27. April 2020
5 Min.

Additive Manufacturing

Der Einsatz von additiven Fertigungstechniken (engl. additive Manufacturing) ist im Alltag der Produktentwicklung nicht mehr weg zu denken. Gerade für Techniken wie Rapid Prototyping ist die direkte Umsetzung von CAD Daten in ein physikalisches Objekt bedeutend - durchführbar in kürzester Zeit und ohne großen Kosten- und Materialaufwand. In diesem Artikel soll ein kurzer Überblick gegeben werden, welche aktuelle Verfahren es im Allgemeinen gibt.

Durch die Verwendung verschiedenster Materialien und Techniken werden additive Fertigungstechniken in unterschiedlichen Anwendungsgebieten, von der Raumfahrt bis hin zur Herstellung von Schutzausrüstung und medizinischem Bedarf, vielseitig eingesetzt.

Vorgehensweise

Bei additiver Fertigung, im Volksmund meist auch „3D-Druck“ genannt, muss zwischen den Anwendungsbereichen unterschieden werden. Je nach Technologie kann dieser in unterschiedlichen Bereichen eingesetzt werden. Was aber alle aktuellen marktreifen Technologien gemeinsam haben ist, dass die Objekte in Schichten geschnitten und anschließend Schicht für Schicht mit einander verschmolzen werden. Daher auch „additiv“, da die Schichten auf einander aufsummiert das Objekt ergeben. Zum Umwandeln des Objekts aus einer Objektdatei wie z.B. „.stl“ in Maschinencode GCODE wird ein  „Slicer“ verwendet. Solche Software gibt es von verschiedenen Anbietern und Herstellern.

Für den Druck müssen hier schon Parameter übergeben werden, um bspw. zu definieren, welche Art von Maschine verwendet wird.
Über die Schichthöhe kann auch die Qualität bzw. die Auflösung des Drucks bestimmt werden. Eine kleinere Schichthöhe ermöglicht es Rundungen glatter zu fertigen. Klar muss man hier immer das physikalisch Mögliche sehen.
Durch die Schichthöhe wird die Anzahl der Schichten allerdings ebenfalls beeinflusst. Da jede Schicht Zeit zum Drucken benötigt, braucht eine gröbere Layer Auflösung weniger Zeit als eine feinere Auflösung, da weniger Schichten gedruckt werden müssen.

 FDM Druck

Für den privaten Anwender wie mich, ist der Fused Depositioning Modeling Druck interessant. Die kostengünstigen Drucker, welche einen Kunststofffaden erhitzen und diesen über eine Düse extrudieren, sind bereits für wenige hundert Euro erhältlich und einfach und schnell einsetzbar.
Ein weiterer Vorteil sind zudem die niedrigen Materialkosten. Hier liegt der durchschnittliche Preis etwa bei ~30€ pro 1kg. Natürlich hängt dieser davon ab, welche Qualität oder Verwendung man anstrebt. Preiswertes Material, für Prototypen oder einfache Halterungen, kann auch schon für die Hälfte erworben werden. Polymere mit Carbon-Anteil, flexiblen Eigenschaften oder besondere Umwelteigenschaften können aber auch  in den Bereich von 100€/kg gehen. Nach oben gibt es wie immer keine Grenzen. Ein weiterer Faktor ist die einfache Verwendung dieser Maschinen. Gesundheitsschädigende Gefahren sind bei solch einer Maschine i.d.R. nicht zu erwarten. Vorausgesetzt, es wird in einem gut durchlüfteten Raum gedruckt. Daher kann auch ein unerfahrener Anwender schnell gute Ergebnisse erreichen.
Nachteil des FDM-Drucks ist die Extrusion über die Düse. Zum einen ist die Auflösung begrenzt durch die technischen Eigenschaften der Antriebe, zum anderen braucht ein hochauflösender Druck für eine schöne Oberfläche sehr lange bei großer Druckgröße. Braucht man z.B. ein Objekt, welches für Flüssigkeiten und Gase undurchlässig ist, bekommt man das kaum mit einem FDM Drucker hin. Dafür ist eine Nachbearbeitung notwendig, wie z.B. eine Versiegelung oder Lackierung.

SLA Druck

Das komplette Gegenteil vom FDM-Druck ist der Stereolithografie-Druck, kurz SLA-Druck, bei welchem flüssiges Resin durch eine UV-Lichtquelle ausgehärtet wird.
Resin ist ein Kunstharz, welches sich durch UV-Licht verhärtet und ohne den Zusatz von Farbstoffen durchsichtig ist. Dadurch kann man später auch komplett klare Druckergebnisse erreichen.
Interessant ist das vor allem für kleine Sachen wie Modelle oder detailreiche Figuren. Perfekt eignet sich der SLA-Druck auch für Bauteile, welche hoch präzise sein müssen oder Flüssigkeiten oder Gase beinhalten sollen.
Beispielsweise wird ein Formlabs 2 3D-Drucker bei der Fakultät Chemie an der HS Reutlingen eingesetzt, um Oberflächen und Laborutensilien herzustellen, welche so nicht auf dem Markt erhältlich sind.
Nachteil dabei ist der deutlich höhere Materialpreis. Nicht gerade förderlich hierbei ist, dass geschlossene Körper meist massiv gedruckt werden müssen, da das Resin später nicht ausfliesen kann. Zudem ist Resin nicht sonderlich gesundheitsfördernd. Bei Kontakt mit der Haut können Irritationen entstehen. Außerdem sollten SLA Drucker nur in gut gelüfteten Räumen benutzt werden, da beim Betrieb Gase entstehen, welche unangenehm riechen..

SLM / EBM Druck

In der Industrie weit verbreitet ist der SLM Druck, SLM steht hierbei für Selective Laser Melting. In der Praxis wird mit einem Laser, welcher durch Spiegel gelenkt wird, Kunststoffpulver erhitzt und geschmolzen. Mietling. Hierbei wird kein Laser benutzt, sondern ein Lichtbogen, welcher Metallpulver schmilzt. Interessant ist dabei die Möglichkeit Metall zu „drucken“.
Klar muss das realistisch gesehen werden – die resultierenden Teile sind von der Statik her nicht mit Guss- oder Frästeilen zu vergleichen.
Es ist jedoch eine interessante Alternative zur Verarbeitung von Kunststoff, wenn man bedenkt, dass die Bauteile höhere Temperaturen aushalten und auch belastbarer sind.
Anwendungsbereiche wären hierbei Spezialanfertigungen für die Luft- & Raumfahrt, Motorenbau und Tuning, wie auch Prototypen oder die Ersatzteilfertigung.
Nachteil der ganzen Sache ist, dass die Drucke nachbearbeitet werden müssen und auch bei der Konstruktion darauf geachtet werden muss, dass Löcher in Hohlräume integriert werden. Diese werden benötigt, um nicht geschmolzenes Pulver aus dem Bauteil zu entfernen.
Beim Thema Material gibt es einen weiteren Haken. Anders als beim SLA oder FDM Druck kann man das nicht verwendete Material nicht weiterverwenden.
Oftmals kann vom nicht geschmolzenen Pulver aus der Druckkammer nur etwa 50% für den nächsten Druck beigemischt werden. Das liegt zum einen daran, dass Pulver in jeglicher Form sehr anfällig für Feuchtigkeit ist und sich dadurch schlechter drucken lässt. Dies gilt auch beim FDM Druck. Durch das Erhitzen von feuchtem Material dehnt sich das gebundene Wasser explosionsartig aus, was zur Folge hat, dass das Material an dieser Stelle nicht genau verarbeitet werden kann. Beim FDM Druck spritzt der Kunststoff dann regelrecht aus der Düse heraus.

Fortfahrend

Es gibt interessante Forschungsansätze, zur Beschleunigung von Druckvorgängen oder Nutzung von alternativen Materialien.
Bspw. Der 3D-Druck, welcher durch Fokussierung von Licht in einem Resinbehälter im freien Raum Material aushärten kann.
Ein weiterer Ansatz ist der Bau von Häusern mittels additiver Fertigung.
Der Anwendungsbereich für additive Fertigungen ist fast endlos, vom Einsatz in der Medizin, über die Produktion von Ersatzteilen für die Deutsche Bahn bis hin zur Produktion von Spielzeug mit dem eigenen 3D-Drucker gibt es fast nichts, was nicht für 3D-Druck in Frage kommt. Kannst du dir es Vorstellen und es Zeichnen, kannst du es auch in der Regel drucken. Ob es später auch den Belastungen standhält ist natürlich eine andere Frage.

Bildnachweise: https://www.3dprintersonlinestore.com/resin

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