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3D-Druck

Drucker produziert komplettes Fahrzeugchassis

19. August 2013, 15:02 Uhr | Alfred Goldbacher

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Grundlage für 3D-Drucke: das digitale 3D-Modell

Ähnlich wie bei einem normalen Papierdrucker benötigt ein 3D-Drucker zuerst einmal eine digitale Datei mit den Informationen des zu druckenden Objekts. Während beim Papierdrucker eine .doc- oder .txt-Datei mit den Textinhalten zur Anwendung kommt, wird beim 3D-Druck ein Dateiformat verwendet, das Informationen über ein 3D-Modell enthält. Um ein Objekt aus einem 3D-Modell aufbauen zu können, muss es jedoch zuvor (digital) in einzelne zweidimensionale, horizontale Scheiben (Layer) geschnitten werden. Diesen Vorgang nennt man Slicing. Ein derart zerlegtes 3D-Modell mit den Informationen aller einzelnen Layer kann beispielsweise in einer .stl-Datei gespeichert werden. Auf Basis dieser Datei erstellt ein 3D-Drucker dann ein 3D-Objekt, und zwar aus der Summe der einzelnen 2D-Scheiben, von unten nach oben aufbauend.

Viele 3D-Druckverfahren sind sich im Prinzip sehr ähnlich und unterscheiden sich lediglich durch einige wenige (meist von Unternehmen patentierten) Abänderungen. Im Grunde unterscheidet man zwischen den folgenden Verfahren.

3D-Druck, Pulver als Basismaterial

Ein sehr fortgeschrittenes Verfahren aus dem Bereich „Additive Layer Manufacturing“ verwendet Pulver als Grundlage für den 3D-Druck (3DP, siehe Bild). Ein solcher Printer verfügt über einen oder mehrere Druckköpfe, die ähnlich wie bei einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker funktionieren. Anstelle von Tinte wird über diesen Druckkopf jedoch ein flüssiger Klebstoff (Bindemittel) auf eine Pulverschicht aufgetragen. Als Datengrundlage dienen auch hier die einzelnen 2D-Layer eines zerlegten 3D-Modells. Beim 3D-Druck mit Pulver wird der erste (unterste) Layer über einen beweglichen Druckkopf mit einem flüssigen Klebstoff auf eine Pulverschicht aufgetragen. Der 3D-Drucker zeichnet somit ein 2D-Bild des ersten Layer auf das Pulverbett und verklebt so die einzelnen Material-Partikel miteinander. Danach wird automatisch eine hauchdünne Pulverschicht über das erste „Bild” gezogen. Schicht für Schicht werden so die einzelnen Layer in das Pulverbett gezeichnet, und ein 3D-Modell entsteht aus der Summe der zusammengeklebten Pulverteilchen. Damit das 3D-Objekt von unten nach oben wachsen kann, wandert das Pulverbett zwischen jedem Layer um die Höhe einer Pulverschicht nach unten. Die Materialmenge ist dabei so berechnet, das sich die Schichten auch untereinander verkleben. Das Pulver und der Kleber können dabei aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So wird zwar vorrangig mit Gips und Kunststoffpulver gedruckt, aber auch Keramik, Glas und andere pulverförmige Materialien können verarbeitet werden.

Einer der großen Vorteile dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, überhängende Strukturen zu erstellen. Das Pulver, welches nicht verklebt wird, dient nämlich gleichzeitig als Stützstruktur für geplante Hohlräume. Zusätzlich ist dieses Verfahren sehr ressourcenschonend, da nicht verklebtes Pulver mit Hilfe einer Luftpistole entfernt und für den nächsten Druck wiederverwendet werden kann. Mit Hilfe von farbigen Bindemitteln und mehreren Druckköpfen können so auch farbige Objekte erzeugt werden. Nachteil bei diesem Verfahren ist der vergleichsweise hohe Preis solcher 3D-Drucker und die Nachbearbeitung der Modelle, die häufig noch erforderlich ist. Beispielsweise werden die Objekte meist erst über das Eintauchen in eine flüssige Lösung (Infiltration) verfestigt und gegen Feuchtigkeit geschützt. Die Auflösung ist zudem auf die Feinheit des verwendeten Pulvers beschränkt.

Selective Laser Sintering (SLS)

Ähnlich wie 3DP funktioniert Selective Laser Sintering, bei dem aber auch metallische Materialien verarbeitet werden. Das Druckmaterial liegt hier ebenfalls in Pulverform vor. Im Unterschied zum 3DP-Verfahren werden die einzelnen Layer jedoch nicht mit einem flüssigen Klebstoff verbunden, sondern mit Hilfe eines Hochleistungs-Lasers verschmolzen. Damit lassen sich neben Kunststoffen auch Metalle, Keramiken und Sand verarbeiten.

Selective Laser Melting (SLM)

Beim Selective Laser Melting werden ebenfalls pulverförmige Materialien mit Hilfe eines Lasers verschmolzen. Das Verschmelzen geschieht hier vollständig, so dass eine sehr hohe Dichte bei den produzierten Objekten erreicht werden kann.

Electron Beam Melting,

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Beim Elektronenstrahlschmelzen werden nach einem ähnlichen Prinzip pulverförmige Metalle über einen gut steuerbaren Elektronenstrahl verschmolzen. Als Vorteile dieses Verfahrens gelten die sehr gute Kontrolle über die Temperatur und die Schmelzgeschwindigkeit. Der Bauraum dieser Anlagen wird für den Herstellprozess auf etwa 1.000 °C aufgeheizt.