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Additive Fertigungstechnologien: Ein Überblick

Geschrieben von Ben Redwood

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Additive Manufacturing Technologies: An Overview

Einführung

Die Auswahl des am besten geeigneten Additiven Fertigungsprozesses (Additive Manufacturing, AM) für eine bestimmte Anwendung kann schwierig sein. Die sehr große Auswahl an verfügbaren 3D-Druck Technologien und Materialien bedeutet oft, dass mehrere davon in Frage kommen, aber jede davon Unterschiede in der Maßgenauigkeit, der Oberflächengüte und den Anforderungen an die Nachbearbeitung bietet.

Das Ziel dieses Artikels ist es, die Unterschiede zwischen den einzelnen additiven Fertigungstechnologien zu kategorisieren und zusammenzufassen. Wir haben die beliebtesten 3D-Druckverfahren und die häufigsten Anwendungen und Materialien für jedes dieser Verfahren ermittelt.

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Wannen-Photopolymerisation

Die Photopolymerisation erfolgt, wenn ein Photopolymerharz dem Licht einer bestimmten Wellenlänge ausgesetzt wird, eine chemische Reaktion durchläuftn und aushärtet. Weitere Einzelheiten über den Photopolymerisationsmechanismus finden Sie hier. Eine Reihe von additiven Technologien nutzt dieses Phänomen, um ein festes Teil schichtweise aufzubauen.

Einige SLA-Methoden zum Drucken von Druckteilen auf dem Kopf, wie sie aus dem Harz gezogen werden

Technologien

Stereolithographie (SLA) SLA verwendet eine Druckbettplattform, die in einen durchsichtigen, mit flüssigem Photopolymerharz gefüllten Tank getaucht ist. Sobald die Druckplattform untergetaucht ist, bildet ein Ein-Punkt-Laser, der sich im Inneren der Maschine befindet, eine Querschnittsfläche (Schicht) einer Konstruktion durch den Boden des Tanks ab, wobei das Material verfestigt wird. Nachdem die Schicht durch den Laser abgebildet und verfestigt worden ist, hebt sich die Plattform an und lässt eine neue Schicht Harz unter das Teil fließen. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, um ein massives Teil zu erzeugen. Die Teile werden dann in der Regel durch UV-Licht nachgehärtet, um ihre mechanischen Eigenschaften zu verbessern. Klicken Sie auf hier für eine vollständige Einführung in SLA- und DLP-Technologien und hier für einen Leitfaden zum Design von Teilen für diese Prozesse.
Direkte Lichtverarbeitung (DLP) DLP (Direct Light Processing) verfolgt im Vergleich zu SLA eine nahezu identische Methode zur Herstellung von Teilen. Der Hauptunterschied besteht darin, dass DLP einen digitalen Licht-Projektonsbildschirm verwendet, um ein einzelnes Bild jeder Schicht auf einmal abzubiklden. Da der Projektor ein digitaler Bildschirm ist, besteht das Bild jeder Schicht aus quadratischen Pixeln, was zu einer Schicht aus kleinen rechteckigen Bausteinen, den so genannten Voxeln, führt. Mit DLP können im Vergleich zu SLA für einige Teile schnellere Druckzeiten erzielt werden, da jede ganze Schicht auf einmal belichtet wird, anstatt die Querschnittsfläche mit einem Laser abzutasten. Klicken Sie auf hier für eine vollständige Einführung in SLA- und DLP-Technologien und hier für einen Leitfaden zum Design von Teilen für diese Prozesse.
Kontinuierliches DLP (CDLP) Continuous Direct Light Processing (CDLP) (auch bekannt als Continuous Liquid Interface Production oder CLIP) produziert Teile auf genau dieselbe Weise wie DLP. Sie beruht jedoch auf der kontinuierlichen Bewegung der Druckbettplattform in Z-Richtung (nach oben). Dies ermöglicht schnellere Druckzeiten, da der Drucker nicht nach jeder Schicht anhalten und das Teil von der Druckbettplattform trennen muss.

Anwendungen

Wannenpolymerisationsverfahren eignen sich hervorragend für die Herstellung von Teilen mit feinen Details und bieten eine glatte Oberflächenbeschaffenheit. Dies macht sie ideal für Schmuck, Kleinserien-Spritzguss und viele dentale und medizinische Anwendungen. Die Haupteinschränkung der Wannenpolymerisation ist die Sprödigkeit der hergestellten Teile.

Technologie Gängige Hersteller Materialien
SLA Formlabs, 3D Systems, DWS Standard-, zähe, flexible, transparente und gießbare Harze
DLP B9 Creator, MoonRay Standard- und gießbare Harze
CDLP Carbon3D, EnvisionTEC Standard-, zähe, flexible, transparente und gießbare Harze

Erforschen Sie die beliebtesten Materialoptionen für die Wannen-Photopolymerisation

Siehe SLA/DLP-Materialien

Pulverbett-Schmelze

Bei den PBF-Technologien (Powder Bed Fusion) wird ein festes Teil mit Hilfe einer Wärmequelle hergestellt, die eine schichtweise Verschmelzung (Sintern oder Schmelzen) zwischen den Partikeln eines Kunststoff- oder Metallpulvers bewirkt.

Die meisten PBF-Technologien verwenden Mechanismen zum Verteilen und Glätten von dünnen Pulverschichten während des Drucks eines Teils, was dazu führt, dass die endgültige Komponente nach dem Bau in Pulver eingekapselt ist.

Die Hauptvarianten der PBF-Technologien ergeben sich aus den unterschiedlichen Energiequellen (z.B. Laser oder Elektronenstrahlen) und den dabei verwendeten Pulvern (Kunststoffe oder Metalle).

Entfernung des Pulverstiftes aus dem SLS-Prozess, wobei die gedruckten Teile noch mit ungesintertem Pulver umhüllt sind

Technologien

Selektives Lasersintern (SLS) SLS produziert feste Kunststoffteile mit einem Laser, indem dünne Schichten aus pulverförmigem Material schichtweise gesintert werden. Der Prozess beginnt damit, eine erste Schicht Pulver über die Druckbettplattform zu verteilen. Der Querschnitt des Teils wird durch den Laser abgefahren und gesintert, wodurch das Pulver verfestigt wird. Die Druckplattform sinkt dann um eine Schichtdicke ab und eine neue Schicht Pulver wird aufgetragen. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis ein massives Teil hergestellt ist. Das Ergebnis dieses Prozesses ist ein vollständig mit ungesintertem Pulver umhülltes Bauteil. Das Teil wird aus dem Pulver entfernt, gereinigt und dann ist es einsatzbereit oder kann weiter nachbearbeitet werden. Klicken Sie auf hier für eine vollständige Anleitung zur Konstruktion von Teilen für SLS.
SLM und DMLS Sowohl das Selektive Laserschmelzen (SLM) als auch das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS) produzieren Teile mit einem ähnlichen Verfahren wie das SLS. Der Hauptunterschied besteht darin, dass SLM und DMLS bei der Herstellung von Metallteilen eingesetzt werden. SLM erreicht eine vollständige Schmelze des Pulvers, während DMLS die Pulverpartikel nur nahezu auf Schmelztemperaturen erhitzt, bis sie chemisch miteinander verschmelzen. DMLS arbeitet nur mit Legierungen (Nickellegierungen, Ti64 usw.), während SLM einteilige Metalle, wie z.B. Aluminium, verarbeiten kann. Im Gegensatz zu SLS benötigen SLM und DMLS Stützstrukturen, um die hohen Eigenspannungen, die während des Druckprozesses entstehen, zu kompensieren. Dies trägt dazu bei, die Wahrscheinlichkeit von Verbiegungen und Verzerrungen zu begrenzen. DMLS ist das am besten etablierte Metall-AM-Verfahren mit der größten installierten Gerätebasis. Eine vollständige Anleitung zur Konstruktion von Teilen für SLM und DMLS finden Sie hier.
Elektronenstrahlschmelze (EBM) Beim EBM-Verdfahren wird ein hochenergetischer Strahl statt eines Lasers eingesetzt, um die Verschmelzung zwischen den Teilchen eines Metallpulvers zu induzieren. Ein fokussierter Elektronenstrahl fährt eine dünne Pulverschicht ab und bewirkt ein lokales Schmelzen und Erstarren über eine bestimmte Querschnittsfläche. Elektronenstrahlsysteme erzeugen weniger Eigenspannungen in Teilen, was zu weniger Verformung und weniger Bedarf an Verankerungen und Stützstrukturen führt. Darüber hinaus verbraucht EBM weniger Energie und kann Schichten schneller herstellen als SLM und DMLS, aber die minimale Merkmalsgröße, die Pulverpartikelgröße, die Schichtdicke und die Oberflächenbeschaffenheit sind in der Regel von geringerer Qualität. EBM bedeutet auch, dass die Teile im Vakuum hergestellt werden müssen und das Verfahren nur bei leitfähigen Materialien eingesetzt werden kann.
Multi Jet Fusion (MJF) MJF ist im Wesentlichen eine Kombination aus den Technologien SLS und Material-Strahlauftrag. Ein Schlitten mit Tintenstrahldüsen (ähnlich den Düsen, die in Desktop-2D-Druckern verwendet werden) fährt über den Druckbereich und trägt Schmelzmittel auf eine dünne Schicht Kunststoffpulver auf. Gleichzeitig wird in der Nähe des Randes des Teils ein Detaillierungsmittel aufgedruckt, das das Sintern verhindert. Eine Hochleistungs-Infrarot-Energiequelle fährt dann über das Druckbett und sintert die Bereiche, in denen das Schmelzmittel aufgetragen wurde, während der Rest des Pulvers unangetastet bleibt. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis alle Teile vollständig sind. Ein Artikel, der die Fähigkeiten von MJF mit SLS vergleicht, findet sich hier.

Anwendungen

PBF-Technologien auf Polymerbasis bieten eine große Designfreiheit, da keine Abstützung erforderlich ist, was die Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht.

Sowohl Metall- als auch Kunststoff-PBF-Teile haben in der Regel eine sehr hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie mechanische Eigenschaften, die mit denen des Rohmaterials vergleichbar (oder manchmal sogar besser) sind. Es gibt eine große Auswahl an Nachbearbeitungsmethoden, was bedeutet, dass PBF-Teile eine sehr glatte Oberfläche haben können, und aus diesem Grund werden sie oft zur Herstellung von Endprodukten verwendet.

Die Grenzen des PBF liegen oft in der Oberflächenrauheit und der inneren Porosität der Teile im Druckzustand, in der Schrumpfung oder Verformung während der Verarbeitung und in den Herausforderungen, die mit der Handhabung und Entsorgung des Pulvers verbunden sind.

Technologie Gängige Hersteller Materialien
SLS EOS, Stratasys Nylon, Alumid, kohlenstofffasergefülltes Nylon, PEEK, TPU
SLM/DMLS EOS, 3D-Systeme, Sinterit Aluminium, Titan, Edelstahl, Nickellegierungen, Kobalt-Chrom
EBM Arcam Titan, Kobalt-Chrom
MJF HP Nylon

Erforschen Sie die beliebtesten Materialoptionen für die Pulverbettschmelze

Siehe SLS-Materialien Siehe DMLS/SLM-Materialien

Material-Extrusion

Ähnlich wie Zahnpasta aus einer Tube gepresst wird, wird bei der Materialextrusion ein Material durch eine Düse auf eine Druckbettplattform extrudiert. Die Düse folgt einem vorgegebenen Weg und baut Schicht für Schicht auf.

FDM extrudiert Thermoplast aus einer beheizten Düse auf einem vorbestimmten Weg, um Teile aufzubauen

Technologien

Fused Deposition Modeling (FDM) FDM (manchmal auch als Fused Filament Fabrication oder FFF bezeichnet) ist die am weitesten verbreitete 3D-Drucktechnologie. FDM baut Teile aus Strängen aus festem thermoplastischen Material, das in Form eines Filaments vorliegt. Das Filament wird durch eine beheizte Düse geschoben, wo es geschmolzen wird. Der Drucker bewegt die Düse kontinuierlich und scheidet das geschmolzene Material auf einem vorgegebenen Weg an genauen Stellen ab. Wenn das Material abkühlt, verfestigt es sich und baut das Teil schichtweise auf. Eine Einführung in das FDM finden Sie hier und einen vollständigen Leitfaden mit FDM-Entwurfsrichtlinien finden Sie hier.

Anwendungen

Die Materialextrusion ist eine schnelle und kostengünstige Methode zur Herstellung von Kunststoff-Prototypen. Industrielle FDM-Systeme können auch funktionale Prototypen aus technischen Materialien herstellen. FDM hat einige Beschränkungen der Maßgenauigkeit und ist sehr anisotrop.

ABS, PLA, Nylon, PC, faserverstärktes Nylon, ULTEM, exotische Filamente (holzgefüllt, metallgefüllt etc)
Technologie Gängige Hersteller Materialien
FDM Stratasys, Ultimaker, MakerBot, Markforged

Erforschen Sie die beliebtesten Materialoptionen für die Materialextrusion

Siehe FDM-Materialien

Material Jetting

Material Jetting wird oft mit dem 2D-Tintenstrahlverfahren verglichen. Photopolymere, Metalle oder Wachs, die durch UV-Licht oder erhöhte Temperaturen aushärten, können verwendet werden, um Teile schichtweise aufzubauen. Die Natur des Material-Jetting-Verfahrens ermöglicht den Druck mit mehreren Materialien. Diese Fähigkeit wird oft genutzt, um während der Druckphase Abstützung Teile aus verschiedenen (löslichen) Materialien zu drucken.

Ein Materialstrahldrucker, der veranschaulicht, wie groß die Maschinen oft sind

Technologien

Material Jetting Beim Material Jetting wird ein Fotopolymer aus Hunderten von winzigen Düsen in einem Druckkopf dosiert, um ein Teil schichtweise aufzubauen. Dies ermöglicht Materialstrahlschritte zur schnellen, linienweisen Abscheidung von Aufbaumaterial im Vergleich zu anderen punktweisen Abscheidungstechnologien, die einem Pfad folgen, um die Querschnittsfläche einer Schicht zu vervollständigen. Wenn sich die Tröpfchen auf der Druckbettplattform absetzen, werden sie mit UV-Licht ausgehärtet und verfestigt. Material-Jetting-Verfahren erfordern eine Abstützung und diese wird oft gleichzeitig während des Drucks aus einem wasserlöslichen Material mitgedruckt, das bei der Nachbearbeitung leicht entfernt werden kann. Klicken Sie [hier](/knowledge-base/introduction-material-jetting-3d-printing/) für eine Einführung in das Material Jetting.
Nano-Partikelstrahlen Beim Nano-Partikelstrahlen (Nano Partcle Jetting, NPJ) wird eine Flüssigkeit, die Metallnanopartikel oder Träger-Nanopartikel enthält, als Patrone in den Drucker geladen. Die Flüssigkeit wird dann in extrem dünnen Tröpfchenschichten auf das Druckbett gespritzt. Hohe Temperaturen im Inneren der Druckkabine führen dazu, dass die Flüssigkeit verdampft und Metallteile zurückbleiben.
Drop-On-Demand (DOD) DOD-Material-Jetting-Drucker haben 2 Druckdüsen: eine zum Auftragen der Baumaterialien (typischerweise eine wachsartige Flüssigkeit) und eine weitere für lösliches Trägermaterial. Ähnlich wie bei den traditionellen AM-Techniken folgen die DOD-Drucker einem vorgegebenen Pfad und legen Material punktweise ab, um die Querschnittsfläche eines Bauteils zu erstellen. Diese Maschinen verwenden auch eine bewegliche Klinge, die nach jeder Schicht den Aufbaubereich abkratzt, um eine perfekt ebene Oberfläche zu gewährleisten, bevor die nächste Schicht gedruckt wird. Die DOD-Technologie wird in der Regel zur Herstellung "wachsartiger" Modelle für den Wachsausschmelz-/Feinguss und den Formenbau verwendet.

Anwendungen

Das Material Jetting ist ideal für realistische Prototypen und bietet eine ausgezeichnete Detailtreue, hohe Genauigkeit und glatte Oberflächen. Das Material Jetting ermöglicht es einem Designer, in mehreren Farben und Materialien in einem einzigen Druck zu drucken. Die Hauptnachteile der Material Jetting-Technologien sind die hohen Kosten und die spröden mechanischen Eigenschaften der UV-aktivierten Photopolymere.

Technologie Gängige Hersteller Materialien
Material Jetting Stratasys (Polyjet), 3D-Systeme (MultiJet) Hart, transparent, mehrfarbig, gummiartig, ABS-ähnlich. Multimaterial- und Mehrfarbendruck verfügbar
NPJ Xjet Edelstahl, Keramik
DOD Solidscape Wachs

Erforschen Sie die beliebtesten Materialoptionen für das Materialstrahlen

Siehe Material Jetting-Materialien

Binder Jetting

Beim Binder Jetting wird ein Bindemittel auf ein Pulverbett aufgetragen, um ein Teil schichtweise aufzubauen. Diese Schichten verbinden sich zu einem festen Rohling.

Ein Bindemittelauftrag-Rohling nach der Entfernung aus dem Druckpulver

Technologien

Binder Jetting Beim Binder Jetting wird ein Bindemittel auf dünne Schichten von pulverförmigem Material aufgebracht. Die Pulvermaterialien sind entweder auf Keramikbasis (z.B. Glas oder Gips) oder Metall (z.B. Edelstahl). Der Druckkopf bewegt sich über die Druckbettplattform und scheidet Bindemitteltröpfchen ab, wobei jede Schicht auf ähnliche Weise gedruckt wird, wie 2D-Drucker Tinte auf Papier drucken. Wenn eine Schicht fertig ist, bewegt sich das Pulverbett nach unten, und eine neue Schicht Pulver wird auf die gerade erzeugte Fläche aufgetragen. Der Prozess wird so lange wiederholt, bis alle Teile vollständig sind. Nach dem Druck befinden sich die Teile in einem rohen Zustand und erfordern eine zusätzliche Nachbearbeitung, bevor sie einsatzbereit sind. Häufig wird ein Infiltrationsmittel hinzugefügt, um die mechanischen Eigenschaften der Teile zu verbessern. Das Infiltrationsmittel ist normalerweise ein Cyanacrylat-Klebstoff (bei Keramik) oder Bronze (bei Metallen).

Anwendungen

Bindemittelauftrag auf Keramikbasis eignet sich ideal für Anwendungen, die Ästhetik und Form in den Vordergrund stellen: Architekturmodelle, Verpackungen, ergonomische Überprüfung usw. Für Funktionsprototypen ist sie jedoch nicht geeignet, da die Teile sehr spröde sind. Das Binder Jetting auf Keramikbasis kann auch zur Herstellung von Formen für den Sandguss verwendet werden.

Teile, die per Binder Jetting auf Metallbasis hergestellt werden, können als funktionelle Komponenten verwendet werden und sind kostengünstiger als SLM- oder DMLS-Metallteile, haben aber schlechtere mechanische Eigenschaften.

Edelstahl, Keramik, Kobalt-Chrom, Wolfram-Karbid
Technologie Gängige Hersteller Materialien
Binder Jetting 3D-Systeme, Voxeljet Quarzsand, PMMA-Partikelmaterial, Gips
ExOne Edelstahl, Keramik, Kobalt-Chrom, Wolfram-Karbid

Erforschen Sie die beliebtesten Materialoptionen für das Binder Jetting

Siehe Binder Jetting -Materialien

Direktenergieabscheidung

Bei der Direktenergieabscheidung (Direct Energy Deposition, DED) werden Teile durch Schmelzen von Pulvermaterial während der Ablagerung erzeugt. Es wird vorwiegend Metallpulver oder -draht verwendet und oft als Metallabscheidung bezeichnet.

Technologien

Laserunterstützte Endform (LENS) Das laserunterstützte LENS (Laser Engineered Net Shape) verwendet einen Abscheidekopf, der aus einem Laserkopf, Pulverdüsen und Inertgasrohren besteht, um das Pulver beim Ausstoßen aus den Pulverdüsen zu schmelzen und so schichtweise ein festes Teil zu bilden. Der Laser erzeugt im Druckbereich ein Schmelzbad und das Pulver wird in das Bad gesprüht, wo es geschmolzen und dann verfestigt wird. Das Substrat ist in der Regel eine flache Metallplatte oder ein bereits vorhandenes Teil, auf das Material aufgetragen wird (z.B. zur Reparatur).
Additive Elektronenstrahlfertigung (EBAM) EBAM (Electron Beam Additive Manufacture) wird verwendet, um Metallteile aus Metallpulver oder -draht herzustellen, die mit einem Elektronenstrahl als Wärmequelle zusammengeschweißt werden. Bei der Herstellung von Teilen, die auf ähnliche Weise wie beim LENS funktioniert, sind Elektronenstrahlen effizienter als Laser und arbeiten im Vakuum, wobei die Technologie ursprünglich für den Einsatz im Weltraum konzipiert wurde.

Anwendungen

DED-Technologien werden ausschließlich in der Metallzusatzfertigung eingesetzt. Aufgrund der Art des Verfahrens eignen sie sich ideal für die Reparatur oder das Hinzufügen von Material zu bestehenden Komponenten (wie z.B. Turbinenschaufeln). Durch die Abhängigkeit von dichten Trägerstrukturen ist das DED-Verfahren nicht ideal geeignet, um Teile von Grund auf neu zu produzieren.

Technologie Gängige Hersteller Materialien
LENS Optomec Titan, rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer, Werkzeugstahl
EBAM Sciaky Inc Titan, rostfreier Stahl, Aluminium, Kupfer-Nickel, Stahl 4340

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