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3D-Drucker: Die Technologie im Überblick

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Aus dem
t3n Magazin Nr. 28

06/2012 - 08/2012

3D-Drucker: Die Technologie im Überblick

Eine Verfeinerung der Technik erfolgt im Verfahren der Mikrostereolithografie. In diesem Verfahren wird durch nicht punktuell sequenzielle Verfestigung eine höhere Genauigkeit erreicht. Dabei wird durch einen sogenannten Digital Light Processing Chip eine Schicht zeitgleich ausgehärtet. Die mit dieser Technik hergestellten Objekte reichen von Teilen eines Hörgeräts über Knochenersatzstoffe bis hin zu Mikroturbinen und -gewinden.

3D Drucker 3D Systems
Der 3D-Drucker von 3D Systems.

Beim Selektiven Lasersintering (SLS) ist das Ausgangsmaterial pulverförmig. Verwendete Materialien sind neben Kunststoffen auch Metalle und Keramik. Nach dem Auftragen der ersten Schicht der Materialpartikel durch einen Roller- oder Rakelmechanismus werden diese im Verfahrensverlauf mit einem Lasers miteinander versintert, also verschmolzen.

Einer der Vorteile dieses Verfahrens ist die relativ einfache Produktion von Objekten mit Überhängen. Da das Pulverbett genügend Halt gibt, ist die Erstellung einer Stützkonstruktion oft nicht erforderlich. Lediglich in manchen Fällen kann es zu Problemen kommen, wenn die Bereiche eines Bauteils ohne Verbindung zum bereits bestehenden Objekt erstellt werden. Der „schwimmende“ Teil könnte beim Auftragen der nächsten Pulverschicht von der Rakel nach unten gedrückt und verschoben werden.

Solche Ungenauigkeiten können zu einem schlechten Ergebnis führen und sollten durch entsprechende Ausrichtung des Objekts im Bauraum oder durch Stützelemente verhindert werden. Auch da es sich kaum verhindern lässt, dass umgebende Partikel mitgesintert werden. Bei Kunststoffbauteilen ist die Nachbehandlung aber einfach – schwieriger wird es bei Metall. Doch der Einsatz von Sand- oder Glasperlenstrahlen kann helfen. Generative Verfahren bieten im Allgemeinen einen hohen Formgebungsfreiheitsgrad, führen aber dazu, dass Nachbearbeitungsverfahren sehr komplex oder auch unmöglich werden. Daher sollte schon vorab die erreichbare Oberflächenqualität berücksichtigt werden.

Das Fused Deposition Modeling (FDM) zählt im Allgemeinen zur Gruppe der Extrusionsverfahren. Bei diesen Verfahren wird das Baumaterial im Drucker in eine beheizte Düse geleitet und so geschmolzen. Das flüssige Baumaterial wird danach mit Düsen auf die Bauplattform aufgebracht. Das anschließende Erkalten verleiht dem Bauobjekt seine endgültige Festigkeit.

Für das Auftragen wird die Düse entlang der Achsen ausgerichtet. Die dreidimensionale Komponente ergibt sich durch eine absenkbare Bauplattform beziehungsweise eine entlang der Höhenachse beweglichen Düse. Die einzelnen Extrusionsraupen verbinden sich beim Erkaltungsprozess entlang ihrer Auflagefläche miteinander. Durch die aufeinander abgelegten Schichten ergibt sich allerdings eine relativ niedrige Oberflächenqualität, was den Einsatz dieses Verfahrens einschränkt.

hard 3D Drucker Abbildung 3 Reprap2
Der RepRap 1.0 Darwin kann eine Vielzahl seiner Einzelteile selbst reproduzieren. Nach der Anschaffung eines RepRap kann somit ein weiteres Gerät selbst nachgebaut werden.

Ein weiterer Nachteil ist die erschwerte Realisierung von Objekten mit Überhängen. Auch hier muss mit Stützkonstruktionen gearbeitet werden. Um die Nachbearbeitung zu vereinfachen, werden wasserlösliche Support-Materialen verwendet. Die Nachbehandlung erfolgt dann durch Auswaschen oder Wärmebehandlung. Beim FDM können viele Baumaterialien verwendet werden. Meist handelt es sich dabei um Kunststoffe oder Wachse. Grundsätzlich könnte auch Metall verarbeitet werden. Die hohe Schmelztemperatur und die damit verbundene thermische Belastung der Düsen sollten jedoch berücksichtigen werden. Das Verfahren ermöglicht auch Experimente mit Lebensmitteln, die die Nahrungsmittelindustrie sehr verändern könnten: Es gab bereits erfolgreiche Experimente mit Schokolade.

Beim Laminated Object Manufacturing (LOM) kommen Papier oder Kunststofffolien zum Einsatz. In Versuchen wurde auch bereits mit Aluminiumfolien gearbeitet. Die Verarbeitung von Metallen ist aber noch nicht vollständig ausgereift. Die verwendeten Materialien werden im Verfahrensverlauf schichtweise aufeinander geklebt, wobei nach jedem Auflegen einer neuen Schicht die Kontur des Bauteils mit Hilfe eines Schneidewerkzeuges (Messer, Laser, Heißdraht) abgefahren wird. Im Nachbearbeitungsprozess werden die im Verfahrensverlauf vom Objekt getrennten Teile manuell entfernt.

Wie schon beim SLS ist auch beim Dreidimensional-Printing (3DP) der Ausgangszustand des Baumaterials pulverförmig. Im Gegensatz zum SLS werden die Partikel jedoch nicht mit einem Laser versintert, sondern sind mit einem Druckkopf und einem flüssigen Binder miteinander verbunden. Die Verfahren sind sehr ähnlich, jedoch ist die Verwendung eines Druckkopfes kostengünstiger. Durch eingefärbte Binder wird eine farbliche Gestaltung des Bauteils bereits während des Bauprozesses möglich und erspart eine Nachbearbeitung. Weitere Vorteile sind die gute Bauteilgenauigkeit und die hohe Baugeschwindigkeit.

Die Namensgebung soll auf die Ähnlichkeiten zwischen dem Verfahren und einem Druckvorgang eines Tintenstrahldruckers hinweisen. Auch hier wird ein Druckkopf verwendet, um die Tinte auf das Papier aufzutragen.

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2 Antworten
  1. von Sebastian am 24.05.2012 (18:32 Uhr)

    Wo sind jetzt hier die Links aus dem Artikel?

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  2. von cheatha am 22.01.2013 (09:24 Uhr)

    Und wer mal selbst was drucken möchte: Im RaumZeitLabor haben wir so einen 3D Drucker! Kommt doch einfach mal vorbei! http://raumzeitlabor.de

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