Was ist 3D Druck?

Was ist 3D Druck?

3D Druck wird immer häufiger als Synonym für die Fused Filament Fabrication (FFF) Fertigungsmethode verwendet, wie sie die meisten Desktop- 3D Printer einsetzten. Tatsächlich ist die FFF Methode aber nur eine einzige der vielen additiven Fertigungsverfahren (auch Rapid Prototyping, Rapid – Technologien oder generative Fertigungsverfahren). Anders als bei den konventionelleren, subtraktiven Verfahren, entsteht das Werkstück nicht durch Abtragen von Material, sondern durch Hinzufügen.  Dies hat zur Folge, dass komplexe Werkstücke einfach und billiger zu produzieren sind, einfacher individuell anzupassen und wenig Materialabfall entsteht. Als Materialien sind unterschiedliche Metalle, Kunststoffe und Verbundstoffe, aber  auch andere Materialien wie manche Lebensmittel, verfügbar.

Welche 3D Druck Verfahren gibt es?

Bei den meisten additiven Verfahren werden Werkstücke Schicht-um-Schicht aufgebaut. Ein digitalen Modell wird zunächst am Computer designt oder durch 3D Scanner generiert und wird anschließend in Volumsschnitte „gesliced“. Die Schichten werden dann am Drucker wieder zum ursprünglichen Objekt zusammengefügt. Die Art des Druckers entscheidet wie diese einzelnen Schichten zustande kommen und welches Materials verwendet werden kann.  Grundsätzlich kann man die verfügbaren Verfahren einteilen ob das Ausgangsmaterial in fester oder flüssiger Form vorliegt und die Verbindung der einzelnen Schichten durch Verkleben, Verbacken oder Verschmelzen erfolgt.

Verfahren mit festen Ausgangsmaterial

Fused Filament Fabrication (FFF) (auch: Fused Deposition Modeling – FDM)

 

Bei der FFF Methode liegt das Ausgangsmaterial als solider Faden vor, dem Filament. Das Filament wird durch einen Motor zur geheizten Düse am beweglichen Arm des Druckers geführt. Dort schmilzt das Material und kann entlang eines festgelegten Pfades extrudiert werden. Sobald das Material extrudiert ist, kühlt es wieder ab und nimmt wieder feste Form an. Der Druckkopf baut so langsam eine Schicht des Objektes auf. Sobald diese fertig ist, senkt sich die Druckfläche und die nächste Schicht des Werkstücks wird auf die erste aufgebaut. So entsteht langsam das fertige Objekt. Die FFF Methode ist derzeit die beliebteste und billigste der 3D Druck Technologien bei Desktop-printern und bietet eine große Auswahl von kunststoffbasiserenden Materialien. Inklusive ABS oder PLA. Auch Materialmischungen mit Karbon, Bronze, Nickel oder sogar Holz sind erhältlich.

FFF Printing

Selective Laser Sintering (SLS)

Auch bei dieser Technologie liegt das Ausgangsmaterial in fester Form vor. Anders als bei FFF allerdings nicht als Filamentfaden, sondern als pulver. SLS benützt einen Laser um pulverförmiges Material zu verbacken (partielles Verschmelzen) und in Schichten zu verbinden. Die einzelnen Körnchen des Materials bestehen aus Kunststoff oder polymerummanteltem Glas, Sand oder Metall.

Am Beginn des Druckprozesses fährt ein Laser die erste Sicht des Objektes ab und schmilz selektiv das Pulvermaterial. Sobald die Schicht erhärtet ist, fährt das Druckbett weiter hinab, eine neue Pulverschicht wird mechanisch oder hydraulisch aufgetragen und der Prozess beginnt von vorne, bis das Objekt fertig ist. Diese Technologie wird hauptsächlich in industrieller Produktion eingesetzt, wobei erste Desktop Versionen bereits auf dem Markt erschienen sind. Es wird vor allem für die Produktion von funktionellen Prototypen benützt und kann Objekte in Endproduktqualität herstellen. Der größte Vorteil bei den pulverbasierten Verfahren ist die hohe Designfreiheit. Das überschüssige, nicht verschmolzene Pulver dient als Stützmaterial für die Struktur während des Herstellungsprozesses. Dies erlaubt die Herstellung von hochkomplexen und verschachtelten Strukturen ohne Hilfe von weiteren Supportstrukturen. Pulverförmige Baumaterialien sind inzwischen in einer großen Vielfalt auf metallischer, mineralischer und organischer Basis verfügbar.

Selective Laser Sintering

Binder Jettin

Bei diesem ebenfalls pulverbasierten Verfahren werden die einzelnen Körner nicht mittels eine Lasers geschmolzen, sondern durch einen flüssigen Binder, der mittels Düsenkopf selektiv auf den Werkstoff aufgetragen wird, verklebt. Binder Jetting wird in der industriellen Produktion benützt und verwendet am häufigsten Sandstein als Ausgangsmaterial. Es ist billiger, da weniger energieaufwendig als SLS, die gedruckten Objekte sind allerdings weniger widerstandsfähig. Die Vorteile des SLS Technologie bleiben aber erhalten, da auch hier das überschüssige Pulver als Stützstruktur dient.
Durch das Verwenden von eingefärbten Pulver und die Möglichkeit in voller Farbe Objekte zu drucken, wird diese Technologie besonders gerne bei der Herstellung von Voll-farben Skulpturen oder architektonischen Modellen benützt.

Verfahren mit flüssigem Ausgangsmaterial

Stereolithografie und Digital Light Processing (SLA & DLP)

Sowohl SLA als auch DLP benützen flüssiges Photopolymer als Ausgangsmaterial und verwenden Licht um das Material zu verhärten, sie benützen dabei allerdings unterschiedliche Lichtquellen. Bei der Stereolithografie wird die Flüssigkeitsschicht flächig aufgetragen und anschließend mit eines Laserstrahls in einer 2D Bahn abgefahren und somit verfestigt. Bei der Digital Light Processing Methode erfolgt die Verfestigung durch eine dynamisch erzeugte Fotomaske aus einem Projektor und bildet so die gesamte Volumensschnittebene in einem Schritt ab. Sobald eine Schicht erhärtet ist bewegt sich die Druckplatte und lässt eine Schicht des Druckmaterials unter das Druckobjekt fließen und die nächste Schicht kann aufgebaut werden.

Es gibt bereits Desktop-Drucker die diese Technologie nutzen um ihre Objekte aufzubauen, die Materialien sind aber derzeit noch auf verschiedene Harze beschränkt. Im Vergleich zu den FFF Druckern, können diese Drucker Objekte mit höherer Genauigkeit und daher glatteren Oberflächen produzieren.

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