Beim 3D-Druck unterscheidet man zwischen verschiedenen Technologien und Verfahren. Während in privaten Haushalten meist Geräte vorhanden sind, die mit der FDM- oder FFF-Extrusion arbeiten, kommen in Unternehmen oft SLS, Selective Laser Melting oder EBM, Material Jetting und Binder Jetting Verfahren zum Einsatz. Was sich hinter diesen ganzen Abkürzungen verbirgt und wie die Verfahren arbeiten, das soll Ihnen der nachfolgende Beitrag näherbringen.

Inhalt:

  1. Tabellarische Übersicht
  2. Detaillierte Beschreibung der Verfahren
  3. News und aktuelle Entwicklungen
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Tabelle

VerfahrenAbkürzungTechnikEigenschaftenVorteileEinsatzgebieteAllgemeines
Fused Deposition ModelingFDMExtrusion- für Desktop 3D-Drucker nutzbar
- für den Hausgebrauch
- einfache Funktionsweise
- breite Auswahl an Filamenten
- Filamente leicht verfügbar
- Druckmaterialien vergleichsweise günstig
- Von Stratasys entwickeltes und als Marke (Tradeemark) eingetragenes Verfahren
Fused Filament FabricationFFFExtrusion- für Desktop 3D-Drucker nutzbar
- einfache Funktionsweise
- für den Hausgebrauch
- einige exotischere Filamentzusammensetzungen (mit Metall, Mineralien etc.) verwendbar- Ohne Markenrechte, unternehmensunabhängig
Fused Layer ModelingFLMExtrusion
  • Das Filament wird im Extruder erwärmt und dann durch eine oder mehrere Düsen Schicht für Schicht auf die Baufläche aufgebracht. Es härtet dort aus.
  • Düsen sind regelmäßig zu reinigen, da sie sonst verstopfen.
  • Vermutlich mit am häu-figsten eingesetztes 3D-Druck-Verfahren (inklisi-ve FFF und FDM).
  • Breite Auswahl an Filamenten.
  • Große Vielfalt an möglichen Objekten.
  • 3D-Drucker meist schnell aufgebaut und einsatzbereit.
  • Sensor meldet, wenn das Filament aufgebraucht ist.
  • Für private Nutzer, auch Anfänger, geeignet.
  • MakerSpaces
  • Büros
  • Bildungseinrichtungen
Der Begriff FLM wurde zuerst vom Verein deutscher Ingenieure in dessen Richtlinien genutzt.
StereolithographieSLAExtrusion- Arbeitet mit Photopolymerharz
- Nutzt UV-Licht und Laserstrahl
- Harz wird Schicht für Schicht gedruckt und zugleich ausgehärtet
- Zur Herstellung von Gussformen verwendbar
- Sehr detaillierte Druckergebnisse
Digital Light ProcessingDLPPhotopolymerisation- Arbeitet mit Harz
- Digitaler Lichtprozessor bzw. -projektor als UV-Lichtquelle
- Zur Herstellung von Gussformen nutzbar - Größere Druckgeschwindigkeit als bei den meisten herkömmlichen 3D-Druckern
Selectives Laser Sinting (Selektives Lasersintern)SLSPowder Bed Fusion- Metall 3D-Druckverfahren
- Industrieller Einsatz
-Arbeitet mit Laser
- nutzt verschiedene Pulver in unterschiedlichen Zusammensetzungen
- Material wird gesintert
- Sehr effektiver Materialeinsatz
- Verschiedenste Materialzusammensetzungen möglich
- Breites Einsatzgebiet
- Großer Bauraum
Laser SinternLSPowder Bed Fusion- Einsatz eines Lasers
- Schichtweiser Auftrag aufgeschmolzenen Pulvers
- verschiedenste Pulver verwendbar
- Ideal für Prototypenherstellung und Produktserien
- Herstellung eines Gießwerkzeugs entfällt
Selectives Laser Melting (Selektives Laserschmelzen)keine (siehe Allg.)Powder Bed Fusion- Ähnliche Eigenschaften wie SLS
- Einsatz eines Elektronenstrahls
- Verarbeitet verschiedenste Metalllegierungen
- Effektiver Materialeinsatz
- Häufige Verwendung in der Luft- und Raumfahrtindustrie, aber auch Medizin, Automobilindustrie, usw.
- Insgesamt breites Einsatzgebiet
- 3D-Drucker oft mit großem Bauraum
Die Abkürzung SLM ist vom Unternehmen SLM Solutions markenschutzrechtlich geschützt und damit keine offizielle Abkürzung für das Selektive Laser Melting.
Laser MeltingLMPowder Bed Fusion- Laser schmilzt Metallpulver selektiv
- Zu druckendes Objekt wird schichtweise im Pulverbett aufgebaut
- Hohe Dichte des verarbeiteten Metalls
- Nachbearbeitung wie bei Schweißteilen möglich
- Zahlreiche Pulver einsetzbar
- Zur Fertigung von Prototypen, Kleinserien und Werkzeugen geeignet
Directed Energy DepositionDEDExtrusion- Einsatz in der Industrie
- Düse bewegt sich in mehrere Richtungen
- Elektronen- oder Laserstrahl schmilzt das Material
- Polymere, Keramiken, Metallpulver und Metalldrähte verarbeitbar
- Für Instandsetzungsmaßnahmen geeignet
Direct Metal Laser SinteringDMLSPowder Bed Fusion- Englisches Synonym für Laser Melting (LM)/ Laser-schmelzen - Verwendung von Metallpulvern- Sowohl für Prototypen als auch für Kleinserien und Funktionstests geeignet- Verwendung in 3D-Druckern von SLM Solutions und EOS
Continuous Liquid Interface Produc-tionCLIPPhotopolymerisation
  • Projektor verschmilzt mit UV-Licht das Material zu fester Substanz.
  • Setzt auf chemische Prozesse und eine exakte Mengenangabe.
  • Nutzt Sauerstoff, damit die Strukturen nicht zu schnell verhärten.
Arbeitet nach Hersteller-angaben deutlich schneller als andere SLA-3D-Drucker.
  • Automobilindustrie
  • Luftfahrtindustrie
  • Medizin
  • Produzierendes Gewerbe
Ein vom 3D-Drucker-Hersteller Carbon entwickeltes 3D-Druckverfahren (mehr Infos).
Multi Jet FusionMJFPulverbasiertes Schmelzverfahren mittels Wärme
  • Für den industriellen Einsatz.
  • Äußerst große Detailgenauigkeit.
  • Nutzt PA 12 und PA 11.
  • Sehr formstabil.
  • Hohe Verschleißfestigkeit.
  • Glatte Oberfläche.
  • Sehr geringe Wandstärke möglich
  • Industrie
  • Metallverarbeitendes Gewerbe
  • Serienfertigung
  • Prototyping
  • Werkzeugbau
  • Ersatzteilherstellung
Entwickelt von HP Inc.
Binder Jetting / Full Color 3D-Printing / Inkjet Powder PrintingMaterial Jetting / MultiJet Modeling- Flüssiges Bindemittel auf pulver-förmiges Material gestrahlt
- Pulverkörner werden zu gewünschtem Objekt verbunden
- Einsatz unter anderem in Vollfarb-3D-Druckern
Selective Heat SinteringSHSPowder Bed Fusion- Einsatz eines Thermodruckkopfes
- Schichtweise Auftragung des Pulvers durch eine Walze
- Verwendung von Kunststoffpulvern
- Arbeitet ähnlich wie das Laser Sintern
- Für Prototypen und Kleinserien geeignet, meistens für Konzeptbewertungen und Funktionsprüfungen eingesetzt
Photopolymer JettingMaterial Jetting / MultiJet Modeling- Verwendung von flüssigem lichtempfindlichen Photopolymer
- UV-Lampe härtet Material aus
- Einsatz von Tintenstrahlköpfen
- Industrieller Einsatz
- Verschiedene Materialien gleich-zeitig einsetzbar
- Detailgenaue Drucke und Oberflächenveredlungenmöglich
- 3D-Drucker mit großem Bauvolumen möglich
PP (3D-Druck auf Gipsbasis / Plaster-based 3D Printing)Powder Bed Fusion- Arbeitet auf Gipsbasis
- Verwendet Tintenstrahlköpfe, die 2D-Tintenstrahldruckerköpfen ähneln
- Vollfarbdrucke sind möglich
- Gips ist ein sehr grobes Material und benötigt ein Bindemittel
Sheet Lamination / Laminated Objekt ManufacturingLaminierung- Einsatz dünnschichtiger Materialien wie beispielsweise Metallfolien, Kunststofffolien, Papier
- Verwendung von Lasern oder scharfen Klingen
- Folien werden in die 3D-Form geschnitten
- Einsatz verschiedenster Folien möglich
- Fertigung sehr dünner Objekte mit
- unterschiedlichen Eigenschaften
Bioprinting / 3D-Bioprinting / Biodruck3DBPNutzung biologisch abbaubarer Materialien/ organischer Substanzen
  • 3D-Druck mit speziell hergestellter „Biotinte“, also Tinte aus organischen Substanzen.
  • Zellen bzw. Zellaggregate werden in 3D-Biostruktur gegeben.
  • Einsatz eines Perfusionsreaktors
  • Passgenaue, kundenspezifische organische Objekte, wie Haut, Organe, Knochen und andere Körperteile, die eine verbesserte medizinische Behandlung möglich machen.
  • Bioprinting ermöglicht es die Menge an Tierversuchen zu reduzieren.
  • Herstellung menschlichen Knochenmaterials und anderer Gewebestrukturen.
  • Nutzung für die medizinische Forschung.
  • Einsatz in der Kosmetikindustrie (beispielsweise zur Herstellung von Haut für Produkttests).
3D-Druck von Lebensmitteln / Lebensmitteldruck / Foodprinting3DFPExtrusion
  • Verschiedenste Lebensmittel können gedruckt werden.
  • Teile des 3D-Druckers, die mit Lebensmittel in Kontakt kommen, können problemlos gereinigt werden.
  • Confiserien
  • Konditoreien
  • Altenheime
  • Private Haushalte
  • Confiserien
  • Konditoreien
  • Altenheime
  • Krankenhäuser
  • Private Haushalte
  • Marketing
  • Militär
Thermal Masking TechnologyPhotopolymerisation
  • Einsatz eines Thermodruckkopfes.
  • Dreiteilige Beschichtung der Glasdruckplatte.
  • Verwendung von SLA-Harzen.
  • Detailgetreue Darstellung.
  • Niedriger Anschaffungspreis.
  • Nach Herstellerangaben für Einsteiger gut geeignet.
Entwickelt von ILIOS.
Light Initiated Fabrication TechnologyLIFTPhotopolymerisation
  • Nutzt verschiedene Schlüsselfaktoren-/technologien.
  • Einsatz speziell entwickelter SLA-Harze.
  • Druckt hochvisköse und füllbare Materialien.
  • Hersteller verspricht große Zeit- und Kostenersparnis.
  • Im medizinischen und industriellen Sektor einsetzbar.
  • Aushärtungszeit wird Schicht für Schicht automatisch berechnet.
Das 3D-Druckverfahren LIFT wurde von der coobx AG entwickelt und wird von EXIGO 3D-Druckern eingesetzt.
3D-NanolithographiePowder Bed Fusion
  • Partikel fügen sich zu Bausteinen zusammen
  • Industrieller Einsatz
  • Kolloide bringen Licht in die gewünschten Bahnen
  • Sehr forschungsintensiv
  • Geringere Kosten als herkömmliche Nanolithographieverfahren
  • Sehr hohe Genauigkeit
Laser Deposition WeldingLDWExtrusionWie das Directed Energy Deposition-(DED)-Verfahren.
  • Einsatz in der Industrie
  • Düse bewegt sich in mehrere Richtungen
  • Elektronen- oder Laserstrahl schmilzt das Material
Wie das Directed Energy Deposition-(DED)-Verfahren.
  • Polymere, Keramiken, Metallpulver und Metalldrähte verarbeitbar
  • Für Instandsetzungsmaßnahmen geeignet
Rapid Plasma DepositionRPDTitandrahtschmelzung
  • In Luft- und Raum-fahrtindustrie sowie Maschinenbau ein-setzbar
  • Titandraht wird auf-geschmolzen und zu neuen Strukturen verarbeitet
  • Sehr detaillierte Arbeiten möglich
  • Kostenersparnisse von 50 bis 75 Prozent erzielbar
  • Wesentlich weniger Material- und Energieverbrauch
Erfinder: Norsk Titanium AS, Norwegen
Rapid Liquid PrintingRLPFertigung in Behälter mit Gel
  • Selbstaushärtend
  • Freischwebender Druck in Behälter mit Gel
  • Kein UV-Licht oder andere Lichtquelle notwendig
  • für Möbelfertigung entwickelt
  • Deutlich schnellere Produktionszeit als bei anderen 3D-Druck-Verfahren
  • Fertigung großer Bauteile möglich
  • Kein UV-Licht oder andere Lichtquelle notwendig
  • Sehr gute Druckqualität
Composite-Based Additive ManufacturingCBAMVerarbeitung von Kohlefaser-, Glasfaser-, Kevlar-Verbundblechmaterial und Thermoplastmatrix-Materialien
  • Arbeitet mit Vliesstoffen
  • Kann Kunststoffe verschiedenster Zu-sammensetzungen herstellen
  • Verbindung der Schichten durch Zusammenpressen und späteres Perlstrahlen des Vliesstoffes
  • 50 Prozent geringeres Gewicht als Aluminiumlegierungen
  • Schnelle Produktionszeit
  • Unter anderem in Raumfahrt, Elektronik, Elektrotechnik und Robotik einsetzbar
Erfinder: Impossible Objects LLS
Intelligent Liquid InterfaceILIPhotopolymerisation
  • Härtet unter Licht aus
  • Verwendet transparente Membrane
  • Unter anderem in der Medizin einsetzbar
  • Geringere Fertigungs-zeit als andere SLA- und DLP-Verfahren
  • Optimierte Software
  • Entwickelt von NewPro 3D und Materialise
  • Einsatz im NP 1 3D-Drucker
PolyJet-TechnologiePhotopolymerisation
  • Aushärtung unter Licht
  • Wird abgestrahlt
  • Genauigkeit von 0,1 mm
  • Arbeitet sehr präzise und genau
  • Lange Nutzungsdauer des Verfahrens
  • 3D-Drucker für verschiedenste Anwendungsbereiche
Entwickelt von Stratasys
Continuous Fibre Additive ManufacturingCFAMGlas- und Kohlefaser-verarbeitung
  • Großvolumige 3D-Objekte möglich
  • Verschiedenste 3D-Drucker-Materialien einsetzbar, so unter anderem ABS, PP, PEEK und PET
  • Einsatz im Schiffbau zur Fertigung von Yachten
  • Im Bauwesen ebenfalls einsetzbar
  • Ermöglicht großformatige 3D-Drucke mit verschiedensten Filamenten
Entwickelt von MarkForged, weiterentwickelt von CEAD
Single-Pass-Jetting-TechnologieSPJMulti Jetting
  • Großvolumige Drucke möglich
  • Massenfertigung möglich
  • Verschiedenste Filamente verwendbar
  • Serienfertigung größerer Mengen möglich
  • In verschiedenen Industriezweigen einsetzbar
  • Gleichbleibend hohe Druckqualität
  • Glas recycelbar, Lösungsmittel werden aufgesammelt und wiederverwendet
Entwickelt von Desktop Metal
Laser Metal DepositionLMDExtrusion
  • Große Materialauswahl
  • Legierungen erhöhen Verschleißfestigkeit der Bauteile
  • Vielfältig einsetzbar
Laser Metal Deposition-Wire PowderLMD-WPExtrusion
  • Gleichzeitige Abscheidung von Draht und Pulver möglich
  • Hohe Qualität der Legierungen
  • In verschiedenen Bereichen einsetzbar
Entwickelt von Additec Wire
Aerosol-Jet-PrintingAJPDirect Maskless Writing
  • Äußerst präzise (Genauigkeit von bis zu 10 Mikrometer)
  • Nutzt verschiedens-te dielektrische Po-lymere und Nano-partikel-Tinten, die zu Aerosolen zer-stäubt und genau fokussiert werden
  • Druckgeschwindigkeiten von 100 mm/s sind möglich
  • Große geometrische Komplexität
  • Breitgefächerte Materialkompatibilität
  • Große Auflösung
  • Unabhängig einsetzbar
  • Herstellung von elektronischen Schaltkreisen
  • Fertigung aktiver und passiver Kom-ponenten, Sensoren, Aktuatoren
  • Durch zahlreiche selektive chemische und biologische Reaktionen zukünftig breit gefächert einsetzbar
Einsatz bei Fraunhofer ENAS, mehreren amerikanischen, britischen und schweizerischen Universitäten bzw. Hochschulen.
Vision-Controlled JettingVCJMulti Jetting
  • Kombination mit Bildgebungsverfahren
  • Sehr präzise (bis auf 10 Mikrometer genau)
  • Kombination verschiedener Materialien möglich
  • Für Prototypen und Se-rien geeignet
  • Für verschiedenste An-wendungen einsetzbar
  • Bis zu 4 Materialien gleichzeitig verarbeitbar
Entwickelt von Inkbit
Cellular FabricationC-FabDirect Digital Manufacturing
  • Arbeitet mit geo-metrischen Matrizes
  • Nutzt verschiedenste Baumaterialien, beispielsweise Mischungen aus Kohlefaser und ABS
  • In die offenen Zellen der Matrix können weitere Materialien eingefüllt werden
  • Projekte unterschiedlichster Größe lassen sich realisieren
  • Günstiges Festigkeits-Gewichts-Verhältnis
  • Ressourcen- und zeitschonend
  • Architektur
  • Bauwesen
  • Kunst
Entwickelt von Branch Technology
Cold Metal FusionCMFFeedstock-System in Kombination mit Selective Laser Sintering
  • Verarbeitung ver-schiedener Metallpulver möglich.
  • Umfasst CAD-Konstruktion, 3D-Druck-Prozess, Entpulvern, Nachbearbeitung der Grünteile, Vorentbinderung und Sintern.
  • Zu 99,9 Prozent gleiche Eigenschaften wie Bauteile gleicher Geometrie, die mit herkömmlichen Verfahren gefertigt wurden.
  • Verwendung aller Metal-le der Pulvermetallurgie möglich.
  • Bis zu 80 Prozent niedri-gere Bauteilkosten.
  • Einfachere Nachbearbeitung der Grünteile.
  • 8 x höherer Bauteilout-put, der Angaben der Entwickler zufolge durch Weiterentwicklung der Technologie und Einsatz von Laser Dioden auf durchaus 40 % gesteigert werden kann.
  • Metallverarbeitendes Gewerbe
  • Industrie
Entwickelt von Headmade Materials GmbH
Lithography-based Metal ManufacturingLMMPhotopolymerisation
  • hohe Wirtschaftlichkeit
  • Aufwendige, manuelle Nachbearbeitung entfällt
  • geeignet für metallische Klein- und Kleinstbauteile
  • hohe Präzision und Oberflächenqualität
  • benötigt keine Stützstrukturen
  • Bauteile dreidimensional im Bauraum anordenbar (optimale Bauraumnutzung)
  • sehr gute Oberflächenqualität
  • hohe Reproduzierbarkeit
  • breites Werkstoffspektrum möglich
  • keine thermischen Spannungen, da kein Schweißprozess stattfindet
  • keine Stützstrukturen im Druckprozess erforderlich
  • hervorragende mechanische Eigenschaften
  • komplexe und präzise Klein- und Mikrobauteile
  • Medizintechnik
  • Schmuckindustrie
  • Feinmechanik/ Mechatronik
  • Automobilindustrie
  • Luft- und Raumfahrtindustrie
Mehr Infos zur LMM Technologie: www.metshape.de
Titomic Kinetic FusionTKFPulverbasiertes Metall-3D-Druck-Verfahren mittels Roboter oder inhouse
  • Erreicht Ultraschallgeschwindigkeit
  • Metallpartikel werden in Strahlstrom injiziert, beim Auftreffen auf eine Oberfläche verformen sie sich und verschmelzen
  • verschiedenste Metalllegierungen möglich
  • Ermöglicht On-Demand-Fertigung
  • Keine wochen- oder monatelangen Vorlaufzeiten, sondern Fertigung binnen weniger Stunden oder Tage möglich
  • Fertigung von Stütz-strukturen möglich
  • Sehr präzise
  • Bis zu 80 Prozent gerin-gerer Materialverbrauch
  • Einsatz in der Metallverarbeitung
  • Luft- und Raumfahrt
  • Automobilindustrie
  • Forschung
  • Bergbau
  • Schiffbau
  • Energiewirtschaft
  • Rüstungsindustrie
Entwickelt von Titomic
Bound Metal DepositionBMDExtrusion und Sintern
  • Verfahren ähnlich wie FDM, FFF und FLM
  • Anstelle von Kunststoff werden Metall- und Ke-ramikstäbe in unter-schiedlichen Zusam-mensetzungen eingesetzt
  • Arbeitet schnell, präzi-se und genau
  • Das Gerät erledigt mehrere Arbeitsschirtte
  • Arbeitet sehr präzise und genau
  • Kann in Büros aufgestellt werden
  • Verschiedene Metalle und Keramiken nutzbar
  • Prototyping
  • Kleinserien möglich
  • Automobilindustrie
  • Luftfahrt
  • Medizintechnik etc.
Entwickelt von Desktop Metal
Masked Stereolithography / Maskierte StereolithographieMSLA / M-SLAStereolithographie / 3D-Druck mit Harz (Resin)
  • Sehr detailgenau
  • Arbeitet mit verschiedenen Harzen, LCD-Display und LED
  • Schichtdicke ab 25 Mik-rometer möglich (bei FDM/FFF ab 100 Mik-rometern)
  • Aushärtung durch UV-Strahlen
  • Gleichzeitiger 3D-Druck mehrerer Objekte möglich
  • Arbeitet schneller als bisherige SLA-3D-DruckVerfahren
  • Zahnmedizin
  • Schmuckfertigung
  • Rapid Prototyping
  • Fertigung von Figuren, Modellen etc.
Selective Absorption FusionSAFPulverbasiertes 3D-Druckverfahren für die Stratasys H-Serie
  • Polymerpulverpartikel werden mit Binderfluid und High Absorbing Fluid (HAF) unter Zuhilfenahme von Infrarotstrahlen verschmolzen
  • Einsatz des patentierten Big Wave Pulvermanagements
  • Nutzung industrietauglicher piezo-elektrischer Druckköpfe
  • Langlebigkeit der gefertigten Teile
  • Hohe Fertigungszahlen möglich
  • Geringe Ausfallzeiten durch selteneren Wechsel des Verbrauchsmaterials
  • Breites Sortiment an Pulvern einsetzbar
Einsatz u.a. in der Metallverarbeitung, Medizinbranche, kunststoffverarbeitenden Industrie und weiteren Branchen möglich.Entwickelt von Stratasys
Lithography-based Ceramic Manufacturing-TechnologyLCMStereolithographie
  • CeraFab System 3D-Drucker arbeiten mit dieser Technologie.
  • Keramisch beladene Flüssigkeit (Schlicker) auf transparente Wanne aufgetragen, Bauplattform wird in Schlicker getaucht und dieser sichtbarem Licht ausgesetzt.
  • Das Schichtbild selbst wird mit Hilfe einer digitalen Mikrospiegel-Vorrichtung (DMD) unter Zuhilfenahme eines hochmodernen Projektionssystems gefertigt.
  • Fertiges Teil muss von Bindemittel befreit und danach gesintert werden.
  • On-Demand-Fertigung und Time-to-Market-Produktion möglich
  • Realisiert bionische Ent-würfe, Kanäle und ver-schiedene Porenstrukturen
  • ermöglicht Hinterschneidungen, Hohlräume und dünnwandige Strukturen
Einsatz in der Luft- und Raumfahrt, in der Halbleiterindustrie, Medizin- und Dental-technik sowie weiteren Industriezweigen.Entwickelt von Lithoz GmbH, Wien
Melt Extrusion DepositionMEDExtrusion
  • Arbeitet mit Pulver von Medikamenten.
  • Kann aus mehreren Wirkstoffen und Hilfsstoffen hergestellt werden.
  • Verschiedenste Geometrien möglich.
  • Äußerst genaue Formulierungen möglich.
  • Schnelles Prototyping.
  • Keine Versuche mehr notwendig.
  • Von FDA zugelassen.
Herstellung von Tabletten in verschiedenen DarreichungsformenEntwickelt von Triastek

Detaillierte Beschreibung der 3D-Druckverfahren

Melt Extrusion Deposition (MED)

Das Melt Extrusion Deposition (MED)-3D-Druckverfahren wurde von der 2015 in Nanjing gegründeten Triastek, Inc. entwickelt. Triastek ist ein internationales Pharmaunternehmen, das sich der Erforschung und Entwicklung des 3D-Drucks und des Baus neuer 3D-Drucker widmet. Es hat sich dem Aufbau einer pharmazeutischen 3D-Druck-Technologieplattform verschrieben. Dabei finden sowohl die Technologie, das Design, die Darreichungsform und die Produktentwicklungsmethode bis hin zur intelligenten Fertigung Berücksichtigung. Beim 3D-Druck-Pharma möchte Triastek weltweit führend sein.

So funktioniert das Verfahren

Bei der Melt Extrusion Deposition (MED) handelt es sich um einen additiven Fertigungsprozess, welcher eine präzise schichtweise Ablagerung geschmolzener Hilfsstoffe, APIs und deren Mischungsmaterialien einsetzt. So soll ein Arzneimittelabgabesystem mit hervorragend gestalteten geometrischen Formen bzw. Strukturen hergestellt werden. Die Rohstoffe sollen dabei kontinuierlich in fertige Produkte umgewandelt werden. Dabei unterscheidet sich das Verfahren von anderen wie beispielsweise dem FFF-/FDM-/FLM-Verfahren.

Mit der Melt Extrusion Deposition Verfahren können komplexe Strukturen aus mehreren Materialien und Medikamente in Massenproduktion hergestellt werden. Dazu werden die Anzahl der Druckstationen und Düsen erhöht.

Prüfung und Aufnahme bei der US-Gesundheitsbehörde

Das MED-3D-Druckverfahren wurde im Jahr 2020 von der US-amerikanischen Gesundheitsbehörde FDA in deren Emerging Technology Program (ETP) aufgenommen. Dazu wurde vermerkt, dass die MED-basierte 3D-Druck-Technologie zur Herstellung einer festen oralen Darreichungsform mit modifizierter Freisetzung diene. Die einzigartigen Arzneimittelabgabe-Systeme, die auf dem MED-Verfahren basieren, ermöglichen unter anderem ein/eine

  • Zero-Order Release
  • Verzögerte Freisetzung
  • Pulsatile Freisetzung
  • Festdosierte Kombination
  • Gezielte Abgabe im Dickdarm
  • Magensaftresistente Verabreichung
  • Orale Peptidverabreichung
  • Verbesserung der Löslichkeit.

Die zu druckenden Strukturen sind dabei hochentwickelt und mit verschiedenen inneren Geometrien sowie Kompartimenten ausgestattet. Gleichzeitig lassen sich die Freisetzungseigenschaften (Beginn, Dauer und Ort der Freisetzung, die Kinetik und der Modus) genau festlegen. Die Freisetzungseinheiten können auch miteinander kombiniert werden.

Die neuartige 3D Printing Formulation by Design (3DFbD)-Methode ermöglicht es, schnell Prototypen von 3D-gedruckten modifizierten Tabletten mit den gewünschten Freisetzungsprofilen sowie pharmakokinetischen Profilen herzustellen. Gleichzeitig kann es zu einem Paradigmenwechsel kommen, was zur Folge hätte, dass man sich von der traditionellen Formulierung durch Versuche abwendet.

Weiterführende Links

  1. https://www.triastek.com/
  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0378517321004440
  3. https://www.3d-grenzenlos.de/magazin/kurznachrichten/triastek-15-millionen-serie-a-finanzierung-27644133/#Melt_Extrusion_Deposition_MED
» Details zum Melt Extrusion Deposition (MED)

Bound Metal Deposition (BMD)

Das Bound Metal Deposition (BMD) wurde von Desktop Metal, einem Unternehmen aus Massachusetts, entwickelt. Es handelt sich um ein extrusionsbasiertes Fertigungsverfahren, bei dem Metallkomponenten mit Hilfe der Extrusion eines pulvergefüllten thermoplastischen Mediums produziert werden. Von der Art der Verarbeitung ist es mit dem FDM-/FFF-/FLM-Verfahren vergleichbar.

Die für das Verfahren benötigten gebundenen Metallstäbe bestehen aus Metallpulver, Wachs und Polymerbinder. Die Stäbe werden erhitzt und danach, genau wie beim FFF-/FDM-/FLM-3D-Druck, durch eine oder mehrere Düsen auf die Bauplatte Schicht für Schicht aufgetragen. Ist das Objekt fertig gedruckt, wird das Bindemittel durch den anschließenden Debind-Prozess beseitigt und dann gesintert. Das Sintern trägt dazu bei, dass sich die Metallpartikel weiter verdichten.

Bei den bisherigen Metall-3D-Druck-Technologien wird das Pulver oder der Dreht durch Laser oder Elektronenstrahlen geschmolzen. Beim BMD ist dies etwas anders. Hier kommen keine losen Pulver oder Laser zum Einsatz, sondern die Teile werden mitsamt Trägern gedruckt, welche durch ein keramisches Trennmaterial getrennt sind, welches sich nicht mit Metall verbindet. Beim Sintern löst sich dieses Material auf und die Stützen können leicht per Hand entfernt werden. Das sogenannte Studio System ermöglicht einen Einsatz im Büro.

Der 3D-Drucker des Studio Systems ist mit zwei Extrudern ausgestattet, einer für den Druck der gebundenen Metallstäbe und der zweite für Stäbe der keramischen Schnittstellenmedien. Aus der Medienkassette werden die Stäbe in die Extruder geführt, dort erhitzt und dann über die Düse ausgegeben. Dabei werden die Werkzeugwege und Extrusionsraten präzise berechnet. Beim BMD wird zuerst das Raft gedruckt und danach das Teil inklusive der Stützen. Danach wird das Objekt in den Entbinder gelegt, hier werden zwischen 30 und 70 Prozent des primären Binders durch chemische HIlfsmittel aufgelöst. Der restliche Binder trägt dazu bei, dass die Form des Teils gewahrt bleibt. In Vorbereitung des Sinterns wird eine offenporige Struktur geschaffen. Danach wird das Teil im Ofen auf Temperaturen unweit des Schmelzpunktes erhitzt und das restliche Bindemittel so freigesetzt. Dabei verschmelzen die Metallpartikel miteinander und verdichten das Teil auf 96 bis 99,8 Prozent, so die Erfinder. Dabei kann das Objekt um bis zu 22 Prozent schrumpfen. Der Sinterzyklus wird auf jeden Aufbau und jedes Material detailliert abgestimmt, um eine Maßgenauigkeit zu gewährleisten.

Die zwischen dem Teil und den Trägern gedruckte Zwischenschicht verbindet sich nicht mit dem Metall und verhindert so dessen Sintern. Im Ofen löst sich das keramische Medium auf, sodass eine leichte Entfernung der Teile möglich wird.

Mit dem Bound Metal Deposition 3D-Druck-Verfahren ist es möglich, Teile mit vollständig umschlossenen Hohlräumen herzustellen, die bis auf extrem kleine Geometrien mit geschlossener Füllung hergestellt werden.

Angewendet werden kann die BMD Herstellerangaben zufolge fast jedes sinterfähige Pulver, sofern es sich in einem thermoplastischen Medium compoundieren lässt. Zu den einsetzbaren Materialien gehören metallische Legierungen, rostfreier Stahl, Werkzeugstähle, Refraktärmetalle, Hartmetalle sowie Keramiken.

Mit dieser Technologie können nun Strukturen und Teile gefertigt werden, die sich bisher nicht in der Massenfertigung herstellen ließen. Die endkonturnahen Teile können unter anderem für die Herstellung von Prototypen, Vorrichtungen, Werkzeuganwendungen und für Kleinserien hergestellt werden.

Der von Desktop Metal entwickelte Studio System 3D-Drucker, der mit dem BDM-Verfahren arbeitet, hat eine Bauvolumen von 30 x 20 x 20 Zentimetern, die maximale Teilegröße kann nach dem Schrumpfen bei 25,5 x 17 x 17 Zentimetern liegen.

Verarbeitet werden kann beispielsweise Kupfer. aber auch zahlreiche andere Metalle. Die nicht-sinternde Zwischenschicht macht beispielsweise das Drucken gekapselter Baugruppen möglich. Bisher mussten diese durch Umformen, Zusammensetzen und Verbinden mehrerer Teile gefertigt werden. Selbstverständlich sind auch kundenspezifische Anpassungen möglich.

Weiterführende Links

 

» Details zum Bound Metal Deposition (BMD)

Titomic Kinetic Fusion

Der australische 3D-Druck-Spezialist Titomic hat gemeinsam mit der Forschungsbehörde CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) die Titomic Kinetic Fusion Technologie (TKF) entwickelt und besitzt die Vermarktungsrechte. Das Verfahren nutzt die Ultraschall-Partikelabscheidung von Metallpulvern, um so Teile für die Industrie zu fertigen und sehr komplexe Oberflächenbeschichtungen zu ermöglichen. Der patentierte Prozess ermöglicht das dynamische Kaltgasspritzen von Titan-, Titanlegierungen und weiteren Legierungen auf ein Gerüst. So wird eine tragende Struktur erzeugt.

Die Titomic Kinetic Fusion Technologie zählt zu den pulverbasierten Metall-3D-Druckverfahren.

So funktioniert die Technologie

Das Titomic Kinetic Fusion-Verfahren wird zur additiven Fertigung von Metallteilen eingesetzt. Die Produktion erfolgt automatisiert und – je nach gewähltem Modell (derzeit TKF 9000) – robotergestützt. Es beginnt mit der Beschleunigung von Metallpartikeln auf Ultraschallgeschwindigkeit, in dem die Partikel in einen Strahlstrom injiziert werden. Dann treten die Partikel aus der Sprühdüse aus. Sobald sie auf die Oberfläche des Gitters oder der vorgefertigten Struktur treffen, verformen sie sich plastisch. Dabei haften sie an der Oberfläche und auch untereinander. Durch die Anhäufung der Partikel entstehen schnell netzförmige Metallteile.

Die TKF-Technologie ermöglicht eine wirtschaftliche Fertigung von Hochleistungs-Metalllegierungen inklusive Titan in einer enormen Geschwindigkeit und ohne Größenbeschränkungen. Der vom Unternehmen entwickelte 3D-Drucker TKF 9000 kann auf einer 9 Meter langen, 3 Meter breiten und 1,5 Meter hohen Achse Objekte aus Titan- und anderen Legierungen drucken und dabei pro Stunde etwa 45 Kilogramm Material verarbeiten. Er gehört zu den weltweit größten 3D-Druckern.

Durch die Reduzierung der Durchlaufzeiten von Wochen oder Monaten auf Tage oder sogar Stunden lässt sich im Rahmen der On-Demand-Fertigung die Produktivität deutlich steigern. Durch den Einsatz von Metallpulvern lässt sich im Vergleich zum klassischen Spritzgussverfahren bis zu 80 Prozent an Material einsparen, da die Fertigung endkonturnah abläuft. Auch der Ausschuss wird deutlich reduziert.

Zusätzlich zum Titomic Kinetic Fusion-Produktionsverfahren setzt das Unternehmen auf Automatisierung, Spezialwerkstoffe und Knowhow, um so Hochleistungsprodukte zu fertigen und sehr komplexe technische Herausforderungen zu meistern.

Mit dem Titomic Kinetic Fusions-Verfahren können unterschiedliche Metalle zu Metallverbundteilen verschmolzen werden, um so die Stärken der einzelnen Metalle einzubringen.

Zu den einsetzbaren Hochleistungswerkstoffen gehören unter anderem

  • Titan und Titanlegierungen, inklusive Ti-Al6-4V, CP etc.,
  • Kupfer,
  • Stahl,
  • Invar36 (eine Eisen-Nickel-Legierung),
  • Nickel und
  • Magnesium.

Einsatzbereiche

Eingesetzt werden die mit der TKF-Technologie gefertigten Teile unter anderem in der Luft– und Raumfahrtindustrie, in der Automobil– und in der Rüstungsindustrie, im Transportwesen, bei der Öl- und Gasförderung, im Schiffbau und im Bergbau.

Weiterführende Links

» Details zum Titomic Kinetic Fusion

Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)-Technologie

Die in Wien ansässige Lithoz GmbH hat gemeinsam mit der Montanuniversität Leoben das Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM), zu Deutsch die Lithographie-basierende Keramik-Herstellungstechnologie, entwickelt. Die von Lithoz auf den Markt gebrachten und für die industrielle Fertigung einsetzbaren 3D-Drucker CeraFab System, die mit der LCM-Technologie arbeiten, ermöglichen eine zuverlässige Serienfertigung durch additiv hergestellte Keramiken. Diese erfüllen höchste Anforderungen an Hochleistungskeramiken. Für die Technologie sprechen sowohl die mechanische Leistung, die Maßhaltigkeit sowie die Reproduzierbarkeit von Bauteilen aus Keramik, oft übertreffen sie sogar die Teile aus der konventionellen Fertigung.

So funktioniert das Verfahren

Das LCM-System arbeitet in mehreren Schritten. Als Basis dient ein CAD-Modell, dessen Daten vom Computer auf einen CeraFab System 3D-Drucker übertragen werden.

Eine keramisch beladene Flüssigkeit, die man auch als Schlicker bezeichnet, wird auf eine transparente Wanne aufgetragen. Die Bauplattform ist beweglich und wird in den Schlicker getaucht. Im nächsten Schritt wird dieser dann selektiv sichtbarem Licht (von unterhalb der Wanne) über einen bestimmten Zeitraum ausgesetzt. Das Schichtbild selbst wird mit Hilfe einer digitalen Mikrospiegel-Vorrichtung (DMD) unter Zuhilfenahme eines hochmodernen Projektionssystems gefertigt. Dieser Prozess wird solange wiederholt, bis das gewünschte Teil dreidimensional fertiggestellt ist. Das LCM-3D-Druckverfahren zählt zu den Verfahren der Photopolymerisation.

Bei der Lithography-based Ceramic Manufacturing-Technology kommen die gleichen Keramikpulver und Öfen wie beim herkömmlichen Spritzgussverfahren zum Einsatz. Dadurch warten die Keramikbauteile mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und Oberflächenqualitäten auf. Das fertige Teil muss noch thermisch nachbearbeitet, das Bindemittel entfernt, und dann gesintert werden.

Designeinschränkungen, wie man sie vom klassischen Spritzgussverfahren kennt, sind mit der LCM-Technologie weit weniger zu erwarten. Die Produktfunktionalität kann jetzt noch besser an die Wünsche des Endkundens angepasst werden. Gleichzeitig lassen sich bionische Entwürfe, Kanäle und verschiedenste Porenstrukturen realisieren. Hinterschneidungen, Hohlräume und dünnwandige Strukturen lassen sich ebenfalls herstellen.

In den meisten Fällen entsprechen die Materialeigenschaften den konventionellen Fertigungsverfahren oder übertreffen diese sogar noch. Schon ab dem ersten Teil kann die Fertigung bereits wirtschaftlich sein. Auch mit der LCM 3D-Druck-Technologie ist es möglich, mehrere Exemplare gleichzeitig zu fertigen.

Weiterführende Links

» Details zum Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM)-Technologie

Lithography-based Metal Manufacturing Technologie (LMM)

Die Lithography-based Metal Manufacturing Technologie (LMM) ist ein indirektes, additives Fertigungsverfahren für hochpräzise metallische Klein- und Mikrobauteile. Sowohl die Gesamtprozesskette als auch die resultierenden Materialeigenschaften sind mit dem Metal-Injection-Molding (MIM = Metallpulverspritzguss) vergleichbar.

„Printing Metals in Ultra Precision“ beschreibt die Charakteristika der LMM-Technologie umfassend. Sie setzt in Bezug auf Präzision und Oberflächenqualität neue Maßstäbe für die additive Fertigung metallischer Bauteile. Die Eigenschaften der LMM-Technologie sowie die damit verbundenen technologischen Möglichkeiten, gekennzeichnet durch hohe Auflösung und Präzision ebenso wie die hohe Oberflächengüte, führen zu einer sehr guten Eignung im Bereich kleiner Bauteile. Gerade dann, wenn kleine bis mittlere Jahresbedarfe benötigt werden, ergänzt die LMM-Technologie in diesem Bereich die (additive) Prozesslandkarte um eine wirtschaftlich sinnvolle Technologie. Sie eignet sich insbesondere für die Fertigung von Prototypen und Kleinserien mit Losgrößen bis zu 10.000 Stück pro Jahr. Damit bietet sich die LMM-Technologie neben der direkten Umsetzung von Applikationen u.a. als Prototypen- und / oder Ramp-Up-Technologie für MIM-Bauteile an.

Der Prozess

In der ersten Prozessstufe entsteht durch einen 3D-Druckprozess auf Basis des Photopolymerisations-Prinzips ein hochpräzises Grünteil. Das Ausgangsmaterial, der sogenannte Feedstock, ist eine Kombination aus Metallpulver und einem photosensitiven Bindersystem. Durch eine DLP-Belichtung, die eine präzise und schnelle Belichtung einer gesamten Schichtfläche ermöglicht, wird der Polymerbinder lokal vernetzt und auf diese Weise Metallpulver gebunden. Das nun vorliegende Grünteil wird in der zweiten Prozessstufe, dem Entbinder- und Sinterprozess, in den Endzustand überführt. Im ersten Schritt des zweistufigen Sinterprozesses wird der Polymerbinder thermisch entfernt. Im zweiten Schritt wird das entbinderte Grünteil dichtgesintert. Das Bauteil erfährt dabei eine Schrumpfung, welche bei der Konstruktion berücksichtigt wird und erhält somit die endgültigen Abmaße.

Vorteile

Bei der LMM-Technologie werden keine Stützstrukturen für den Druckprozess benötigt. Der Feedstock weist eine hohe Tragfestigkeit auf, so dass die Bauteile im Bauraum dreidimensional angeordnet werden können und dadurch der Bauraum optimal genutzt werden kann. Mit der LMM-Technologie lassen sich Bauteile mit hoher Auflösung und sehr guter Oberflächenqualität herstellen. Hierdurch entfallen kostenintensive Nachbearbeitungsschritte zur Entfernung von Stützstrukturen und Verbesserung der Oberflächen bei vielen Anwendungen vollständig. Hinzu kommt die Möglichkeit auf der indirekten Fertigungsroute ein breites Werkstoffspektrum nutzbar zu machen. Ein weiterer Vorteil gegenüber den direkten Verfahren ist, dass die Bauteile nach dem Sinterprozess spannungsfrei vorliegen. Bei Schichtdicken zwischen 20 und 50 μm können minimale Wandstärken von bis zu 0,1 mm und Mikrobohrungen mit einem Durchmesser von bis zu 300 μm realisiert werden.

» Details zum Lithography-based Metal Manufacturing Technologie (LMM)

Multi Jet Fusion (MJF)

Im Gegensatz zu anderen Verfahren hat HP Inc. mit der Multi Jet Fusion (MJF) eine Technologie entwickelt, bei der kein Laser zum Einsatz kommt. Sie ist für den industriellen Einsatz vorgesehen, hat kurze Vorlaufzeiten (teilweise von zwei Tagen oder weniger), sorgt für eine geringe Porosität  und besitzt eine herausragende Oberflächenqualität. Geeignet ist sie unter anderem für die Fertigung von Prototypen, Kleinserien sowie Losgrößen von bis zu 10.000 Stück und ersetzt hier zu einem großen Teil die Spritzgusstechnik. Komplexe Funktionsteile lassen sich mit der MJF Technologie ebenfalls herstellen wie Prototypen, die für Funktions- bzw. Eignungstests eingesetzt werden sollen.

Die Standardgenauigkeit liegt bei +/- 0,3 Prozent, wobei der unterste Grenzwert bei +/- 0,3 mm liegt. Die minimale Schichtdicke liegt bei 0,08 mm, die Mindestwandstärke bei 1,0 mm. Es ist aber auch möglich, Scharniere mit 0,5 mm Stärke herzustellen. Aktuell hat der größte Multi Jet Fusion 3D-Drucker einen maximalen Bauraum von 380 x 280 x 380 mm. Da die 3D-gedruckten Komponenten zusammengesetzt werden können, sind auch größere Bauteile problemlos herzustellen. Im Gegensatz zu anderen Verfahren können die mit der Multi Jet Fusion hergestellten Teile sowohl gefärbt, imprägniert als auch sandgestrahlt werden. Die Bauteile werden dabei aus pulverförmigem Polyamid PA 12 und PA 11 hergestellt.

Funktionsweise der Multi Jet Fusion

Die Technologie arbeitet mit einem Pulverbett, welches gleichmäßig erhitzt wird, bevor eine wärmeleitende Flüssigkeit hinzugespritzt wird. Dabei werden die Partikel selektiv geschmolzen. Eine wärmehemmende Flüssigkeit wird jeweils um die Konturen gespritzt. So sorgt man für scharfe Kanten und eine optimale Oberflächenqualität.

Im nächsten Schritt werden der Detailing- und der Fusion-Agent punktgenau aufgebracht und sorgen für die Verschmelzung der Pulverpartikel. Dabei wird die Oberfläche permanent durch Lampen belichtet, das von den Agenten benetzte Material nimmt dabei die Wärme auf und verteilt sie. So wird das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut. Überschüssiges Pulver wird entfernt und – sofern möglich – später erneut verwendet.

Aktuell sind unter anderem die Modellreihen HP Jet Fusion 5200, 5210, Pro 5210, Jet Fusion 4200 und HP Jet Fusion 4210 auf dem Markt erhältlich. Mit dem JF 4210 lassen sich beispielsweise in der Woche bis zu 1.000 Teile in gleichbleibender Qualität drucken, mit dem HP Jet Fusion 5200 bis zu 200 Teile wöchentlich und mit dem HP Jet Fusion 5210 Pro System im gleichen Zeitraum mehr als 550 Teile. Hierbei kommt es natürlich auf die Größe der zu fertigenden Stücke an.

Multi Jet Fusion-Technologie im Vido erklärt (englisch)

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» Details zum Multi Jet Fusion (MJF)

Cold Metal Fusion (CMF)

Das 3D-Druckverfahren Cold Metal Fusion (CMF) wurde von der Headmade Materials GmbH, einem Unternehmen aus der bayerischen Ortschaft Unterpleichfeld entwickelt. Die additive Fertigungstechnologie basiert auf der Integration von Metallpulvern in ein funktionales Bindersystem und ermöglicht die Herstellung eines sogenannten Feedstock-Systems, das mit Titanpulver gefüllt ist.

Das Feedstock-System kann auf Selective Laser Sintering (SLS) 3D-Druck-Systemen verarbeitet werden, die sonst für die Verarbeitung von Polymeren genutzt werden. Der additive Druckprozess ist dabei dem Powder Bed Fusion-Verfahren sehr ähnlich. Er verbraucht aber deutlich weniger Energie. Das liegt darin begründet, dass nur das Bindemittel geschmolzen wird, nicht aber das Metallpulver. So ist eine höhere Druckgeschwindigkeit möglich, ein Kühlkörper muss nicht eingesetzt werden. Sind die Teile fertig gedruckt, werden sie sorgfältig entpulvert, entbindert und gesintert. Der restliche Feedstock wird dann der Wiederverwendung zugeführt.

Die Produktionsschritte im Detail

Auf handelsüblichen Lasersinterungsanlagen für Kunststoffe wird das gewünschte Bauteil schichtweise durch Schmelzen des Binders mit einer Temperatur von weniger als 80 Grad Celsius aufgebaut. Stützstrukturen sind dabei nicht notwendig. Ist das Teil (Grünteil) fertig gedruckt, wird es entpulvert. Dies ist beispielsweise automatisiert mittels Luftdruck oder Wasserstrahl möglich. Der nicht verarbeitete Feedstock ist vollständig wiederverwendbar. Da das gedruckte Grünteil eine hohe Festigkeit besitzt, ist schon vor dem Sintern eine mechanische Nachbearbeitung (beispielsweise durch Fräsen, Bohren, Drehen oder Schleifen) möglich. Im nächsten Schritt folgt die Vorentbinderung der Grünteile in einem Lösungsmittel, wobei sich hier ein Bestandteil des Bindersystems schon löst. Da das Lösungsmittel danach destilliert wird, ist es immer wieder einsetzbar.

Danach beginnt der Sinterungsprozess, bei dem aus dem Grünteil ein Vollmetallbauteil wird. Das Bauteil wird langsam auf Sinterungstemperatur gebracht, der verbleibende Kunststoff verbrennt schon vorher rückstandslos. Die Metallpartikel sintern dann zu einem Vollmetallbauteil zusammen und schrumpfen dabei auf eine schon vorher definierte Größe. Bei Edelstahl 316L sind dies beispielsweise etwa 13 Prozent.

Vorteile

Die Vorteile der Cold Metal Fusion liegen unter anderem darin begründet, dass alle Metalle der Pulvermetallurgie verwendet werden können. Die Bauteilkosten können sich gegenüber anderen Herstellungsverfahren um bis zu 80 Prozent reduzieren. Durch die hohe Grünteilfestigkeit ist eine einfachere Nachbearbeitung der Teile und auch schwer zu bearbeitender Legierungen möglich. Gleichzeitig ist Herstellerangaben zufolge ein achtmal höherer Bauteiloutput möglich. Noch größere Produktivitätssprünge sind beispielsweise durch die Weiterentwicklung der Anlagentechnik, so durch den Einsatz von Dioden Lasern, denkbar. Die mit der CMF-Technologie gefertigten Bauteile haben die gleichen Eigenschaften wie die mit anderen pulvermetallurgischen Verfahren hergestellten Teile. Die SLS-Anlagentechnik selbst arbeitet sehr zuverlässig, ist wartungsfreundlich und mittlerweile weit verbreitet.

» Details zum Cold Metal Fusion (CMF)

Cellular Fabrication (C-Fab)

Die Cellular Fabrication-Technologie (C-Fab) kombiniert die Industrierobotik, verschiedene leistungsfähige Algorithmen und eine neuartige Freiform-Extrusionstechnologie. Das Verfahren wurde vom US-amerikanischen Unternehmen Branch Technology entwickelt und ermöglicht es, dass sich Baumaterial im freien Raum verfestigt. Bei dem Baumaterial kann es sich beispielsweise um eine Mischung aus Kohlefaser und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) handeln.

Gesteuert wird der 3D-Drucker beispielsweise durch einen 3,80 Meter langen Roboterarm, welcher wiederum an einer 10 Meter langen Schiene befestigt ist. Dadurch ist es beispielsweise möglich, eine Matrix von 7,60 x 17,6 Metern herzustellen. Grundsätzlich gibt es kaum Einschränkungen in den Maßen, Stützstrukturen sind ebenfalls nicht notwendig. Die so gefertigten Leichtbauprodukte benötigen bis zu 20 Mal weniger Material als der bisher eingesetzte Schichtdruck und herkömmliche Bauverfahren. Gleichzeitig sorgt das C-Fab für ein hervorragendes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht und ermöglicht intelligente Verbundstrukturen.

Bei der von Branch entwickelten Cellular Fabrication handelt es sich um ein Direct Digital Manufacturing-System. Angaben der Entwickler zufolge ermöglicht das durchgängige Hardware- und Softwaresystem, das selbstverständlich zum Patent angemeldet wurde, mit der möglichen Vorfertigung eine Steigerung der Produktivität um das 10-fache. Die geplanten Projekte können aufgrund der vielfältigen Gestaltungsmöglichkeiten, die das C-Fab bietet, hervorragend in die Umgebung eingepasst werden, sich aber auch durch ihr manchmal futuristisches Design abgrenzen.

Die Ästhetik der zellulären Strukturen sollen an lebende Organismen erinnern. Dabei wird eine Matrix aus einem frei geformten 3D-gedruckten Gitterwerk genutzt, das für das einzelne Objekt optimiert werden kann, um ein möglichst hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis zu erreichen. Es ist möglich, die Materialien, die Dichte, Farbe und die eingebettete Technologie individuell anzupassen. Die Matrix wird dabei vollständig mit einem 3D-Drucker hergestellt und ist beispielsweise für die Fertigung von Skulpturen, andere künstlerische Projekte sowie architektonische Anwendungen ohne weitere Materialien einsetzbar. In die offenen Zellen der Matrix können weitere Begleitmaterialien eingefügt werden, die beispielsweise die Materialeigenschaften verbessern. So lassen sich eine enorme Designfreiheit, die Ressourceneffizienz und gleichzeitig auch funktionale Vorgaben eines Gebäudes erfüllen.

Anfang 2021 wurde beispielsweise eine komplette Außenfassade mit dem C-Fab-3D-Druckverfahren gedruckt.

Video zum Cellular Fabrication-Verfahren

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» Details zum Cellular Fabrication (C-Fab)

Vision-Controlled Jetting (VCJ)

Inkbit ist ein ausgelagertes Unternehmen des Massachusetts Institute of Technology (MIT), welches die Fertigungstechnologie Vision-Controlled Jetting und eine dazu passende Software entwickelt hat. Dazu wurde eine spezielle Anlage erschaffen, das Inkbit Vista System. Es soll die Herstellung von Multimaterialbaugruppen ermöglichen, die unter anderem in der Robotik, in der Dentalmedizin, in der Medizin allgemein, aber auch in der Automobil- und Verteidigungsindustrie eingesetzt werden können.

Das System Inkbit Vista ist Herstellerangaben zufolge (Stand März 2021) das einzige additive Fertigungssystem, in das ein 3D-Bildverarbeitungssystem integriert ist. Dieses ermöglicht eine Echtzeitkontrolle auf Voxel-Ebene. Das Fertigungssystem kann in bereits bestehende Herstellungssysteme integriert werden. Die Produktion erfolgt vollautomatisch.

Als 3D-Drucker-Material kommen unter anderem Photopolymeren zum Einsatz, die nicht spröde werden. Gleichzeitig erweitert das Vision-Controlled Jetting die Möglichkeiten der Präzisionsfertigung mittels 3D-Druck erheblich. Das 3D-Druckverfahren kann mit einem stetig wachsenden Portfolio an starren, weichen, zähen und chemisch resistenten Materialien und Materialkombinationen arbeiten. Bis zu vier verschiedene Materialien können gleichzeitig verarbeitet werden. Die Genauigkeit dieser Technologie liegt bei etwas mehr als 10 Mikrometern, was ungefähr 0,01 mm entspricht. Die bisher produzierten InkBit 3D-Drucker warten mit einem Bauvolumen von 500 x 250 x 200 mm auf und bringen es auf eine Aufbaurate von 2,75 Litern pro Stunde. Eine weitere Besonderheit der modularen Architektur ist, dass Komponenten repariert oder aktualisiert werden können.

» Details zum Vision-Controlled Jetting (VCJ)

Aerosol-Jet-Printing (AJP)

Das Aerosol-Jet-Printing (AJP) gehört zu den kontaktlosen Direktdruckverfahren, mit dem es möglich ist, feinste Strukturen aus unterschiedlichsten Substraten herzustellen. So lassen sich kleinste Strukturen auf flachen und unebenen Oberflächen respektive Substraten drucken. Das AJP zählt zu den „Direct Maskless Writing“-Technologien. Bei diesem Verfahren werden nicht nur dielektrische Polymere, sondern auch Nanopartikel-Tinten eingesetzt. Ziel ist es, so isolierende und zugleich leitfähige Strukturen zu erzeugen. Dabei setzt man auf die Zerstäubung der Tinten bzw. Flüssigkeiten zu Aerosolen. Die Fokussierung des Aerosolstrahls sorgt dafür, dass Linien mit einer minimalen Breite von 10 Micrometern (umgerechnet 0,001 mm) erzeugt werden können. Dabei lassen sich durchaus Druckgeschwindigkeiten von 100 mm/s erreichen.

Ursprünglich wurde das Aerosol-Jet-Printing für die Herstellung elektronischer Schaltkreise entwickelt. Mittlerweile kommt sie auch bei weiteren Anwendungen zum Einsatz, so beispielsweise bei der Herstellung aktiver und passiver Komponenten, von Sensoren, Aktuatoren und vielen weiteren selektiven biologischen und chemischen Reaktionen.

Für das Verfahren sprechen unter anderem die im Vergleich zur konventionellen Herstellung große geometrische Komplexität, eine breite Materialkompatibilität, die große Auflösung und die unabhängige Einsetzbarkeit.

Einer der Nutzer des Aerosol-Jet-Printings ist das Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS in Chemnitz. Es setzt das AJP hauptsächlich in der Mikrosystemtechnik ein. Wissenschaftler der University of Texas El Paso (UTEP), der Carnegie Mellon University in Pennsylvania und der schweizerischen School of Basic Sciences der École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPEL) nutzen die Technologie ebenfalls für ihre wissenschaftlichen Studien, wie Sie in unseren Beiträgen nachlesen können. Weitere Einrichtungen und auch Unternehmen werden sicher hinzukommen.

Video: Animation zum Aerosol Jet Printing

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» Details zum Aerosol-Jet-Printing (AJP)

Electron Beam Melting (EBM)

Auf dem gleichen Fundament wie das Selektive Laserschmelzen basiert auch das Electron Beam Melting (EBM) 3D-Druckverfahren. Ins Deutsche übertragen spricht man hier vom Elektronenstrahl-Schmelzen. Bei dieser Technologie wird ein pulverförmiges Material – in der Regel handelt es sich um Metall oder Legierungen – durch den Einsatz eines Elektronenstrahls zu dem gewünschten 3D-Objekt verfestigt.

» Details zum Electron Beam Melting (EBM)

Selectives Laser Melting (Selektives Laserschmelzen)

Für das Selective Laser Melting (Selektives Laserschmelzen) wird ein Prozess genutzt, der mit der SLS-3D-Drucktechnologie vergleichbar ist. Allerdings wird beim selektiven Laserschmelzen das pulverförmige Material nicht gesintert, sondern geschmolzen. Dafür kommt ein Hochleistungslaser zum Einsatz, der die Pulverkörnchen miteinander verschmilzt.

Genutzt wird dieses 3D-Druckverfahren meist bei er direkten Fertigung von Metallteilen für industrielle Endverbraucher wie beispielsweise die Luft– und Raumfahrttechnik und die medizinische Industrie.  Zahnärzte nutzen beispielsweise Dental Selective Laser Melting-3D-Drucker zur additiven Fertigung von Kronen und Implantaten.

» Details zum Selectives Laser Melting (Selektives Laserschmelzen)

Selectives Laser Sintering /Selektives Lasersintern (SLS)

Beim Selectives Laser Sintering (dt. selektives Lasersintern), kurz SLS, 3D-Druckverfahren wird pulverförmiges Material mit einem Laserstrahl gesintert. Dabei verbindet die vom Laser ausgestoßene Energie die winzigen Körner des Pulvers zu einer festen Struktur. Als Material kommen unter anderem Kunststoff-, Metall- und Keramikpulver zum Einsatz. Die SLS-3D-Drucker nutzen ein Druckbett voller Pulvermaterial. Die 3D-Druck-Software überwacht den Laser, der widerum das Muster des 3D-Designs aufzeichnet und schichtweise das endgültige Objekt anfertigt. Nach jeder Schicht wird auf der Z-Achse das Druckbett etwas herabgesenkt und dann die nächste Schicht passgenau auf der vorherigen platziert.

Das SLS-Verfahren im Video erklärt (englisch)

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» Details zum Selectives Laser Sintering /Selektives Lasersintern (SLS)

Powder Bed Fusion

Bei der Powder Bed Fusion (Pulverbettfusion) unterscheidet man zwischen der SLS– und der EBM-Technologie, sowie dem Selective Laser Melting-Verfahren. Hier werden Pulvermaterialien verarbeitet, so unter anderem Metallpulver verschiedener Zusammensetzungen. Zu den wichtigsten Arten der Powder Bed Fusion gehören die SLS- und die Selective Laser Melting-Technologie. Diese Verfahren werden für den 3D-Metalldruck in unterschiedlichen industriellen Bereichen eingesetzt.

» Details zum Powder Bed Fusion

Digital Light Processing (DLP)

Bei der Digitalen Lichtverarbeitung (Digital Light Processing, DLP) handelt es sich um eine weitere 3D-Druck-Technologie, die auf Harzbasis arbeitet. Sie wird von DLP-3D-Druckern verwendet. Hier entsteht das Objekt durch einen digitalen Lichtprozessor, der als UV-Lichtquelle dient, und photoreaktives Harz verfestigt. Bei dem im 3D-Drucker verbauten Projektor kann es sich beispielsweise um einen Videoprojektor handeln, dessen Auflösung auch die 3D-Druck-Auflösung bestimmt. Durch den Lichtprojektor ist die Druckgeschwindigkeit der DLP-3D-Drucker meist höher als bei anderen 3D-Druck Verfahren. Der Lichtprojektor härtet das Harz hier Schicht für Schicht aus.

» Details zum Digital Light Processing (DLP)

Neueste Entwicklungen und News zu 3D-Druckverfahren

Untersuchung mit ADDvance® O2 precision von Linde:

3D-Druck-Unternehmen EOS und Linde untersuchen Einfluss von Sauerstoff in der Druckprozesskammer

15. September 2021
3D-Drucker M 290 von EOS

Das 3D-Druck-Unternehmen EOS und die Firma Linde haben gemeinsam den Einfluss von Sauerstoff in der Druckprozesskammer und die Auswirkung auf die kritischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung AlSi10Mg untersucht. Für die Messungen verwendeten sie das ADDvance® O2 precision – System von Linde. Wir haben die Ergebnisse zusammengefasst.

Neue Lösungen und Produktionsmöglichkeiten:

MIMplus nimmt 3D-Druckverfahren Cold Metal Fusion in sein Portfolio auf

23. August 2021
MfgPro 230 xS 3D-Drucker

Das baden-württembergische Unternehmen MIMplus nimmt das 3D-Druckverfahren Cold Metal Fusion (CMF) von Headmade Materials in sein Angebotsportfolio auf. Das Unternehmen arbeitet dazu mit dem 03D-Drucker MFG230xS des Herstellers XYZprinting, der bereits an das Unternehmen geliefert und in Betrieb genommen wurde. Das 3D-Druckverfahren soll MIMplus neue Lösungen und Produktionsmöglichkeiten auch die 3D-gedruckte Titanbauteile bieten.

Neues Tintenmaterial entwickelt:

Forscher der TU Eindhoven entwickeln Verfahren zum 3D-Druck cholestrischer Flüssigkristall-Tinten-Materialien

22. August 2021
3D-gedruckter Schmetterling

An der Technischen Universität Eindhoven haben niederländische Forscher ein neues Tintenmaterial entwickelt, mit dem der 3D-Druck cholestrischer Flüssigkristalltintenmaterialien möglich ist. Damit soll unter anderem der 3D-Druck von Sensoren im Gesundheitsbereich, die visuell und farbenfroh mit dem Träger interagieren. Das Material kann mit dem Direct-Ink-Writing-Verfahren in 3D gedruckt werden. Für Gesundheitssensoren, dekorative Beleuchtungen und mehr

Von NASA entwickelte Kupferlegierung:

Sintavia stellt proprietäre 3D-Druck-Technologie für GRCop-42 Kupferlegierung vor

21. Juli 2021
3D-Druck-Objekte aus GRcop-42

Das 3D-Druck-Unternehmen Sintavia hat eine proprietäre 3D-Druck-Technologie für GRCop-42 entwickelt. Eine derartige Kupferlegierung wird von der NASA und Raumfahrtunternehmen verwendet. Sintavia arbeitet außerdem an proprietären Standards für weitere 3D-Drucker-Materialien und feuerfeste Legierungen für die Luft- und Raumfahrt und das Militär.

SAMLE-Technologie:

Kongsberg Ferrotech forscht an Verfahren für den 3D-Druck unter Wasser

5. Juni 2021
Oktapous im Einsatz

Das norwegische Technologieunternehmen Kongsberg Ferrotech forscht an einem Verfahren für den 3D-Druck unter Wasser. Die Roboter und die dahinterstehende Technologie namens „Subsea Additive Manufacturing for Lifetime Extension“ (SAMLE) wird dabei eine wichtige Rolle spielen. Die SAMLE-Technologie soll zum Beispiel Reparaturen unter Wasser mit Hilfe von Unterwasser-3D-Druckern ermöglichen.

TCT Asia Show 2021:

Farsoon stellt neue Dual-Laser-Flight-Technologie vor

27. Mai 2021
Farsoons Dual-Laser-Flight- TM- Technologie

Das 3D-Druck-Unternehmen Farsoon stellt auf der TCT Asia Show seine Dual-Flight-Technologie auf seiner 403P-3D-Druckplattform vor. Die Dual-Laser-Konfiguration der LPBF-basierten Flight-Technologie von Farsoon die Markteinführungszyklen von industrietauglichen Teilen wie Robotik, elektronischen Bauteilen und Batterieeinheiten beschleunigen. Außerdem werden zwei neue PA12-Pulver und ein Material von der LEHVOSS-GROUP vorgestellt.

15-mal günstiger als direktes Metall-Lasersintern:

Enable Manufacturing entwickelt Vakuum-Additiv-Gussverfahren das Metallteile 80% günstiger machen soll

6. Mai 2021
Gitterstruktur und Messgerätt

Das britische Unternehmen Enable Manufacturing hat ein Vakuum-Additiv-Gussverfahren entwickelt, das bis zu fünfzehnmal günstiger als herkömmliche Metall-3D-Druckverfahren sein soll. Die Herstellungskosten für 3D-gedruckte Metallteile wären damit 80% günstiger als bei der Herstellung mit direktem Metall-Lastersintern (DMLS). Wir stellen das Verfahren vor.

3D-Drucker im Weltall:

TH Köln entwickelt neues Elektrofotografie-3D-Druckverfahren für den Einsatz im Weltall

23. April 2021
Beispiel Laserdrucker beim Drucken von Zahnradlayern

Die Technische Hochschule Köln und das Unternehmen mz Toner Technologies GmbH entwickeln gemeinsam ein neuartiges Verfahren für den 3D-Druck im Weltall. Dabei setzen die Forscher auf das sonst im 2D-Druck eingesetzte Elektrofotografie-Verfahren. Das neu entwickelte 3D-Druckverfahren könnte außerdem eine Alternative für das Spritzgussverfahren darstellen.

Sonolithographie:

Forscher stellen mit Sonolithographie neues 3D-Druckverfahren für beliebige Muster auf Oberflächen aus Aerosoltröpfchen oder -partikeln vor

15. April 2021
Screenshot YT-Video zur Arbeit der Forscher

Forscher aus Großbritannien der Universitäten Bristol und Bath haben ein neues 3D-Druckverfahren namens Sonolithographie entwickelt. Die Methode zielt auf medizinische Anwendungen, dem Bioprinting, ab und macht und ermöglicht es mit computergesteuertem Ultraschall präzise vorbestimmte Muster auf Oberflächen aus Aerosoltröpfchen oder -partikeln herstellen. Die Sonolithographie lässt sich neben der Medizin und in der Elektronik einsetzen.

3D-gedruckte Verbundteile:

Impossible Objects und Ricoh 3D bringen das CBAM-3D-Druckverfahren nach Europa

4. April 2021
Kohlefaserteile aus dem 3D-Drucker

Eine Unternehmenskooperation von Impossible Objects und Ricoh 3D ermöglicht es Impossible Objects sein auf Verbundwerkstoff basierendes CBAM-3D-Druckverfahren Kunden in ganz Europa anzubieten. Damit werden ab sofort Kunden von Ricoh 3D die leichten und besonders starken Verbundteile aus dem CBAM-3D-Drucker, hergestellt aus den Materialien PEEK, Kohlefaser und PA12, angeboten.

Forschung:

CAREER-Award geht an Entwicklung von 3D-Druckverfahren für elektronische Bauteile

14. März 2021
3D-gedrucktes künstliches neuronales Netz

Der Assistenzprofessor Xiaou Zheng von der UCLA Samueli Shool of Engineering erhielt für seine Arbeit den CAREER-Award der National Science Foundation (NSF). Damit soll er an schnelleren 3D-Druckverfahren für die additive Herstellung von elektronischen Bauteilen arbeiten. Eine erfolgreiche Entwicklung in diesem Bereich könnte neue Anwendungen im Gesundheitswesen, im Energiesektor, in der Automobilindustrie und anderen Branchen bringen.

Erkennungsfähigkeit von Robotern:

Forscher in Princeton züchten mit einem 3D-Druck-ähnlichen Verfahren künstliche Haare aus elastischen Polymeren

5. März 2021
Elastische Haare

Forscher von der Princeton University haben mit einem an die Additive Fertigung angelehntem Verfahren künstliche Haare aus elastischen Polymeren hergestellt. Die Haare entstehen schrittweise beim „Spinning“ einer Scheibe. Einsatzmöglichkeiten sind unter anderem die Entwicklung von Erkennungsfähigkeiten von Robotern und auch die Nachahmung biologischer Muster, die wichtige Lebensfunktionen ermöglichen.

3D-Druck-Prozess in 3 Stufen:

3D-Druck-Unternehmen Mantle will mit TrueShape-Prozess kürzere Vorlaufzeiten und Kostenersparnisse ermöglichen

26. Februar 2021
Mantle TrueShape Bauplatte

Das junge 3D-Druck-Unternehmen Mantle aus San Francisco (USA) will mit seinem Metall-3D-Druck-Prozess TrueShape den 3D-Druck von Metallobjekten einfacher und besser machen. Dazu benötigt der TrueShape-Prozess nur drei Schritte. Von Investoren sammelte Mantle bereits 13 Milliarden US-Dollar ein, um seine Fertigungstechnologie voranzubringen.

Mikrofluidik-Geräte:

Forscher der University of Bristol haben ein 3D-Druckverfahren für die preiswerte Herstellung von Mikrokanalgerüste für Lab-on-a-Chip-Geräte entwickelt

22. Februar 2021
100 Mikrometer breites 3D-gedrucktes Mikrokanalgerüst neben 20P Münze

Britische Forscher der University of Bristol haben ein kostengünstiges und unkompliziertes Verfahren für den 3D-Druck von Mikrokanalgerüsten entwickelt. Mit dem neuartigen 3D-Druckverfahren soll die Produktion vereinfacht werden und kann in der Medizin, unter anderem für Lab-on-a-Chip-Diagnosetests, angewendet werden. Wir fassen die Arbeit der Wissenschaftler zusammen.

Metallobjekte Schicht für Schicht:

Forscher vom Fraunhofer IPA verwenden das Fused Layer Modeling (FLM)-3D-Druckverfahren für schichtweisen Aufbau von Metallteilen

11. Februar 2021
Objekte mit FLM (Fused Layer Modelling)

Das Metal Injection Moulding (MIM)-Verfahren ist ein etablierter Standard bei der Herstellung von Metallteilen in der Industrie und Fertigung. Forscher vom Fraunhofer IPA haben jetzt mit dem Fused Layer Modeling-3D-Druckverfahren (FLM) Objekte aus Edelstahl schichtweise hergestellt. Der schichtweise Aufbau von Kunststoffobjekten ist mit dem FDM-3D-Druckverfahren bekannt. Mit dem FLM-3D-Druck für Metallteile setzen die Fraunhofer-Forscher neue Grenzen beim Metall-3D-Druck.

Hilfe bei Schluckbeschwerden:

Forscher aus Singapur entwickeln 3D-Druckverfahren zur Weiterverarbeitung pürierter Lebensmittel

5. Februar 2021
3D-gedrucktes püriertes Gemüse

Ein Forscherteam aus Singapur hat ein 3D-Druckverfahren entwickelt mit dem sich frisches und gefrorenes, püriertes Gemüse mit einem 3D-Drucker verarbeiten lassen kann. Der 3D-geduckte Gemüsebrei soll dabei aber nicht nur Menschen mit Schluckbeschwerden optisch ansehnlich Mahlzeiten ermöglichen und gleichzeitig die Pfleger entlasten. Gleichzeitig erzielten die Forscher auch verbesserte Eigenschaften in Geschmack und Haltbarkeit des 3D-gedruckten Gemüsepürees.

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