Additive Fertigung (3D-Druck)

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Letzter Bearbeiter/Autor dieser Wiki-Seite 'Additive Fertigung (3D-Druck)': Jenny Schön (induux-Profil)
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Was ist Additive Fertigung? Definition:

Additive Fertigung bezeichnet alle Fertigungsverfahren, bei denen das Material computergesteuert Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Objekt oder Werkstück zu erhalten. Der 3D-Druck ist ein Teilbereich.

Auch oft gesucht: 3D-Drucker, Additive Fertigung, Additive Manufacturing, AM, Generative Fertigung



Was ist Additive Fertigung?

Die Additive Fertigung (Generative Fertigung, Additive Manufacturing) wird häufig als Synonym für den 3D Druck verwendet, obwohl der 3D-Druck streng genommen nur ein Teilbereich ist. Die Additive Fertigung bezeichnet alle Fertigungsverfahren, bei denen Schicht für Schicht Material aufgetragen wird und somit ein dreidimensionaler Gegenstand entsteht. Notwendig für die schichtweise Erstellung sind CAD/CAM Daten. Es können fest und flüssige Werkstoffe wie Kunststoffe, Keramik, Metalle... verwendet werden. Beim Aufbau kommt es zu Schmelz- und Härtungsprozessen.

Mit dem 3D-Druck werden dreidimensionale Objekte mit einem 3D-Drucker gedruckt. Obwohl man von "Druck" redet, versteht man unter 3D-Druck mehr als nur das Aufbringen von Material auf ein Trägermaterial. Kombiniert mit Lasertechnologie, lässt sich Aluminium-Pulver z.B. zu einem Aluminium-Gegenstand schmelzen.

3D-Druck wird in den nächsten Jahren die gesamte Produktion so massiv ändern, dass man von einer Revolution sprechen kann. Schon heute wurden erste Häuser und Autos gedruckt.

Mit dem 3D-Druck können Objekte entstehen, die zu deutlich geringeren Kosten hergestellt werden können. Da Konstruktionen auch einfacher sein können, sind die gedruckten Objekte leichter als über den konventionellen Weg. Auch die Umwelt wird aufgrund geringerer Schadstoffemissionen im Produktionsprozess weniger belastet.

Beim 3D-Druck wird ein 3D-CAD-Körper in einzelne Schichten unterteilt und beispielsweise Vektoren eines Laserstrahls für jede Schicht errechnet. Die Schichtstärke liegt in der Regel zwischen 15 und 150 µm.

Additive Fertigung



Geschichte

1984 entwickelte Chuck Hull die Stereolithografie und kommerzialisierte diese als Gründer von 3D Systems nur wenige Jahre später im Jahr 1986. Kurz darauf wurde das FDM und der 3D-Druck mit Pulver (3DP) patentiert. Die Technologie wurde Anfangs für das Rapid Prototyping genutzt um Modelle für die Produktentwicklung anzufertigen. Im Laufe der Zeit erreichten die Anschauungsobjekte durch die Weiterentwicklung der Maschinen, Materialien und Computer die Qualität von Endprodukten. Das Rapid Manufacturing bzw. das Direct Manufacturing war geboren.

Obwohl der 3D-Druck bereits seit 30 Jahren existiert, erlebte die Branche erst in den letzten Jahren einen Boom. So verdoppelten sich beispielsweise die Patentanmeldungen von 2011 bis 2013 auf über 550 im Jahr. 2001 lagen die Anmeldungen noch bei 50 Stück im Jahr.

Heute ist der Markt stark umkämpft. In großem internationalen Wettkampf streiten sich Hersteller um Patente und kaufen sich untereinander auf.
Der 3D-Druck ist sowohl für die Industrie, als auch für Privatanwender, Universitäten und Regierungen interessant. Dies hat große Investitionen in der Wissenschaft und im Bildungsbereich zur Folge um die Technologieführerschaft zu sichern.

Fertigungsverfahren

Direktes Metall-Lasersintern

Selektives Laserschmelzen

Beim Laserschmelzen wird eine Pulverschicht des Werkstoffes (Metall) aufgetragen und durch den Laser umgeschmolzen. Anschließend wird das Werkstück um eine Schichthöhe abgesenkt und das Pulver neu verteilt. Dies wird wiederholt, bis jede Schicht aufgetragen und so das Werkstück hergestellt wurde. Um den Werkstoff nicht mit Sauerstoff zu kontaminieren, wird der 3D-Druck in einer Schutzatmosphäre mit Argon oder Stickstoff ausgeführt.
Sowohl Kunststoff als auch Metalle, Keramiken und Sand können mit diesem Verfahren verarbeitet werden.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Ähnlich dem selektiven Laserschmelzen wird bei diesem 3D-Druck Verfahren das Werkstück durch das Schmelzen von Pulverschichten erstellt. Der Unterschied liegt lediglich darin, dass beim Elektronenstrahlschmelzen ein Elektronenstrahl statt eines Lasers verwendet wird um das Metallpulver zu schmelzen. Dieser Strahl wird durch eine megnetisch gelagerte Feder gelenkt.

selektives Lasersintern

Ebenfalls dem selektiven Laserschmelzen ähnelnd ist das selektive Lasersintern (kurz SLS/SLM). Der Unterschied dieser 3D-Druck Verfahren liegt darin, dass kein reines Metallpulver verwendet wird. Dem Kunststoff oder dem Metall wird ein Binder zugesetzt. Dieses Spezialsinterpulver wird nur partiell aufgeschmolzen, wodurch ein Flüssigphasensinterprozess stattfindet - das Druckmaterial wird verklebt.
Der Vorteil dem Schmelzverfahren gegenüber ist, dass kein geschmolzenes Material abtropfen kann. Dadurch entstehen weniger Ungenauigkeiten.

Fused Deposition Modeling

(auch Fused Filament Fabrication - FFF) Beim Fused Deposition Mmodeling (FDM) wird ein Kunststoff erhitzt und das Werkstück in Bahnen aufgebaut. Dabei wird das Material über eine Spüle zur Düse transportiert. Da es nur knapp über den Verflüssigungspunkt gebracht wurde, erstarrt es sofort nach dem Auftragen. Das Ergebnis dieser kostengünstigen Technik sind relativ detailgenaue Einzelstücke. Durch die raue Oberfläche müssen diese allerdings häufig nachbearbeitet werden. Die Präzision auf der X- und Y-Ebene ist meist gut, auf der Z-Ebene allerdings nur befriedigend. Zudem wir hier meist mit Stützmaterial gearbeitet. Dieses muss nach dem Druck entfernt werden.
Verwendete Thermoplaste sind unter anderem: ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol), Nylon und PLA (Polylactat)

Laserauftragschweißen

Beim Laserauftragschweißen wird mittels eines Dioden- oder Faserlasers ein Metallpulver oder -draht über eine Düse auf dem Werkstück aufgetragen. In der Industrie wird das Laserauftragschweißen mit Pulver größtenteils vollautomatisch eingesetzt, wohingegen die Verwendung von Draht manuell erfolgt.
Das Verfahren wird zur Reparatur von teuren und großen Bauteilen oder zur Herstellung von Prototypen verwendet.

Stereolithografie/SLA Drucker

Bei der Stereolithografie (kurz STL/SLA) werden flüssige Kunststoffe durch Licht ausgehärtet. Dazu wird das Werkstück in einem Flüssigkunststoffbad hergestellt. Ein Laser härtet die Schichten, während die Arbeitsplatte immer weiter abgesenkt wird. Danach werden Stützkonstruktionen entfernt und das 3D Objekt gehärtet. Mit diesem 3D-Druck Verfahren hergestellte Produkte können sehr genau hergestellt werden, sind aber nicht belastbar.

Film Transfer Imaging (FTI)

Bei dieser Technik wird ein dünner Film des Materials auf einer Transportfolie auftragen. Durch Belichtung an den zu härtenden Stellen wird die Schicht erzeugt. Anschließend wird das Werkstück angehoben, ein neuer Film verteilt und der Vorgang wiederholt. Das FTI bietet eine sehr hohe Genauigkeit, als Werkstoff werden lichtempfindliche Kunststoffe verwendet.

Digital Light Processing (DLP)

3D-Drucker - DLP

Beim DLP handelt es sich um eine Mischung aus den 3D-Drucktechniken FTI und STL. Zugrunde liegt die gleiche Technik wie bei FTI, mit dem Unterschied, dass sich das Werkstück in einem Kunststoffbad befindet.

Multi (Poly)Jet-Modeling

Das Multi (Poly)Jet-Modeling ähnelt dem Verfahren von Tintenstrahldruckern. Das Modell wird durch einen Druckkopf mit einer oder mehreren linear angeordneten Düsen schichtweise aufgebaut. Die durch dieses System erzeugten Tröpfchen ermöglichen feine Details bei einer Druckauflösung von bis zu 450 dpi.
Der Druck von Überhängen erfolgt mit Hilfe eines niedriger schmelzenden Wachs oder durch nadelartige Stützen aus dem gleichen Werkstoff.
Als Modellwerkstoff zum 3D-Druck werden häufig UV-empfindliche Photopolymere verwendet. Diese werden nach dem Aufdrucken durch UV-Licht polymerisiert (gehärtet).
3D-Drucker die diese Technik nutzen sind sehr kompakt und können in einer Büroumgebung genutzt werden. |}

Anwendungsgebiete 3D Druck

3D-Druck im industriellen Umfeld

Die Industrie hat den 3D-Druck schnell für sich entdeckt.

Da durch den 3D-Druck Bauteile hergestellt werden können, die so vorher nicht möglich waren, bildete er schnell seine eigene Nische. Inzwischen wird das Verfahren aber auch noch umfassender eingesetzt. Nachfolgend finden sich ein paar typische Einsatzgebiete für den dreidimensionalen Druck.

Mass Customization

Die Mass Customization (MC, kundenindividuelle Massenproduktion) beschreibt die Massenproduktion eines Produkts, dass auf die Kundenwünsche angepasst wird. Was früher ein Widerspruch war, kann heute durch den 3D-Druck realisiert werden. Besondern im Bereich des kundenindividualisierten Schmucks ist die MC durch den 3D-Druck bereichts zu beobachten.

Rapid Prototyping

Rapid Prototyping (RP) bezeichnet die schnelle Produktion dreidimensionaler Modelle mit Hilfe digital erstellter CAD-Daten durch 3D-Drucker. Mit dem Rapid Prototyping haben Unternehmen die Möglichkeit unkompliziert und schnell Prototypen anzufertigen. So müssen nicht Teile speziell für den Prototypen angefertigt werden, was viel Zeit und Geld in Anspruch nehmen würde. Die Prototypen werden zur Überprüfung der CAD-Daten und 3D Modelle genutzt. Betrachtet werden dabei Aspekte wie Maße, Passgenauigkeit sowie thermische und mechanische Belastbarkeit. Inzwischen gibt es weitere Anwendungsgebiete des RP: Das Rapid Tooling bezeichnet die Herstellung von Werkzeugen, das Rapid Manufacturing beschreibt die Produktion von Klein- und Kleinstserien.

Heimanwendung

Zuhause kann man mit einem 3D-Drucker Schmuck, Spielzeug oder Becher und Schalen herstellen. Komplexe Strukturen oder belastbare Gegenstände sind dagegen mit einem professionellen Gerät zu realisieren. 3D-Drucker für die Heimanwendung verwenden meistens Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) als Material.

Automobilbranche

Schon seit mehr als einem Jahrzehnt wird das Rapid Prototyping mit 3D-Druck sowie Lasersintern und -schmelzen für die Automobilindustrie immer bedeutender. Bei der Erstellung von Einzel- oder Kleinserienteilen ist die Technologie kaum zu schlagen. Dies liegt vor allem daran, dass sie keine zusätzlichen teuren Maschinen braucht, ein hohes Maß an Individualisierung mit komplexen Geometrien möglich ist und der ganze Vorgang vergleichsweise schnell geht.

Besonders bei kleinen und kleinsten Stückzahlen und im Leichtbau bietet der 3D-Druck Chancen für die Automobil- oder auch Luftfahrtindustrie. so werden beispielsweise jetzt schon für die Formel-1 Turbinenschaufeln mit Hohlraum gedruckt um Gewicht zu sparen. Die Herstellung solcher Teile wäre mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich.

Bauwesen

Beim Bau von Häusern kommen 3D-Drucker beim erstellen des Rohbaus zum Einsatz. Pläne können am Computer erstellt werden, dann in Steuerungsdaten für den 3D-Druck verarbeitet und an einen 3D-Drucker in form eines vollautomatischen Roboters weitergeleitet. Dieser erstellt dann das Gebäude.

Labore

In den Bereichen Chemie, Biologie und Physik werden 3D-Drucker in Laboren verwendet, um komplexe Reaktionsgefäße, Minireaktoren oder Messröhrchen herzustellen.

Was kostet ein 3D-Drucker?

Wer sich einen 3D-Drucker für Zuhause anschaffen will, muss mit Preisen zwischen 400€ bis 1.500€ rechnen. 3D-Drucker zum selber aufbauen findet man schon ab 100€. Für den industriellen Bereich muss natürlich mehr Geld in die Hand genommen werden.

Wo kann man 3D-Drucker kaufen?

Zur Heimanwendung können 3D-Drucker z. B. bei Conrad, Hornbach, Amazon, ebay... gekauft werden.

3D-Druck Zukunftsprognose

Analysten sagen dem Markt ein starkes Wachstum voraus. Lag der Marktwert des Additive Manufacturing 2013 noch bei 2,2 Milliarden Euro, soll er bis 2023 auf 7,7 Milliarden anwachsen. Gründe dafür sind die immer weiter sinkenden Fertigungskosten für AM mit Metall. Diese sollen um zwei Drittel sinken, und die Fertigungsgeschwindigkeit soll sich erhöhen. Brauchte man 2013 zum Drucken von 10cm³ noch eine Stunde, soll Prognosen zufolge 2023 in der gleichen Zeit der Druck von 80cm³ möglich sein - eine Steigerung um 800%.

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