3D-Drucktechnologie und Materialproduktionsausrüstung

Die 3D-Drucktechnologie entstand in den 1990er-Jahren. Aufgrund ihres speziellen Schicht-für-Schicht-Auftragsprinzips ermöglicht sie die schnelle und integrierte Herstellung komplexer Bauteile und gilt daher als revolutionäre Technologie in der Fertigung. In der Fachsprache wird 3D-Druck auch als Rapid Prototyping Manufacturing (RPM) bezeichnet. Der technische Teilbereich dieses Fertigungsprozesses wird als Additive Fertigung (AM) bezeichnet.

Prinzip des 3D-Drucks

3D-Druck ist eine Rapid-Prototyping-Technologie. Sie basiert auf einer digitalen Modelldatei und verwendet pulvermetallurgische oder Kunststoffmaterialien sowie andere Haftmaterialien. Durch schichtweises Drucken wird das Objekt aufgebaut. Das Grundprinzip beruht auf der diskreten Akkumulation. Pfad, Begrenzung und Akkumulationsmethode werden diskret erfasst, und das Material wird schichtweise übereinandergelegt, um ein dreidimensionales Objekt zu formen. Zunächst wird das 3D-Modell in einem CAD-Softwaresystem erstellt oder die Oberflächendaten des Bauteils werden mit einem Messgerät erfasst und in ein 3D-Modell umgewandelt. Anschließend wird das CAD-Modell verarbeitet und entlang einer bestimmten Richtung (üblicherweise Z-Richtung) diskretisiert und in ebene Schichten unterteilt. Die Informationen der diskreten Schichtung werden dann mit den Parametern des Formgebungsprozesses kombiniert, um den numerischen Steuerungscode der Formgebungsmaschine zu generieren. Mithilfe eines speziellen CAM-Systems wird so ein 3D-Vollkörper geformt, der das Material präzise und gleichmäßig verarbeitet.

Metall-3D-Druckpulvervorbereitung

Aufgrund der hohen Anforderungen an Metallpulver in der 3D-Metalldrucktechnologie müssen gute Kugelform, enge Partikelgrößenverteilung, niedriger Sauerstoffgehalt und hohe Reinheit gewährleistet sein. Daher werden auch höhere Anforderungen an die Produktionsanlagen für diese Pulver gestellt. Es gibt im Wesentlichen drei Verfahren zur Pulveraufbereitung für den 3D-Metalldruck: Pulverzerstäubung mittels Luftzerstäubung, Plasmazerstäubung mittels Plasmazerstäubung und Hochfrequenz-Plasma-Nodulisierung.

Die Pulverproduktionsanlage von Hunan Tianji True Air nutzt die Kerntechnologie eines effizienten, eng gekoppelten Überschall-Gaszerstäubers. Dies verbessert die Pulverqualitätsrate, reduziert den Luftverbrauch und senkt die Produktionskosten. Gleichzeitig ist sie mit einem Online-Sauerstoffgehaltsmesssystem ausgestattet, um den Sauerstoffzuwachs zu minimieren. Damit ist sie ein präzises Werkzeug für die Herstellung von sphärischen Pulvern für den 3D-Druck.

3D-Druck, auch bekannt als additive Fertigung, ist ein Oberbegriff für verschiedene 3D-Druckverfahren. Diese Technologien unterscheiden sich grundlegend, die Kernprozesse sind jedoch dieselben. Jeder 3D-Druck beginnt mit einem digitalen Modell, da die Technologie digital ist. Ein Bauteil oder Produkt wird zunächst mithilfe von CAD-Software (Computer-Aided Design) oder einer elektronischen Datei aus einer digitalen Bauteilbibliothek entworfen. Die Designdatei wird anschließend von spezieller Software in Schichten für den 3D-Druck zerlegt, wodurch die Druckpfade für den 3D-Drucker generiert werden. Im Folgenden erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen diesen Technologien und ihre typischen Anwendungsbereiche.

Die Arten der additiven Fertigung lassen sich nach den hergestellten Produkten oder den verwendeten Materialien unterteilen. Die Internationale Organisation für Normung (ISO) klassifiziert sie in sieben allgemeine Typen (allerdings reichen diese sieben 3D-Druckkategorien kaum aus, um die wachsende Zahl von Technologie-Subtypen und Hybridtechnologien abzudecken).

● Materialextrusion

● Reduktionspolymerisation

● Pulverbettfusion

● Materialinjektion

● Haftspray

● Gerichtete Energiedeposition

● Blattlaminierung

3D-Druckklassifizierung

Stereolithografie (SLA) , auch Stereolithografie genannt, basiert auf dem Prinzip der Photopolymerisation flüssiger, lichtempfindlicher Harze. Das heißt, das flüssige Material polymerisiert unter UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge und Intensität schnell und wandelt sich vom flüssigen in den festen Zustand um. Der Flüssigkeitsbehälter wird mit dem lichtempfindlichen Harz befüllt. Mithilfe eines Ablenkspiegels kann der Laserstrahl über die Oberfläche des Harzes geführt werden. Das Harz härtet an den Stellen aus, die vom Lichtpunkt erfasst werden. Nach Abschluss einer Schicht besteht der nicht belichtete Bereich noch aus flüssigem Harz. Die Hubplattform senkt sich ab, und die entstandene Schicht wird mit einer Harzschicht bedeckt. Ein Rakel glättet die Oberfläche des zähflüssigen Harzes, bevor die nächste Schicht abgetastet wird. Die neu ausgehärtete Schicht verbindet sich fest mit der vorherigen, und dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte Bauteil gefertigt und ein dreidimensionales Modell erstellt ist.

Die Schichtfertigungstechnologie (Layered Solid Manufacturing, LOM) stellt Bauteile durch Laserschneiden und Verkleben dünner Materialien (z. B. rückseitig beschichtetes Papier) her und wird auch als Laminatfertigung bezeichnet. Dabei wird zunächst das mit Heißkleber beschichtete Papier durch Anpressen einer Heizwalze verklebt. Anschließend wird das Bauteil, basierend auf den Daten des geschichteten CAD-Modells, über dem Laser positioniert. Eine Papierschicht wird entlang der Innen- und Außenkontur des Bauteils ausgeschnitten. Darauf wird eine neue Papierschicht aufgelegt und mittels Heißpressen verklebt. Abschließend erfolgt ein weiterer Laserschnitt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch eine hohe Fertigungsrate und geringe Kosten aus.

Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden schmelzbare oder nichtmetallische Pulver (z. B. Paraffin, Kunststoff, Harzsand, Nylon usw.) schichtweise mittels eines Laserstrahls erhitzt, bis die Sintertemperatur erreicht ist und das Bauteil in die gewünschte Form gesintert wird. Nach Abschluss des Sinterprozesses der ersten Schicht senkt sich die Arbeitsfläche für die nächste Schicht ab, das Pulver wird aufgetragen und die zweite Schicht abgetastet. Die neu gesinterte Schicht verbindet sich fest mit der vorherigen, und so weiter. Schließlich entsteht ein dreidimensionales Bauteil, das dem CAD-Modell entspricht.

Das Grundprinzip des FDM-Verfahrens besteht darin, die Heizdüse entsprechend der Querschnittsprofilinformationen in der XY-Ebene und Z-Richtung zu steuern. Das Drahtmaterial (z. B. Kunststoff- oder Paraffindraht) wird mittels Drahtzufuhrmechanismus zur Düse transportiert, dort erhitzt und geschmolzen. Anschließend wird es selektiv auf den Arbeitstisch aufgetragen, schnell abgekühlt und bildet so eine Schicht mit der Querschnittskontur. Schicht für Schicht wird ein Prototyp gefertigt. Dieses Formgebungsverfahren kann zur Herstellung von Wachsmodellen für Präzisionsguss und von Negativformen für den Guss verwendet werden. Es stellt eine effektive Methode zur Weiterentwicklung der mikromechanischen Fertigung dar.

Chancen und Herausforderungen

Die 3D-Druckindustrie konzentriert sich derzeit auf die Bereiche Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie, Medizintechnik und weitere Felder. Umfang und technisches Niveau steigen stetig. Gezielte politische Maßnahmen, darunter hohe Investitionen in Forschung und Entwicklung, Innovationsförderung und Sonderregelungen, haben die Entwicklung der Branche vorangetrieben. Gleichzeitig steht die 3D-Druckindustrie vor zahlreichen Herausforderungen, wie Material- und mechanischen Beschränkungen sowie Kosten. Die additive Fertigungsindustrie befindet sich an der Schnittstelle von Innovation und wirtschaftlichem Wandel und birgt daher sowohl Chancen als auch Herausforderungen für die Zukunft.