf der einen Seite das Teil während des Bauprozesses stützen und zur anderen Seite mit der Bauplattform verbinden. Das Anwendungsspektrum erstreckt sich von optisch hochwertigen schwarzen Design- bis hin zu transparenten Teilen mit hoher Wärmeformbeständigkeit zur Visualisierung des Durchflusses heißer Fluide.

Das SLA-Verfahren ist ein äußerst präzises Verfahren, mit dem glatte Oberflächen erzeugt werden können, wie auch beispielsweise Glas.

Die ETH Zürich und der Schweizer Glashersteller Univerre haben mittels SLA-Verfahren bereits Glas gedruckt:

Fused Filament Fabrication gehört zu den Schmelzschichtungsverfahren und wird häufig im Heim- und Hobbybereich angewandt. Das Verfahren zählt zu den ältesten Verfahren des 3D-Drucks. Bei dieser Rapid Prototyping-Methode wird das Objekt schichtweise aus einem schmelzfähigen Kunststoff hergestellt. Dabei wird meist mit dem Kunststoff ABS gearbeitet, der vor allem durch seine Beständigkeit und Robustheit gekennzeichnet ist. Thermoplastische Kunststoffe werden Schicht für Schicht aufgetragen, der Kunststoffdraht wird durch erhitzte Düsen transportiert und aufgeschmolzen. Die Grundwerkstoffe sind Filamente, die auf Spulen aufgewickelt sind. Das Fused Filament Fabrication-Verfahren wird beim Prototypenbau, bei der Kleinserienfertigung, beim Formenbau, Funktionsteilen und auch beim Design und in der Architektur angewandt. Die gedruckten Bauteile sind sehr belastbar, dafür weisen sie rillige Oberflächen auf.

Hier sehen Sie die FFF-Methode im Einsatz:

Beim 3Dp-Verfahren wird das Modell aus einem gipsartigen Pulver gefertigt, das an bestimmten Stellen durch ein Bindemittel verfestigt und Schicht für Schicht aufgetragen wird. Durch einen Binder haften die Schichten aneinander und verschmelzen so miteinander. Vor allem Anschauungsmodelle und Funktionsprototypen werden mit diesem Verfahren hergestellt. Außerdem zählt 3Dp zu einer der wenigen Technologien, mit der mehrfarbige hochauflösende Modelle gedruckt werden können. Ein weiterer Vorteil des Pulverdruck-Verfahrens ist seine hohe Detailtreue und die kostengünstige Produktion. Was bei diesem Verfahren dafür unbedingt notwendig ist, ist die Nachbereitung des Teils. Das überschüssige Pulver wird mit Druckluft entfernt und bei Bedarf wird der gedruckte Teil mit einer speziellen Lackierung verfestigt. Teile, die mit dem Pulverdruck hergestellt werden, besitzen nur beschränkte mechanische Eigenschaften, da sie zusammengeklebt werden.