Schicht für Schicht zum massgeschneiderten Bauteil

3D-Druckverfahren haben in den letzten Jahren einen regelrechten Boom erlebt. Dabei kommt eine ganze Reihe Technologien zum Einsatz, die alle ihre spezifischen Vor- und Nachteile haben.

3D-Druck

Aufbau einer Form im 3D-Druck. Bild: CanStockPhoto

Fräsen, Formen, Sägen, Schleifen, Bohren – es gibt eine Vielzahl von Methoden, um aus einem Ausgangsmaterial ein massgeschneidertes Produkt herzustellen. Die Palette an Fertigungsverfahren wurde in den letzten Jahren durch den so genannten 3D-Druck erweitert. Darunter fasst man eine Reihe von Technologien zusammen, die auch als «additive Fertigungsverfahren» bezeichnet werden. Gemeinsam ist ihnen, dass die gewünschten Bauteile nicht aus einem vorgegebenen Material geformt oder herausgearbeitet werden, sondern dass sie Schicht für Schicht aufgebaut werden – deshalb auch der Begriff «additive Fertigung». Dabei lassen sich grundsätzlich vier verschiedene Typen von Verfahren unterscheiden: Polymerisation, Verkleben, Schmelzen, Verfestigen.

Aufbau durch Polymerisation

geeignet für: Kunststoffe

Bei diesen Verfahren wird ein spezieller flüssiger Kunststoff durch Bestrahlen mit UV-Licht verfestigt. Bei der Stereolithographie befindet sich die Plattform mit dem Bauteil in einem Bad aus flüssigem Kunststoff. Die oberste dünne Schicht aus flüssigem Kunststoff wird mit einem UV-Laser an den gewünschten Stellen gehärtet. Danach wird das Bauteil leicht abgesenkt und die nächste Schicht wird aufgetragen.

Beim Photopolymer-Jetting hingegen wird der flüssige Kunststoff durch eine feine Düse direkt auf das Bauteil aufgetragen und ebenfalls durch UV-Licht ausgehärtet. Mit beiden Verfahren können detaillierte Prototypen und Passformen hergestellt werden. Allerdings können nur Kunststoffe verwendet werden, die unter UV-Licht aushärten. Diese sind nicht sehr stabil und verändern sich mit der Zeit, sodass die Bauteile schnell altern.

Aufbau durch Verkleben

geeignet für: Keramik, Metall, Sand, Kunststoff

Beim Pulverdruck wird zunächst eine dünne Schicht Pulver ausgelegt. An den gewünschten Stellen wird das Pulver anschliessend durch einen Klebstoff verfestigt, der durch eine Düse aufgetragen wird. Das Bauteil wird danach abgesenkt, sodass die nächste Pulverschicht aufgetragen werden kann.Der Pulverdruck ist ein schnelles und günstiges Verfahren, bei dem eine Vielzahl von Materialien verwendet werden können. Allerdings sind die erzeugten Bauteile nicht sehr stabil. Die Methode eignet sich zur Herstellung von Prototypen, Gussformen oder Bauteilen, die anschliessend weiterverarbeitet werden.

Aufbau durch Schmelzen

geeignet für: Keramik, Metall, Kunststoff

Bei diesen Verfahren wird ein pulverförmiges Material Schicht für Schicht aufgeschmolzen und danach ausgehärtet. Beim Selektiven Laserschmelzen wird eine dünne Schicht Metallpulver auf das Bauteil aufgetragen und an den gewünschten Stellen mit einem Laser geschmolzen. Sobald das geschmolzene Metall sich verfestigt hat, wird die Plattform mit dem Bauteil abgesenkt und die nächste Schicht Metallpulver wird aufgetragen. Ähnlich funktioniert das Elektronenstrahlschmelzen. Hier wird das Metall allerdings nicht mit einem Laser, sondern mit einem Elektronenstrahl geschmolzen. Mit beiden Verfahren können stabile Metallteile hergestellt werden, die sich weiterverarbeiten lassen. Allerdings sind die beiden Verfahren eher langsam und teuer.

Ein ähnliches Verfahren ist das Selektive Lasersintern, das sich vor allem für Kunststoffteile eignet. Im Unterschied zu den beiden anderen Verfahren werden die Pulverkörner beim Lasersintern nur teilweise aufgeschmolzen.

Aufbau durch Verfestigen

geeignet für: Kunststoff

Bei der Schmelzschichtung wird ein drahtförmiger Kunststoff geschmolzen und durch eine Düse schichtweise auf das Bauteil aufgetragen, wo er wieder erstarrt. Als Materialien kommen Standardkunststoffe zum Einsatz. Die erzeugten Bauteile haben gute mechanische Eigenschaften und können auch nachbearbeitet werden.

Text: SATW / Felix Würsten
Quelle: Technoscope 3/14: 3D-Druck und Co. Technoscope ist das Technikmagazin der SATW für Jugendliche

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