3D-Druckverfahren Übersicht – Welche 3D-Druckverfahren gibt es?

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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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.

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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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.

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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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.

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.

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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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.

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.

Bei der Stereolithographie (SLA) kommen SLA-3D-Drucker zum Einsatz. Hier wird ein ultraviolettes Licht (UV-Licht) über einen Laserstrahl projiziert, um damit Harz zu verfestigen, das in einem Tank enthalten ist. Das geplante Objekt wird Schicht für Schicht hergestellt. In den Tanks von SLA-3D-Druckern befindet sich lichthärtendes flüssiges Photopolymerharz. Im Harztank selbst zeichnet der UV-Laserstrahl die gewünschte Form des zu fertigenden Objektes nach und verfestigt es im gleichen Zug sowohl Punkt für Punkt.

Bei der Photopolymerisation greift man hauptsächlich auf die SLA- und DLP-Technologie zurück.

Für den 3D-Druck mit Harz greift man auf die SLA und DLP Technologie zurück, die auf dem Photopolymerisationsprozess basieren. Dazu sind diese speziellen 3D-Drucker mit einem Tank und einer Lichtquell – beispielsweise einem Laser oder einem Projektor – ausgestattet. Das im Tank enthaltene flüssige Harz wird von der Lichtquelle Schicht für Schicht zu einem Objekt ausgehärtet. Dazu wird eine Schale, die als Bauplattform dienst, oberflächennah in einen Flüssigharzbehälter eingetaucht. Das zu fertigende Objekt wird Schicht für Schicht (DLP) oder Punkt für Punkt (SLA) aus dem Tank herausgehoben und getrocknet. Dabei kommt es zu einer Emittierung des Lichts, welches dafür sorgt, dass das Material aushärtet. Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, wird die Schale wiederum etwas tiefer in den Tank getaucht. Dieser Prozess wird solange wiederholt, bis sämtliche Schichten gedruckt wurden und miteinander verschmolzen sind.

Bei den Harzen, die für den 3D-Druck in DLP- oder SLA-3D-Druckern Verwendung finden, handelt es sich um lichtempfindliche Photopolymere, also Fotoharze. Diese Verfestigen sich durch die Einwirkung bestimmter Lichtstrahlen.

Verwendet werden die SLA- und DLP-3D-Drucker für Objekte, die eine besonders hohe Detailgenauigkeit besitzen sollen und zugleich eine glatte Oberfläche erforderlich machen. So kommen DLP- und SLA-3D-Drucker hauptsächlich bei der Fertigung von Gussformen zum Einsatz, wozu beispielsweise kleine Schmuckstücke, aber auch Zahnersatz oder andere dentale Anwendungen gehören können.

Bei der Directed Energy Deposition (DED) Verfahren handelt es sich um eine fortschrittliche 3D-Druck Technologie, die in der Industrie genutzt wird. Da die Verarbeitung ähnlich erfolgt wie beim FFF beziehungsweise FDM Verfahren, kann auch die DED Technologie zur Extrusion dazugezählt werden.  Hier wird das Druckmaterial in Richtung einer Energiequelle wie beispielsweise Laser oder Elektronenstrahl befördert, sodann geschmolzen und dann wiederum Schicht für Schicht zu einem 3D-gedruckten Objekt verschmolzen.

Bei den meisten DED-3D-Druckern ist eine Düse auf einem Mehrachsarm, der aus bis zu fünf Achsen bestehen kann, montiert. Das geschmolzene Material wird durch die Düse auf die Oberfläche übertragen und erstarrt dort. Im Gegensatz zu den anderen Extrusionsverfahren kann sich die Düse in mehrere Richtungen bewegen, da sie nicht auf einer einzelnen Achse befestigt ist. Bei seiner Ausscheidung wird das Druckmaterial von einem Elektronen- oder Laserstrahl geschmolzen.  Als Druckmaterial können sowohl Polymere, Keramiken, Metallpulver und Metalldrähte verwendet werden. Oft greift man auf die Directed Energy Deposition zurück, um bereits vorhandene Teile oder Komponenten instandzusetzen oder sie mit einem weiteren Material zu versehen.

Die Extrusion ist die am häufigsten eingesetzte 3D-Druck-Technik, die von Desktop-3D-Druckern genutzt wird. Sie wird sowohl als Fused Deposition Modeling (FDM) und auch als Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet. Bei der Extrusion werden Kunststofffilamente – zum Beispiel ABS, PLA und PETG – im Druckkopf bzw. Extruder erhitzt und geschmolzen. Der 3D-Druckkopf ist auf zwei horizontalen Achsen, genauer gesagt der X- und der Y-Achse, positioniert und bewegt sich an diesen entlang. Das Druckbett, welches als Ablage dient, bewegt sich vertikal auf der Z-Achse.

Aus dem Extruder wird das geschmolzene Material schichtweise übereinander abgelegt, verbindet sich mit den nächsten Schichten und härtet aus. Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, senkt sich das Druckbett mit der Z-Achse etwas herunter und der Prozess beginnt von vorn. Dies geht so lange weiter, bis das gewünschte Objekt oder Bauteil fertiggestellt ist. Wie genau das Objekt gedruckt wird, hängt vom gewählten Filament und dessen Qualität, aber auch von der Mindestschichtdicke des 3D-Druckers ab. Grundsätzlich lässt sich feststellen, dass je dünner die Schichten ausfallen, umso größer ist die Druckgenauigkeit respektive die Druckauflösung.

Zu den 3D-Druck-Filamenten, die mit fast allen Desktop 3D-Druckern kompatibel sind, gehören unter anderem PLA und ABS. FFF 3D-Drucker können auch einige exotische Kunststofffilamente verarbeiten, denen beispielsweise Anteile von Metall, Holz oder eines anderen Materials hinzugefügt wurden. Ein Großteil der Desktop-3D-Drucker nutzen das FFF Verfahren.

Besonders in privaten Haushalten, aber auch in Ingenieur- und Architektenbüros greift man für die Anfertigung einzelner Objekte gern auf Desktop-3D-Drucker zurück, die eines der Extrusionsverfahren nutzen. Zu diesen gehören das Fused Deposition Modeling (FDM) beziehungsweise die Fused Filament Fabrication (FFF), im weitesten Sinne aber auch die Directed Energy Deposition (DED).