3D-Druckverfahren

Die wichtigsten 3D-Druckverfahren im Überblick


Mittels 3D-Druck lassen sich nahezu alle Bauteile aus den verschiedensten Materialien herstellen.

Diese Fertigungsverfahren ermöglichen es, Produkte aus verschiedenen ​Materialien Schicht für Schicht aufzubauen - ohne Anwendung von Werkzeugen. Dies ist der entscheidende Unterschied zu den herkömmlichen Verfahren wie Fräsen und Drehen, bei welchen mit Hilfe von Werkzeugen der Werkstoff abgetragen wird (Subtraktionsverfahren).

Es gibt zahlreiche 3D-Druckverfahren. Jedes davon hat seine Daseinsberechtigung. Auch Funktionsweise, Material und Produktionsgenauigkeit dieser verschiedenen Druckverfahren unterscheiden sich, sodass es schwer ist, diese Vielzahl von Verfahren in ​logische Gruppen zu unterteilen.


Im Buch „Industrie 4.0 – Industrialisierung der additiven Fertigung“ fand ich gute Ansatzpunkte für eine logische Unterteilung und Zuordnung der einzelnen Druckverfahren. Die dort genannten acht verschiedenen Verfahrenstypen nutze ich, um die einzelnen Druckverfahren nach meinem besten Wissen und Gewissen zuordnen.

Trotz meiner gründlichen und langen Recherche, kann ich eventuelle Fehler nicht komplett ausschließen. Da es auch für gleiche Verfahren unterschiedliche Bezeichnungen gibt, ist eine Verwechslung sehr schnell möglich. Solltest du Fehler bemerken oder eigenen Ergänzungen haben, dann wäre ich dir sehr dankbar, wenn du mir diese mitteilen würdest.


Übersicht der 3D-Druckverfahren

​1.Materialextrusion

Bei der Materialextrusion werden Materialien in Draht- bzw. Granulatform verwendet. Es ist momentan wohl die weitverbreitetste Form des 3D-Drucks, da fast jeder Drucker für Privatanwender mit diesen Verfahren arbeitet.

Materialextrusion funktioniert wie folgt:

Das Material wird in der Extrusionsdüse erwärmt. Das Material verändert so seinen Aggregatzustand von fest in flüssig. Dieses flüssige Material wird durch die Düse gedrückt und auf das Druckbett bzw. der jeweiligen Unterlage extrudiert. Sobald sich das Material außerhalb der Düse befindet, wird der Aggregatzustand wieder von flüssig auf fest verändert. Dadurch verbindet es sich mit dem darunter liegenden Werkstoff. Dieses Verfahren kann für verschiedenste Werkstoff- und Farbkombinationen angewendet werden.

​1.Materialextrusion

Bei der Materialextrusion werden Materialien in Draht- bzw. Granulatform verwendet. Es ist momentan wohl die weitverbreitetste Form des 3D-Drucks, da fast jeder Drucker für Privatanwender mit diesen Verfahren arbeitet.

Materialextrusion funktioniert wie folgt:

Das Material wird in der Extrusionsdüse erwärmt. Das Material verändert so seinen Aggregatzustand von fest in flüssig. Dieses flüssige Material wird durch die Düse gedrückt und auf das Druckbett bzw. der jeweiligen Unterlage extrudiert. Sobald sich das Material außerhalb der Düse befindet, wird der Aggregatzustand wieder von flüssig auf fest verändert. Dadurch verbindet es sich mit dem darunter liegenden Werkstoff. Dieses Verfahren kann für verschiedenste Werkstoff- und Farbkombinationen angewendet werden.

​2.​Pulverbett Schmelzen

Bei diesem Verfahrenstyp haben alle Druckverfahren die Gemeinsamkeit, dass der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform vorhanden ist. Dieses Pulver befindet sich im Bauraum des 3D-Druckers, der aus einer Art Wanne besteht. Das Materialpulver wird mittels eines Laserstrahls entlang der Konturen erhitzt und dadurch verflüssigt, damit es sich mit dem darunter liegenden Material verbinden kann. Sind die Konturen vollständig vom Laser abgefahren, sinkt die Wanne ab und die nächste Pulverschicht wird aufgetragen. Das nicht gebundene Pulver dient oftmals als Stützstruktur, muss jedoch nach jedem Druck mit entfernt werden. Dieser sogenannte Pulverblock bzw. Pulverkuchen kann je nach Materialsorte und Qualitätsansprüchen für den nächsten 3D-Druck wieder mitverwendet werden.

​2.​Pulverbett Schmelzen

​Bei diesem Verfahrenstyp haben alle Druckverfahren die Gemeinsamkeit, dass der zu verarbeitende Werkstoff in Pulverform vorhanden ist. Dieses Pulver befindet sich im Bauraum des 3D-Druckers, der aus einer Art Wanne besteht. Das Materialpulver wird mittels eines Laserstrahls entlang der Konturen erhitzt und dadurch verflüssigt, damit es sich mit dem darunter liegenden Material verbinden kann. Sind die Konturen vollständig vom Laser abgefahren, sinkt die Wanne ab und die nächste Pulverschicht wird aufgetragen. Das nicht gebundene Pulver dient oftmals als Stützstruktur, muss jedoch nach jedem Druck mit entfernt werden. Dieser sogenannte Pulverblock bzw. Pulverkuchen kann je nach Materialsorte und Qualitätsansprüchen für den nächsten 3D-Druck wieder mitverwendet werden.

​3.​Pulver-Auftragschweißen

​Wie der Name verrät, wird beim Pulver-Auftragschweißen auch Pulver als Ausgangsmaterial benutzt. Dieses Pulver wird diesmal aber direkt über eine Pulverdüse eingebracht und mit einem Laserstrahl auf die darunter liegende Ebene aufgeschweißt. Die grundlegendsten Unterschiede zum Pulverbettschmelzverfahren ist die freie Skalierbarkeit der Modelle und die höhere Aufbaugeschwindigkeit. Das heißt - die Verfahrwege der Maschine bzw. des Roboters sind die entscheidenden Grenzen der erzeugten Modelle. Ein weiteres Einsatzgebiet dieses Verfahrens ist das Veredeln von Oberflächen. Damit können Bauteile widerstandsfähiger und belastbarer werden.

​3.​Pulver-Auftragschweißen

​​Wie der Name verrät, wird beim Pulver-Auftragschweißen auch Pulver als Ausgangsmaterial benutzt. Dieses Pulver wird diesmal aber direkt über eine Pulverdüse eingebracht und mit einem Laserstrahl auf die darunter liegende Ebene aufgeschweißt. Die grundlegendsten Unterschiede zum Pulverbettschmelzverfahren ist die freie Skalierbarkeit der Modelle und die höhere Aufbaugeschwindigkeit. Das heißt - die Verfahrwege der Maschine bzw. des Roboters sind die entscheidenden Grenzen der erzeugten Modelle. Ein weiteres Einsatzgebiet dieses Verfahrens ist das Veredeln von Oberflächen. Damit können Bauteile widerstandsfähiger und belastbarer werden.

​4.​​Draht-Auftragschweißen

​Beim Draht-Auftragschweißen ​wird ein Draht mittels Laserstrahl auf den Grundwerkstoff aufgeschmolzen. Diese Schmelze verbindet sich mit dem Grundwerkstoff und erstarrt. Als Draht stehen unterschiedliche Materialien zur Verfügung um den verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden. Dieses Druckverfahren ist noch nicht so populär. Es wird oftmals zum Reparieren von Bauteilen sowie für das Herstellen von funktionalen Oberflächen genutzt.

​4.​​Draht-Auftragschweißen

​​Beim Draht-Auftragschweißen ​wird ein Draht mittels Laserstrahl auf den Grundwerkstoff aufgeschmolzen. Diese Schmelze verbindet sich mit dem Grundwerkstoff und erstarrt. Als Draht stehen unterschiedliche Materialien zur Verfügung um den verschiedenen Anforderungen gerecht zu werden. Dieses Druckverfahren ist noch nicht so populär. Es wird oftmals zum Reparieren von Bauteilen sowie für das Herstellen von funktionalen Oberflächen genutzt.

​5.​​​Binder Jetting

Beim Binder Jetting werden zwei Komponenten benötigt. Erstens das Druckmaterial in Pulverform und zweitens das flüssige Bindemittel. Aus dem Tintenstrahldruckkopf wird das Bindemittel punktgenau auf die Pulverpartikel gebracht. Nachdem sich die Partikel mit dem Kleber verbunden haben und die Modellkontur abgefahren ist, senkt sich die Bauplattform. Durch das mehrmalige Wiederholen dieses Vorgangs entsteht das Werkstück. Material und Bindemittel können während des Druckes gewechselt werden. Somit können Modelle anforderungsspezifisch hergestellt werden.

​5.​​​Binder Jetting

​Beim Binder Jetting werden zwei Komponenten benötigt. Erstens das Druckmaterial in Pulverform und zweitens das flüssige Bindemittel. Aus dem Tintenstrahldruckkopf wird das Bindemittel punktgenau auf die Pulverpartikel gebracht. Nachdem sich die Partikel mit dem Kleber verbunden haben und die Modellkontur abgefahren ist, senkt sich die Bauplattform. Durch das mehrmalige Wiederholen dieses Vorgangs entsteht das Werkstück. Material und Bindemittel können während des Druckes gewechselt werden. Somit können Modelle anforderungsspezifisch hergestellt werden.

​6.​​​​Material Jetting

​Beim Material Jetting versprühen die Druckköpfe das geschmolzene Kunst- bzw. Wachsmaterial auf die Bauplattform. Durch das Abkühlen des Materials verfestigt es sich und das Werkstück wird schichtweise aufgebaut. Dieses Verfahren ermöglicht den Druck von Voll-farben-Modellen. Gerne angewendet werden diese in der Medizintechnik, da gute und detailgenaue Anschauungs- und Trainingsmodelle erzeugt werden können. Material Jetting benötigt jedoch eine Stützstruktur, um Teile auf der Bauplattform zu befestigen und Überhänge abzustützen.

​6.​​​​Material Jetting

​​Beim Material Jetting versprühen die Druckköpfe das geschmolzene Kunst- bzw. Wachsmaterial auf die Bauplattform. Durch das Abkühlen des Materials verfestigt es sich und das Werkstück wird schichtweise aufgebaut. Dieses Verfahren ermöglicht den Druck von Voll-farben-Modellen. Gerne angewendet werden diese in der Medizintechnik, da gute und detailgenaue Anschauungs- und Trainingsmodelle erzeugt werden können. Material Jetting benötigt jedoch eine Stützstruktur, um Teile auf der Bauplattform zu befestigen und Überhänge abzustützen.

​7.​​​​​Stereolithografie

D​er Verfahrenstyp Stereolithografie war das erste bekannte 3D-Druckverfahren. Die erfolgreiche Patentanmeldung gelang im Jahr 1984 durch den US-Physiker Chuck Hall. Beim Stereolithografie-Verfahren wird das Werkstück in einem flüssigen lichtempfindlichen Kunststoffbad erzeugt. Der flüssige Kunststoff wird mit einem Wischer gleichmäßig über der vorherigen Schicht verteilt. Ein Laser, der über bewegliche Spiegel gesteuert wird, härtet die einzelnen Schichten aus. Ist diese ausgehärtet, wird die Bauplattform um einige Millimeter abgesenkt und der Vorgang wiederholt sich. Die verwendeten Kunststoffe nennen sich Photopolymere (z.B. Kunst- oder Epoxidharz).

​7.​​​​​Stereolithografie

​D​er Verfahrenstyp Stereolithografie war das erste bekannte 3D-Druckverfahren. Die erfolgreiche Patentanmeldung gelang im Jahr 1984 durch den US-Physiker Chuck Hall. Beim Stereolithografie-Verfahren wird das Werkstück in einem flüssigen lichtempfindlichen Kunststoffbad erzeugt. Der flüssige Kunststoff wird mit einem Wischer gleichmäßig über der vorherigen Schicht verteilt. Ein Laser, der über bewegliche Spiegel gesteuert wird, härtet die einzelnen Schichten aus. Ist diese ausgehärtet, wird die Bauplattform um einige Millimeter abgesenkt und der Vorgang wiederholt sich. Die verwendeten Kunststoffe nennen sich Photopolymere (z.B. Kunst- oder Epoxidharz).

​8.​​​​​​​Hybridverfahren

Bei den Hybridverfahren werden additive und subtraktive (Drehen, Fräsen) Verfahren miteinander kombiniert. Es ist schwer, eine exakte Unterteilung zu treffen. Trotzdem werde ich hier einige Anwendungsmöglichkeiten dafür vorstellen.

​8.​​​​​​​Hybridverfahren

​Bei den Hybridverfahren werden additive und subtraktive (Drehen, Fräsen) Verfahren miteinander kombiniert. Es ist schwer, eine exakte Unterteilung zu treffen. Trotzdem werde ich hier einige Anwendungsmöglichkeiten dafür vorstellen.

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