3D-Druck, Grundlagen, Technik und Einstellungen

FDM/FFF
Beim FDM wird, vereinfacht gesagt, geschmolzener Kunststoff auf eine Werkplattform aufgetragen. Wie bei jedem 3D-Druck Verfahren ist auch hier die Grundvoraussetzung ein druckfähiges, digitales 3D-Modell. Dieses Modell wird von einem Computerprogramm in eine Vielzahl von Schichten zerlegt (slicen). Diese Schichten werden abschließend von einem Extruder auf eine Werkebene aufgetragen. Der Extruder ist eine beheizbare Düse. Die Kunststofffäden (sog. Filament), mit denen gedruckt wird, werden durch den Extruder erhitzt, bis sie sich verflüssigen. Dieses flüssige Thermoplast wird durch den Extruder entsprechend der Schichten des 3D-Modells auf die Werkebene aufgetragen. Sobald das Material abkühlt, härtet es schnell aus. Auf eine ausgehärtete Schicht wird die nächste Schicht des flüssigen Kunststoffs aufgetragen. So entsteht Schicht für Schicht, das reale Abbild des 3D-Modells. Volumenkörper werden bei dem Verfahren nicht solide, sondern mit Füllstrukturen gedruckt (‚Infill‘). Für überhängende Elemente müssen Stützstrukturen mitgedruckt werden. Sie können sich diesen Vorgang ähnlich der Benutzung einer Heißklebepistole vorstellen, bei der die Klebesticks durch die Düse erhitzt und auf, das zu klebende Werkstück, aufgetragen werden.

SLS (Lasersintern)
Beim Lasersintern wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial vollflächig auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze aufgetragen. Das dabei verwendete Material ist häufig Polyamid (meist auf PA 12, teilweise aber auch auf PA 11 Basis). Neben Polyamid (Nylon), kommen aber auch Elastomere, wie beispielsweise TPU zum Einsatz. Die Schichtstärke liegt, abhängig vom Drucker und den vorgenommenen Einstellungen, meist um die 100µm. Die Schichten werden durch einen Laserstrahl entsprechend der Schichtkontur schrittweise in das Pulverbett gesintert. Der Begriff „Sintern“ bedeutet, dass feinkörnige Stoffe bis kurz unter den Schmelzpunkt erhitzt werden und sich dadurch verbinden.
Die notwendige Energie für diesen Vorgang, geht von einem Laser aus und wird vom Pulver aufgenommen. Somit kommt es zu einem lokal begrenzten Sintern von Partikeln. Die Gesamtoberfläche nimmt dabei ab, da das Material durch den Vorgang des Sinterns, Pulverzwischenräume und ähnliches ausfüllt.
Nach Fertigstellung einer Schicht wird die Bauplattform herabgesenkt und eine neue Pulverschicht wird aufgebracht. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht von unten nach oben. Dadurch können auch hinterschnittene Konturen erzeugt werden. Überhängende Strukturen werden dabei im Pulverbett stabilisiert, so dass Stützstrukturen nicht notwendig sind. Letzteres ist einer der wesentlichen Vorteile des Verfahrens gegenüber Verfahren wie beispielsweise der Stereolithografie oder der Polyjet Technologie.

SLS Metall (Laserschmelzen)
Wie bei allen 3D-Druckverfahren ist auch beim Laserschmelzen, neben dem Drucker, die Voraussetzung ein vorhandenes und druckbares 3D-Modell. Dieses Modell wird computergesteuert in eine Vielzahl von Schichten zerlegt (slicen). Diese Schichten werden nun einzeln auf einen Werkstoff in Pulverform übertragen. An dieser Stelle wird das Pulver nun komplett umgeschmolzen und härtet im Anschluss aus, wodurch eine feste Schicht des verwendeten Materials entsteht. Die Werkplattform fährt anschließend um eine Schichtstärke nach unten (40 µm für Edelstahl, 50 µm für Aluminium und Titan). Nach dem Absenken wird eine neue Schicht des Werkstoffes aufgetragen und der Laser schmilzt die nächste Schicht des 3D-Modells in das Pulver. Dies geschieht so lange, bis das 3D-Modell fertig gedruckt ist. Ähnlich wie bei anderen Pulverdruckverfahren, muss im Anschluss das Objekt von überschüssigem Pulver gereinigt werden.
Anders als beim Lasersintern mit PA 12 kann das Metallpulver nicht im selben Ausmaß während des Drucks verdichtet werden. Daher sind hier, trotz der pulverbasierten Technologie, Stützstrukturen notwendig.

SLA (Stereolithografie)
Das Grundprinzip der Stereolithografie ist das selektive Aushärten eines Photopolymers (ein Harz) mittels eines UV-Lasers. Durch das UV-Licht des Lasers polymerisiert das photosensitive Material an den definierten Stellen. Ist eine Schicht fertig, wird eine neue Schicht (i. d. R. 50 – 100 µm hoch) aufgetragen (bzw. die Plattform entsprechend in der Flüssigkeit heruntergefahren), und der Prozess beginnt von vorn. Bei der Fertigung mit Stereolithografie werden sogenannte Stützstrukturen (Support) benötigt. Diese zusätzlichen Strukturen verhindern, dass Überhänge beim Druck in der Flüssigkeit absinken.

HP multi jet fusion
Wie beim Lasersintern, wird bei diesem Verfahren mit PA 12 (Polyamid 12) gedruckt.
Im Vergleich mit dem Lasersinterverfahren kann man mittels Jet Fusion festere Bauteile herstellen. Weiterhin werden eine höhere Genauigkeit, eine höhere Auflösung und ein deutlich schnellerer Druck möglich. In den meisten Fällen sind die Kosten entweder gleich hoch oder sogar niedriger als beim selektiven Lasersintern. Durch Jet Fusion gedruckte Bauteile sind zu annährend 100 % dicht und können für Funktions- und fertige Bauteile verwendet werden.
Dank der hohen Effizienz und der besonderen Materialeigenschaften, erhöht Jet Fusion die Möglichkeiten von additiven Verfahren. Nicht nur die Herstellung von Prototypen, sondern auch die additive Herstellung von bis zu 5.000 Stück (oder mehr), ist nun wirtschaftlich.

Colorjet (CJP)
Vereinfacht gesagt, funktioniert der 3D-Drucker wie ein überdimensionierter Tintenstrahldrucker. Anstatt auf Papier, wird auf Polymergips gedruckt. Nach jeder fertigen Schicht, fährt die Druckplattform um die Dicke einer Schicht (0,1 mm) herunter, es wird neues Gipspulver aufgetragen und die nächste Schicht gedruckt. Dabei kommt eine binderhaltige Tinte zum Einsatz, die das Pulver und damit auch die einzelnen Schichten miteinander verklebt. Dadurch, dass die Tinte farbig ist, können bereits während des 3D-Drucks alle Farben des späteren Modells dargestellt werden. So entsteht Schicht für Schicht Ihr gewünschtes Modell.
Ähnlich dem Lasersintern sind Stützstrukturen für überhängende Formen nicht nötig, da das Objekt komplett im Polymergips-Pulver eingebettet ist.
Nach dem 3D-Druck wird das Modell vorsichtig (es ist in dem Zustand sehr brüchig) gereinigt und anschließend mit einem Sekundenkleber infiltriert. Dieser härtet im Modell aus und verleiht ihm die finale Festigkeit. Es können sich aber auch weitere Nachbearbeitungsschritte anschließen. Wenn Sie zum Beispiel eine glattere Oberfläche bevorzugen, oder die Farben intensiver leuchten lassen möchten.

Polyjet
Beim Polyjet 3D-Druck wird ein lichtaushärtendes Polymer durch einen Druckkopf mit mehreren Düsen auf eine Werkplattform aufgetragen. Das noch flüssige Material wird durch UV-Licht sofort ausgehärtet. Danach fährt die Plattform um die Dicke einer Schicht nach unten. Die Schichtdicke beträgt je nach Maschine zwischen 16 – 32 µm. Anschließend wird eine weitere Schicht auf die bereits ausgehärtete Schicht aufgetragen. Dieser Prozess wird so lange wiederholt, bis das Modell vollständig gedruckt wurde. Dadurch, dass das Material in Tropfen durch die Düsen aufgetragen wird, zerläuft es vor dem Härtungsvorgang. Somit sind mit bloßem Auge, nahezu keine Rillen im Werkstück zu erkennen und die Oberfläche ist sehr glatt.
Der Polyjet-Drucker besitzt mehrere Druckköpfe. Der große Vorteil besteht darin, dass mit verschiedenen Materialien oder auch in verschiedenen Farben gedruckt werden kann. Falls das Modell überhängende Bestandteile hat, werden diese mittels Supportstrukturen abgestützt. Diese Supportstrukturen oder auch Stützkonstruktionen müssen nach der Fertigung entfernt werden.

CFF Composite Filament Fabrication (Markforged)
Dieses Verfahren ermöglicht das Verarbeiten von Carbonfasern, Fieberglas, Nylon und PLA und kann so äußerst stabile und leichtgewichtige Objekte erzeugen. Objekte aus Carbonfasern sind zweimal stabiler als Stahl und zwanzigmal stabiler als ABS. Die gedruckten Carbonfasern werden beispielsweise in einen Mantel aus Nylon gedruckt. Dieses Verfahren basiert auf dem bekannten FFF /FDM verfahren.

Atomic Diffusion Additive Manufacturing (ADAM)
Metall wird in Pulverform Schicht für Schicht aufgetragen. Die einzelnen Metallpartikel sind dabei von einem Kunststoff ummantelt, dem sog. Binder, welcher alles letztendlich zusammenhält. Anschließend wird per Laser das gesamt Objekt in einem einzigen Schritt gesintert und der Binder löst sich auf. Zurück bleibt das Metall. Dadurch, dass alle Schichten gleichzeitig erhärtet werden, können sich die Metallkristalle ungehindert bewegen, und können somit die Materialstärke maximieren. 

MPA Technologie (Härmle)
Metallpulver wird mittels Wasserdampf (Gas) auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, und auf eine Trägerplatte aufgetragen. So entsteht Schicht für Schicht das Bauteil. Es können verschiedene Metalle kombiniert werden. Auch Wasserlösliches Material ist verfügbar um Kanäle oder Hohlräume zu erzeugen. Durch die Kombination mit einer 5 Achs CNC Fräse lassen sich so vergleichsweise schnell, komplexe, präzise Bauteile erzeugen.