mini|Ein ORDbot Quantum 3D-Drucker mini|Das Video zeigt komprimiert auf 12 Sekunden das Drucken eines 3D-Modells im Fused-Deposition-Modeling-Verfahren
Der 3D-Druck oder die Additive Fertigung bezeichnet Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) zu fertigen.
Die Fertigungsart ist auch bekannt unter Additive Manufacturing (kurz AM); frühere Bezeichnungen sind Generative Fertigung oder Rapid-Technologien.
Beschreibung Beim 3D-Druck erfolgt computergesteuert der schichtweise Aufbau des Bauteils auf Basis von CAD/CAM-Daten, wie bei einer CNC-Maschine. Bei den meisten additiven Fertigungsverfahren werden die Schichten durch Aufeinanderfügen von Lagen aus gleichartigen zweidimensionalen Ebenen erstellt. Es kann auch konzentrisch um einen gedachten Mittelpunkt, einer Rotationsachse oder an beliebigen Punkten von bestehenden Oberflächen aufbauend, selektiv Material neu aufgebracht bzw. verfestigt werden. Beim Aufbau werden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse genutzt.
Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und aufbereitete Metalle (zum Beispiel in Pulverform). Inzwischen wurden auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck von Teilen aus Kohlenstoff entwickelt.
3D-Drucker werden in der Industrie, im Modellbau und der Forschung eingesetzt zur Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen oder Werkzeugen. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich, dem Baugewerbe sowie in der Kunst und Medizin.
Der Einsatz dieser Verfahren erfolgt bei der parallelen Fertigung sehr kleiner Bauteile in größeren Stückzahlen, für Unikate bei Schmuck oder in der Medizin- und Dentaltechnik sowie der Kleinserienfertigung oder Einzelfertigung von Teilen mit einer hohen geometrischen Komplexität, auch mit zusätzlicher Funktionsintegration.
Im Gegensatz zu Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren (Zerspanen, Trennen) erhöht sich beim 3D-Druck die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie und sinkender benötigter Stückzahl.
Gleichzeitig ermöglichen additive Fertigungsverfahren, Produkte effizienter oder auch nachhaltiger herzustellen.
Weitere grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik, auch in der Serienproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwändige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen Material abtragenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der zusätzliche Bearbeitungsschritt nach dem Urformen entfällt. Meist ist der Vorgang energetisch günstiger, insbesondere wenn das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Weitere Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Bauteile auf einer Maschine gefertigt und erzeugt werden können.
Polymerbasierte additive Fertigung In der Kunststoffverarbeitung haben die additiven Fertigungsverfahren ihren Ursprung. Bereits seit den 1980er-Jahren werden unterschiedliche Technologien eingesetzt und entwickelt. Das Fused Layer Modeling, welches Kunststoffe verarbeitet, ist bereits seit den 1990er Jahren kommerziell im Einsatz. Besonders die Entwicklung von Prototypen aus Kunststoffen steht dabei im Vordergrund. Mittlerweile haben die kunststoffverarbeitenden Verfahren einen Reifegrad erreicht, der die Serienfertigung von Hochleistungspolymeren in zertifizierten Branchen, wie der Luftfahrt oder der Medizintechnik ermöglicht. Die erreichbare Genauigkeit eines Kunstharz-Druckers betrug 2012 bei der Positionierung 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.Schallplatten aus dem 3D-Drucker. In: heise online, 21. Dezember 2012.
Metallbasierte additive Fertigung
Die additive Fertigung von Metallbauteilen kann direkt oder indirekt erfolgen, dabei kann eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3D-Druck verwendet werden.
Direkte additive Fertigung Bei der direkten Herstellung von Metallbauteilen entsteht das Metallbauteil mit vollwertigen Eigenschaften direkt durch den additiven Aufbau. Auf Grund der Komplexität der Geräte mit Laser, Galvo-Scannern und spezieller Materialanforderungen sind die Investitionen jedoch wesentlich höher als bei der Kunststoffverarbeitung. Neben den hohen Kosten gibt es noch weitere Hürden, die einer großflächigen industriellen Nutzung von 3D-Druckern entgegenstehen, wie zum Beispiel die teilweise noch unzureichende Qualität, eine niedrigere Produktionsgeschwindigkeit oder fehlendes Know-how der Unternehmen.
Indirekte additive Fertigung
Bei der indirekten additiven Fertigung wird durch den 3D-Druck lediglich ein Grünling erzeugt, dessen Bindemittel beim anschließenden Erhitzen im Ofen verdampft während das verwendete Metallpulver zum gewünschten Metallbauteil sintert. Dieser Prozess hat eine Ähnlichkeit zum Metallpulverspritzguss (Metal Injection Moulding, MIM), einem konventionellen Fertigungsverfahren der Pulvermetallurgie. Das Verfahren wird auch als sinterbasierte additive Fertigung bezeichnet.
Nachbehandlung
Wie bei anderen automatisierten Verfahren ist je nach Anwendungsbereich eine Nachbearbeitung notwendig. Verschiedene Methoden der Nachbehandlung werden angewendet, um die Bauteile zu veredeln: Beschichtung durch Galvanisierung Hybridisierung mit anderen Materialien (zum Beispiel Kohlenstofffasern) oder anderen Halbzeugen (Rohren, Platten, …)
Ein Statusbericht der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) vom September 2014 den additiven Fertigungsverfahren oder 3D-Druck bietet eine allgemeine Orientierung.VDI-Statusbericht Additive Fertigungsverfahren (PDF; September 2014)
Innerhalb der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren stellen die 3D-Drucker die wichtigste Teilklasse der additiven, also aufbauenden Fabrikatoren dar.
Geschichte 1981 hatte Chuck Hull die Stereolithografie erfunden, und im Jahr 1983 wurde das Verfahren erstmals in die Praxis umgesetzt. Das erste 3D-Konstruktionsprogramm ist seit 1985 erhältlich. Im darauffolgenden Jahr (1986) publizierte Hull die erste Patentanmeldung. Das Prinzip des Lasersinterns wurde 1987 von Carl Deckard (* 1961), Universität Texas, veröffentlicht. 1988 erfanden der Amerikaner S. Scott Crump und seine Frau Lisa das Fused Layer Modeling. 1991 kam die erste Fused Layer Modeling-Anlage auf den Markt. Das selektive Laserschmelzen wurde am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik in Aachen von Wilhelm Meiners, Kurt Wissenbach und Andreas Gasser entwickelt und 1996 zum Patent angemeldet. Im Jahr 2000 wurde die Polyjet-Technologie von dem Unternehmen Objet (heute Stratasys) eingeführt. Klassifizierung der Fertigungsverfahren Auf dem Markt existieren zahlreiche 3D-Drucktechnologien. Schon früh wurden 11 verschiedene Verfahren in der VDI-Richtlinie 3405:2014-12 beschrieben, dazu zählen das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das Lasersintern, Thermotransfer-Sintern und Binder Jetting für Polymere, KeramikA. Kindtner, M. Kindtner, W. Kollenberg: . Werkstoffzentrum Rheinbach (PDF; 1,3 MB). und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling, das Multijet-Modeling sowie das Fused Layer Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze. Laut aktueller Norm DIN EN ISO/ASTM 52900:2022-03 werden die Fertigungsverfahren in sieben Kategorien eingeteilt. Beispielhaft werden hier die elf in der VDI 3405 genannten additiven Fertigungsverfahren den Kategorien zugeordnet. Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl an etablierten und in Entwicklung befindlichen Verfahren. Diese sind in den jeweiligen Hauptartikeln aufgeführt. Einen Überblick über die Verfahren und die Klassifizierung gibt die Liste der additiven Fertigungsverfahren.
Freistrahl-Bindemittelauftrag
Zu den Verfahren des Freistrahl-Bindemittelauftrages zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen wird, um pulverförmiges Material zu verbinden. In diese Kategorie fällt unter anderem das Binder Jetting (früher auch 3D-Drucken).
Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung
Zum Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen gebündelte thermische Energie genutzt wird, um Material, dort wo es aufgebracht wird, zu verbinden. In diese Kategorie fällt unter anderem das Laserauftragschweißen.
Materialextrusion
Zur Materialextrusion zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen Material selektiv durch eine Düse oder Öffnung abgelegt wird. In diese Kategorie fällt unter anderem das Fused Layer Modelling.
Freistrahl-Materialauftrag
Zu den Verfahren des Freistrahl-Materialauftrages zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen Rohmaterial in Form von Tropfen selektiv abgelegt wird. In diese Kategorie fallen unter anderem das Poly-Jet Modelling und das Multi-Jet Modelling.
Pulverbettbasiertes Schmelzen
Zu den Verfahren des pulverbettbasierten Schmelzen zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen thermische Energie selektiv Regionen eines Pulverbettes verbinden oder verschmelzen. In diese Kategorie fallen unter anderem das Laser-Sintern, das Laser-Strahlschmelzen, das Elektronen-Strahlschmelzen und das Thermotransfer-Sintern.
Schichtlaminierung
Zu den Verfahren der Schichtlaminierung zählen die additiven Fertigungsprozesse, bei denen Lagen (z. B. Platten) eines Materials verbunden werden um ein Bauteil zu formen. In diese Kategorie fällt unter anderem das Layer Laminated Manufacturing.
Badbasierte Photopolymerisation
Zu den Verfahren der badbasierten Photopolymerisation zählen die additiven Fertigungsprozesse, in denen flüssiges Photopolymer in einem Behälter selektiv ausgehärtet wird, hervorgerufen durch eine Licht aktivierte Polymerisation. In diese Kategorie fallen unter anderem die Stereolithografie und das Digital Light Processing.
Weitere Kategorien
Kombinierte 3D-Druckverfahren Meist arbeiten 3D-Druckmaschinen nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Kombinierte Verfahren überwinden diese Einschränkung und ermöglichen beispielsweise die werkzeuglose Produktion von Mikrobauteilen, Fluidik und Mikrosystemen. Über Photopolymerisation werden auf Kunststoffen basierte Mikrobauteile hergestellt. Metallische und andere funktionelle Schichten werden direkt strukturiert und schichtübergreifend integriert. Elektronische Bauelemente wie Prozessoren, Speicherelemente, Sensoren, passive Bauteile und Energiespeicher werden im Stack oder lateral eingebaut und parallel kontaktiert.RMPD Photopolymerisationsverfahren Versuchsweise wurden schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben Wissenschaftler der Cornell-Universität die Teile für eine Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gefertigt.
Zu den Extrusionsverfahren zählt ein anderes kombiniertes Druckverfahren, die Faserverbund-Coextrusionstechnologie des Luxemburger Unternehmens Anisoprint. Mit einem speziellen – im ungehärteten Zustand niedrigviskosem – Polymer imprägnierte Fasern werden erwärmt, so dass die Polymere aushärten und eine feste, steife Substanz ergeben. Diese derart behandelten Verbundfasern werden zusammen mit Kunststoff durch eine Düse gezogen, so dass der Kunststoff die Fasern miteinander verbindet.
Mehrkomponentenverfahren alt=Das Bild zeigt ein Modell eines menschlichen Kopfes. Der Schädel ist nach oben offen, hat einen Halsansatz bis zu den Schultern aus Kunststoff. Darin sind Details, wie Gefäße, die Augäpfel, das Gehirn, die Wirbelsäule und das Rückenmark zu erkennen.|mini|Mittels Multi-Material Jetting hergestelltes Modell eines menschlichen Schädels