Kostengünstig und materialsparend : Produktinnovation dank 3D-Druck
Berlin 3D-Druck hat die Produktion in vielen Bereichen revolutioniert, die Branche verzeichnet ein rasantes Wachstum.
Durch die additive Fertigung lassen sich kostengünstig und materialsparend auf der Basis digital übermittelter Daten Modelle, Prototypen und Produkte herstellen.
Zunächst wurde dafür ausschließlich auf flüssige und pulverförmige Kunststoffe zurückgegriffen. Nach technischen Weiterentwicklungen kommen mittlerweile vielfältige Materialien in unterschiedlichen Verfahren zum Einsatz. Das jeweilige Material wird Schicht für Schicht aufgetragen, bis der dreidimensionale Gegenstand seine endgültige Form erreicht hat. Ob eher Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas für die Produktion geeignet ist, hängt davon ab, welche Anforderungen das zu fertigende Objekt mit sich bringt.
Vielfältige Anwendungsgebiete und Materialien
Architekten, Designer und Maschinenbauer setzen schon länger auf 3D-Druck. Aber auch im Automobilbau und im Handwerk haben sich Modelle und Ersatzteile aus dem Drucker etabliert. Die Luft- und Raumfahrtindustrie, Medizin- und Zahntechnik sowie die Verpackungsindustrie nutzen 3D-Druck bereits zur Serienfertigung. Immer mehr Branchen entdecken - auch dank der zunehmenden Materialvielfalt und einfachen digitalen Konfiguration - neue Anwendungsgebiete. Das Grundprinzip beim sogenannten Additive Manufacturing ist, dass das jeweilige Material in Pulverform oder flüssig schichtweise verarbeitet und ausgehärtet wird.
Welche Materialien werden für den 3D-Druck eingesetzt?
Metalle bilden eine große Gruppe von 3D-Druck-Materialien. Um hochstabile Objekte beispielsweise aus Aluminium, Edelstahl, Kupfer, Messing oder Zink herzustellen, wird Metallpulver zu einem festen Gegenstand verschmolzen (selektives Laserschmelzen). Die Verwendung von elektrisch besonders leitfähigem Reinkupfer eröffnet etwa der metallverarbeitenden Industrie neue Möglichkeiten und Einsatzgebiete wie den 3D-Druck von Induktoren und Wärmetauschern.
Als Alternative zum Zinkdruckguss hat sich bei der Bauteilefertigung der 3D-Druck mit Zink etabliert. Während das Druckgussverfahren sich erst bei der Produktion großer Stückzahlen rentiert, können Bauteil-Prototypen und Kleinserien mittels 3D-Druck vergleichsweise günstig und schnell produziert werden. Entwicklungszeit und Kosten für die vorherige Werkzeugherstellung entfallen. Für die additive Fertigung greift der Drucker direkt auf 3D-CAD-Daten zurück und stellt die Bauteile her.
Neben den Metallen spielen vor allem Kunststoffe, die in verschiedenen Herstellungsverfahren verarbeitet werden, eine bedeutende Rolle im 3D-Druck. Beim selektiven Lasersintern (SLS) sind Polyamidische Kunststoffe (PA) das Material der Wahl. Sie zeichnen sich durch ihre hohe mechanische Belastbarkeit und Beständigkeit gegen Chemikalien aus. Damit lassen sich auch mediendichte Objekte in diversen Farben herstellen. Ein Anwendungsbeispiel ist der 3D-Druck von individuellen Leisten für die Orthopädieschuhtechnik.
Materialwahl hängt von gewünschten Objekteigenschaften ab
Alternativ können Objekte aus weichen, flexiblen Kunststoffen oder aus mehreren Materialien gefertigt werden. Beim Poly-Jet-/Multi-Jet Modeling (PJM/MJM) entstehen durch das Mischen verschiedener Harze Verbundmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Vorteilen. Kunden entscheiden selbst über die gewünschte Beschaffenheit der zu erstellenden 3D-Objekte - gummielastische oder feste Produkte sind mithilfe der flüssigen Kunststoffe gleichermaßen realisierbar. Das Ergebnis zeichnet sich bei diesen Modellierungsverfahren durch eine besonders glatte Oberfläche aus.
So entstandene Objekte lassen sich zudem gut nachbearbeiten. Bei der Stereolithographie werden flüssige Kunststoffe (Expoxidharze) mithilfe eines UV-Lasers schichtweise ausgehärtet. Das Verfahren erzielt eine große Detailgenauigkeit. Es besteht die Option, weitere Eigenschaften wie extrahohe Haltbarkeit, Transparenz oder Temperaturbeständigkeit zu definieren.
Hightech-Materialien für spezielle Anforderungen
Kommt es auf ein exzellentes thermisches und elektrisches Isolationsvermögen sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit an, empfiehlt sich oft Keramik als Material für den 3D-Druck. Mittels Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM) stellen Dienstleister aus keramischen Werkstoffen wie Aluminium- oder Zinkoxid auch komplexe Kleinstbauteile her. Sie werden zum Beispiel in der Luft- und Raumfahrt oder Medizin eingesetzt.
Ganz neu auf dem Markt ist der 3D-Druck mit Glas. Bisher gibt es nur wenige Anbieter, die dieses Material zur Verarbeitung im Portfolio haben. Hochreines, transparentes Glas eignet sich ideal, um Behälter in exklusiven Designs oder funktionale Glaskomponenten für die Bereiche Mikrofluidik und Beleuchtung anzufertigen. Als Alternative zu transparentem Kunststoff bietet Glas noch mehr Transparenz sowie eine höhere Kratzfestigkeit und Wärmebeständigkeit. Es überzeugt außerdem durch seine angenehme Haptik, chemische Stabilität und eine hochwertige Optik.
3D-Konfiguration und Materialempfehlung
Bei Anbietern mit modernen 3D-Druck-Konfiguratoren stellen Algorithmen sicher, dass das ausgewählte Material sich zur Anfertigung des geplanten Objekts eignet. So wird beispielsweise eine Wandstärkenanalyse vorgenommen und Kunden erhalten Hinweise bezüglich schwer druckbarer Teile. Da die hochgeladenen Daten vor der Produktion genau geprüft werden, sind Fehler bei der Wahl des Materials nahezu ausgeschlossen.
Besteht weiterer Optimierungsbedarf lässt sich ein Prototyp jederzeit unkompliziert anpassen und nachbearbeiten - beispielsweise durch Lackieren, Feinschliff sowie Infiltrierung (Oberflächenversiegelung).
Der 3D-Druck stellt somit eine für viele Anwendungsgebiete geeignete Methode der Produktenwicklung dar. Es handelt sich dabei um ein kostengünstiges Verfahren, das dem Nutzer eine hohe Flexibilität bietet. Verschiedene Objekte lassen sich zügig in geringen Stückzahlen sowie in Serie fertigen. Änderungen sind vergleichsweise schnell und preiswert möglich.
Aufgrund der zunehmenden Materialvielfalt kommt 3D-Druck für immer mehr Produkte infrage. Die Erforschung und Erprobung weiterer Materialien - beispielsweise holzbasierter Werkstoffe - schreitet voran und wird weitere Einsatzbereiche erschließen.
