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3D-Druck-Teile

 

– per Online-Fertigung

3D-Druck-Teile online bestellen bei FACTUREE

FACTUREE – Der Online-Fertiger ermöglicht Ihnen die zeitgemäße Beschaffung von 3D-Druck-Teilen aus Kunststoffen, (Epoxid-)Harzen oder auch Metallen.

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Leistungsübersicht 3D-Druck

Fertigungstechniken:

  • Fused Deposition Modelling (FDM)
  • Stereolithografie (SLA)
  • Multi Jet Fusion (MJF)
  • Selektives Lasersintern (SLS) / -schmelzen (SLM)
  • PolyJet

Spezifikationen von 3D-Druck-Teilen:

  • min. Dimensionen: L: 3mm x B: 3mm x H: 3mm
  • max. Dimensionen: L: 1000mm x B: 1000mm x H: 1000mm
  • Wandstärke: ab 0,2mm
  • Stückzahl: bereits ab 1 Stk.
3D-gedruckte Kunststoffteile

3D-Druck bezeichnet grundlegend ein Verfahren, bei dem ein Werkstück oder eine komplette Baugruppe Schicht für Schicht aus einem Ursprungsmaterial aufgebaut wird. Aus diesem Prozess ergibt sich auch die Bezeichnung „additive Fertigung“ für den 3D-Druck. Aktuell erlebt der 3D-Druck einen regelrechten Boom, auch und vor allem in der industriellen Fertigung. 2018 wurden weltweit bereits mehr als 18 Milliarden Dollar auf dem 3D-Markt umgesetzt – Tendenz stark steigend. In der Fertigung ist der 3D-Druck mittlerweile zu einer ernstzunehmenden Alternative zu abrasiven Technologien, beispielsweise Drehen oder Fräsen, geworden.

Auch wenn das Grundkonzept beim 3D-Druck immer gleich ist, so zeigen sich doch signifikante Unterschiede zwischen den einzelnen Verfahren. Neben der Extrusion von Materialien wird auch das Aushärten flüssiger Polymere oder ein selektives Binden von Materialpulver im Bereich des 3D-Drucks eingesetzt.

Der eigentliche 3D-Druck basiert immer auf digitalen Konstruktionen (CAD). Die digitalen Daten werden ähnlich wie bei „klassischen“ CNC-Maschinen aufbereitet und an den 3D-Drucker gesendet.

Welche Werkstoffe können beim 3D-Druck eingesetzt werden?

Die derzeit im Bereich der additiven Fertigung am häufigsten eingesetzten Materialien sind Kunststoffe, Metall und Keramik. Mit diesen Werkstoffen lassen sich so gut wie alle Anforderungen in den Bereich Prototyping, Modell- oder Musterbau abdecken. Darüber hinaus wird eine große Anzahl an „Spezialmaterialien“ für den Druck verwendet.

Kunststoffe

Im Bereich der Kunststoffe sind vor allem langlebige, stabile Thermoplaste für den 3D-Druck interessant. Zu den eingesetzten Kunststoffen zählen unter anderem Polyester, Polycarbonate, Polyamide oder ABS. Gerade in der industriellen Fertigung bieten diese Kunststoffe ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit im 3D-Druck, gleichzeitig sind Thermoplaste recht günstig in der Anschaffung und damit wirtschaftlich in der Verarbeitung. Für den Druck werden die Kunststoffe, die entweder als Granulat oder Strang angeboten werden, zunächst verflüssigt und anschließend über Extruderdüsen ausgebracht. Nach dem Erkalten und damit Erstarren des Werkstoffs erhält man robuste, detailreiche Ergebnisse. Gerade im technischen Bereich sind Kunststoffe als Basis für den 3D-Druck gefragt.

Kunststofffilamente
Rollen mit Kunststofffilament

Harze

Die im 3D-Druck eingesetzten Harze zählen im Grunde genommen ebenfalls zu den Kunststoffen, denn vorrangig werden Epoxid- oder Acrylharze verwendet. Gerade im Prototypen- oder Musterbau setzt man im industriellen Umfeld auf Kunstharze. Denn wenngleich auch die technischen Eigenschaften der Harze hinter denen der „klassischen“ Kunststoffe zurückstehen, bieten Harze im 3D-Druck einen ganz entscheidenden Vorteil: Die Auflösung. 3D-Drucke mit Harz als Ausgangswerkstoff lassen sich wesentlich feiner auflösen, sind somit also detailreicher. So lassen sich beispielsweise filigranste Strukturen im 3D-Druck erzeugen – was mit anderen Werkstoffen nur schwer oder gar nicht möglich ist.

Metalle

Aluminiumpulver
Aluminiumpulver

Auch wenn das grundlegende Verfahren, metallische Bauteile mittels 3D-Druck herzustellen, bereits seit den 1970er Jahren bekannt ist, setzen erst in den letzten Jahren immer mehr industrielle Fertiger auf den 3D-Metalldruck. Der Grund hierfür liegt in den hohen Kosten für den Herstellungsprozess, die die Kosten für alternative Fertigungsverfahren teils drastisch überschritten haben. Mittlerweile lassen sich allerdings Werkstücke aus Metall zu rentablen Stückkosten fertigen, so dass der 3D-Druck auch in der Metallverarbeitung immer größere Verbreitung findet. Insbesondere in der Automobilbranche, der Luft- und Raumfahrt oder der Medizintechnik kommt das Verfahren zum Einsatz. Häufig verwendete Metalle für den 3D-Druck sind Aluminium, Stahl oder Titan.

Weitere Materialien

Neben Kunststoffen und Metallen werden zahlreiche weitere Materialien für den industriellen 3D-Druck eingesetzt. So zum Beispiel Keramik, dessen Einsatztauglichkeit bis dato aber noch in der Entwicklungsphase steckt. Weiterhin wird Beton oder Gips verwendet, beispielsweise für den experimentellen 3D-Druck im Bereich der Architektur. Auch in der Lebensmittelindustrie kann der 3D-Druck zu Produktinnovationen führen, denn auch Nudelteig oder Schokolade lässt sich mittels 3D-Drucker in Form bringen. Ebenfalls noch eine Randerscheinung ist der Druck von lebenden Zellen und Biomaterial. In diesem Sektor wird aktuell seitens der Biotechnologie überaus viel Grundlagenforschung betrieben und es ist zu erwarten, dass in den kommenden Jahren der 3D-Druck den medizinischen Bereich nahezu revolutionieren wird.

Verschiedene additive Fertigungsverfahren

Seit der Erfindung des 3D-Drucks haben unterschiedlichste Hersteller an Verfahren gearbeitet, um den 3D-Druck effizienter, schneller und wirtschaftlicher durchzuführen. Je nach verwendetem Material und gewünschtem Endergebnis kann aktuell zwischen mehreren Druckverfahren gewählt werden. Einige der Fertigungsverfahren sind dabei ausschließlich im industriellen Bereich durchführbar, da die Anschaffungskosten für die benötigten 3D-Drucker recht hoch sind. Andere Verfahren haben hingegen (in kleinem Maßstab) auch den Weg in Privathaushalte gefunden. Die wichtigsten Fertigungsverfahren, Ihre Vor- und Nachteile sowie die eingesetzten Materialien für den Druck haben wir im Folgenden zusammengefasst.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem geschmolzener Kunststoff, in seltenen Fällen auch verflüssigte Metalle, schichtweise auf eine Werkplattform aufgetragen wird. Schicht für Schicht wird so beim FDM ein 3D-Druckmodell erzeugt. Grundlage für das FDM Verfahren ist ein digitales 3D-Modell, welches von speziellen CAD Programmen in eine große Anzahl an einzelnen Schichten (Slices) zerlegt wird. Diese Schichten werden anschließend durch den 3D-Drucker auf die Arbeitsplattform übertragen.

Die Vorteile des Fused Deposition Modelings liegen vor allem in der kostengünstigen, schnellen Durchführung des 3D-Drucks. Hierdurch sind kurze Lieferzeiten und wirtschaftliche Drucke möglich. Die gedruckten Bauteile sind darüber hinaus überaus formstabil. Nachteilig gestalten sich die geringe Genauigkeit der gedruckten Teile und die Sichtbarkeit der einzelnen Druckschichten. Bei bestimmten Materialien, vor allem ABS, können sich dünne Teile verbiegen – der sogenannte „Warp-Effekt“. Ebenfalls in einigen Fällen als nachteilig angesehen werden kann die technische Eigenheit des FDM Drucks, dass Volumenkörper nicht solide, sondern immer mit einer Füllstruktur gedruckt werden.

Als Materialien für den FDM Druck kommen grundsätzlich alle Thermoplaste in Frage. Häufig verwendet werden ABS, Polyamide, PEEK oder PA6. Auch Polycarbonate, PET oder Polypropylene werden für den FDM Druck eingesetzt. Noch in der Erprobung sind FDM Drucke aus Metallen. Dies wird allerdings bis dato noch nicht im industriellen Maßstab umgesetzt.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Stereolithografie (SLA)

Die Stereolithographie ist das bis dato am längsten verwendete 3D-Druckverfahren. Bereits 1983 wurde die Stereolithographie (SLA) erfunden – und wird nach wie vor in fast unveränderter Form industriell eingesetzt. Bei der Stereolithographie werden lichtaushärtende Eigenschaften von Photopolymeren genutzt, um Bauteile in 3D zu drucken. Die Photopolymere, beispielsweise Epoxid- oder Kunstharze, befinden sich in einem flüssigen Kunststoffbad. Dieses besteht aus den Basismonomeren des Kunststoffes. Ein Laser dient dazu, die Kunststoffe an den durch ein CAD-Modell vorgegebenen Stellen auszuhärten. Ist eine Schicht ausgehärtet, senkt sich die Arbeitsplattform des 3D-Druckers einige Millimeter ab. Ein Wischer verteilt eine neue Schicht flüssigen Kunststoffs und der Laser kommt erneut zum Einsatz. Schicht für Schicht wird so das gewünschte Objekt aufgebaut.

Als Material für die Stereolithografie kommen technisch bedingt ausschließlich photosensitive Kunststoffharze (Epoxid, Acylat oder Elastomer) zum Einsatz. SLA dient der Anfertigung filigraner Modelle, Designmodelle und Prototypen, aber auch zur Herstellung von Funktionsbauteilen oder Urmodellen zum Abformen. Als Nachteil muss die Sprödigkeit der erstellten Objekte erwähnt werden, die die Anwendungsgebiete einschränkt. Da umfangreiche Nacharbeiten wie das Aushärten der Objekte in einem UV-Schrank oder das manuelle Entfernen von Stützstrukturen beim SLA Druck nicht zu vermeiden sind, ist das Verfahren vergleichsweise kostenintensiv.

Multi Jet Fusion (MJF)

Feste Bauteile mit hoher Genauigkeit, hoher Auflösung und das in kürzester Zeit: Multi Jet Fusion ist zweifelsohne eine der derzeit leistungsfähigsten Technologien im Bereich des 3D-Drucks. Bei dem Verfahren wird eine wärmeleitende Flüssigkeit, der sogenannte „Fusing Agent“ auf eine Schicht des Materialpulvers (in der Regel Polyamid 12) aufgetragen. Direkt im Anschluss wird eine Infrarot-Wärmequelle eingesetzt. Der Fusing Agent sorgt dafür, dass die durch ihn benetzten Bereich stärker erhitzt werden als das restliche Materialpulver. Dies sorgt für ein Zusammenschmelzen des Materials. Um scharfe Kanten und genaue Konturen zu realisieren, kommt ein weiterer Wirkstoff, der „Detailing Agent“ zum Einsatz. Dieser Agent wird exakt um die Bereiche herum aufgetragen, auf welchen der Fusing Agent verwendet wird. So entsteht ein deutlicher Temperaturunterschied – und es entstehen die gewünschten, scharfen Kanten und genauen Konturen.

Die Vorteile des Multi Jet Fusion Verfahrens liegen in der fast 100-prozentigen Dichte der gedruckten Bauteile und der hohen Geschwindigkeit des Drucks. Die Druckgeschwindigkeit bei MJF liegt rund 10mal höher als bei anderen, vergleichbaren Verfahren. Durch die kleinen Tropfen, die beim Multi Jet Fusion für den 3D-Druck verwendet werden, übersteigt die Auflösung (1.200 dpi) jede andere additive Fertigungsmethode. Als nachteilig lässt sich die etwas raue Oberfläche der gedruckten Objekte und die Beschränkung auf nur ein Material aufführen (PA 12). Wenn andere Farben als Grau oder Schwarz für die gedruckten Objekte erwünscht sind, fallen extra Kosten für eine Beschichtung an.

PolyJet

Das PolyJet Verfahren, stellenweise auch MultiJet Modeling genannt, ist eines der am weitesten verbreiteten Verfahren im Rapid Prototyping. Für den 3D-Druck wird beim PolyJet Verfahren mittels eines Druckkopfs ein in winzige Tröpfchen verteiltes Photopolymer in Schichtbauweise auf eine Bauplattform aufgetragen und dort umgehend durch UV-Licht ausgehärtet. Im PolyJet 3D-Druck sind feinste Schichtdicken von nur 16 – 32 µm möglich, was den Modellen eine extrem hohe Detailgenauigkeit verleiht. Weiterhin entstehen glatte Oberflächen, die denen aus dem Spritzguss nahekommen. Auch ist es problemlos möglich, beim PolyJet Druck mehrere unterschiedliche Materialien für ein Werkstück zu kombinieren. So lassen sich beispielsweise feste und gummiartige Materialien kombinieren oder unterschiedliche Materialien schon während des 3D-Drucks vermengen, so dass komplett neue Werkstückeigenschaften entstehen. Neben diesen Vorteilen muss aber auch erwähnt werden, dass der PolyJet 3D-Druck lange Druckzeiten mit sich bringt, was die Fertigung recht kostenintensiv macht. Auch sind für den Druck stellenweise Stützkonstruktionen erforderlich. Dadurch müssen die gedruckten Werkstücke häufig manuell nachbearbeitet werden, was den Preis zusätzlich in die Höhe treibt.
Als Materialien kommen unterschiedlichste Kunststoffe, beispielsweise ABS oder Polypropylene sowie Mischformen zum Einsatz.

Selektives Lasersintern (SLS)

Beim selektiven Lasersintern (SLS) wird ein pulverförmiges Ausgangsmaterial – zumeist Polyamid oder Elastomer – vollflächig auf die Werkplattform des 3D-Druckers aufgetragen. Anschließend wird das Pulver gemäß der vorgegebenen Kontur durch einen Laserstrahl gesintert, sprich bis kurz unter den Schmelzpunkt erhitzt. Das Material verbindet sich dadurch entlang der gewünschten Kontur. Ist eine Schicht fertiggestellt, senkt sich die Bauplattform um die Stärke der Schicht ab. Es wird eine neue Pulverschicht aufgebracht und der Vorgang beginnt von neuem. Schicht für Schicht und von unten nach oben entsteht so das gewünschte Objekt im 3D-Drucker. Da überhängende Strukturen im Pulverbett stabilisiert werden, ist die Anbringung (und anschließende Entfernung) von Stützstrukturen nicht notwendig. Die erstellten Bauteile sind mechanisch belastbar, thermostabil und leicht. Weiterhin lassen sich durch SLS ineinander verzahnte und dadurch bewegliche Objekte drucken. Als nachteilig beim SLS Verfahren können die vergleichsweise raue Oberfläche und die langen Druckzyklen erwähnt werden. Auch sind die erzielbaren Toleranzen höher als bei anderen Verfahren wie der Stereolithographie oder dem PolyJet-Verfahren.
Wie bereits erwähnt wird für SLS hauptsächlich Polyamid als Werkstoff eingesetzt. Seltener kommen auch thermoplastische Polyurethane (TPU) oder Polyether Ketone (PEK) beim selektiven Lasersintern zum Einsatz. Wird PA12 (Nylon) für SLS verwendet, kann dieses mit Ergänzungen angereichert werden, um spezifische Materialeigenschaften zu erzielen. Ergänzungsmaterial ist hier beispielsweise Aluminium oder auch Kohlefaser.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Das selektive Laserschmelzen (SLM) gilt als eines der vielseitigsten 3D-Druckverfahren und als rentable Alternative zum Schweißen, Fräsen oder Gießen. Beim selektiven Laserschmelzen wird Metall in Pulverform auf eine Bauplattform aufgebracht und anschließend mittels Laserstrahl entlang der gewünschten Kontur geschmolzen. Auch beim SLM wird schichtweise gearbeitet, was bedeutet, dass sich die Bauplattform nach Erstellen einer Schicht absenkt, frisches Pulver aufgebracht und anschließend erneut geschmolzen wird. Benötigte Stützstrukturen werden parallel zum eigentlichen Druck automatisch mit eingebaut.

Der Vorteil des SLM liegt eindeutig in der Konstruktionsfreiheit. Da die Bauteile Schicht für Schicht in der gewünschten Form aufgebaut werden, lassen sich selbst extrem komplexe Geometrien und bewegliche Teile aus schwer zerspanbaren Materialien generieren. Durch minimalste Abfallmengen ist das selektive Laserschmelzen gleichzeitig überaus wirtschaftlich. Als Werkstoffe kommen Aluminium, Edelstahl, Titan oder Kobalt-Chrom-Legierungen zum Einsatz. Abhängig vom Hersteller oder Fertigungsbetrieb wird selektives Laserschmelzen auch als DMLS (Direct Metal Laser Sintering), LMF (Laser Metal Fusion) oder Additiv Layer Manufacturing bezeichnet. Die unterschiedlichen Begriffe bezeichnen jedoch alle das gleiche Verfahren.

Weitere Verfahren

Neben den in der Industrie gängigen Verfahren existieren weitere 3D-Druck Möglichkeiten. So zum Beispiel das 3D Printing, bei dem gipsartiges Pulver schichtweise mittels eines Bindemittels verklebt wird. Oder das Digital Light Processing (DLP), welches im Groben der Stereolithographie ähnelt. Allerdings wird hier für das Aushärten des Grundmaterials ein Projektor oder ein LCD Display anstelle eines Lasers eingesetzt. Auch das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird stellenweise für den 3D-Druck eingesetzt. EBM erfordert immer ein leitfähiges Material in Pulverform. Das Material wird im 3D-Drucker mit Energie aus Elektronen „beschossen“ und somit zum Schmelzen gebracht.
Welches 3D-Druckverfahren letztendlich das wirtschaftlichste, schnellste und für den jeweiligen Anwendungszweck optimalste ist, lässt sich nicht allgemeingültig beantworten. Jedes Verfahren hat seine ganz eigenen, spezifischen Vor- und Nachteile. Daher ist für jeden 3D-Druck abzuwägen, welches Verfahren als geeignet ausgewählt werden soll.

Einsatzbereiche von 3D-Druck

Im industriellen Bereich wird der 3D-Druck für Strukturteile, beispielsweise mechanische Bauteile, Griffe oder Halterungen oder die Fertigung von Gehäuseteilen eingesetzt. Auch Werkzeuge, beispielsweise Vorrichtungen oder Gussformen, lassen sich mittels 3D-Drucker herstellen. Gerade im Leichtbau – beispielsweise der Luft- und Raumfahrt – haben additive Fertigungsverfahren weite Verbreitung erfahren. Generell lässt sich festhalten, dass der 3D-Druck immer dann von Vorteil ist, wenn in geringer Auflage ab Losgröße 1 produziert werden soll und konventionelle, abrasive Fertigung entweder nicht wirtschaftlich oder technisch nicht durchführbar ist.

Die Vorteile von 3D-Druck

Wie bereits erwähnt bietet der 3D-Druck gerade bei der Fertigung von Einzelstücken oder Prototypen große Vorteile gegenüber mechanischer Bearbeitung. Eines der wichtigsten Faktoren, die den 3D-Druck im industriellen Maßstab zu einem derartig beliebten Verfahren gemacht haben, ist die geringe Herstellungszeit der Bauteile. Dabei ist es unerheblich, ob Werkstücke mit komplexer oder einfacher Struktur gefertigt werden sollen. Möglich wird der Zeitgewinn vor allem dadurch, dass Zwischenschritte – wie sie bei herkömmlichen Fertigungsverfahren nötig sind – vollständig entfallen. So wird für den 3D-Druck nur ein entsprechendes CAD-Modell und natürlich der eigentliche 3D-Drucker benötigt, wohingegen bei klassischen Verfahren vor der eigentlichen Fertigung noch die Herstellung von Werkzeugen oder Formen beziehungsweise NC-Programmen erforderlich sind.
Durch die Reduzierung der Produktionszeiten werden die Stückkosten deutlich verringert, was einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil darstellen kann.

Ein weiterer Vorteil des 3D-Drucks: Er minimiert das Risiko teurer Zusatzkosten, wenn Veränderungen am Bauteil durchzuführen sind. Anders als beim Spritzguss oder der mechanischen Bearbeitung sind bei Änderungen an der Geometrie keine neuen oder angepassten Formen und Werkzeuge nötig – es reicht, die Änderungen am CAD-Modell umzusetzen. Je nach Verfahren ermöglicht es der 3D-Druck weiterhin, Einschränkungen am Design aufzulösen. Während Produktentwickler bei herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht jede Designidee auch in die Tat umsetzen konnten, ist beim 3D-Druck so gut wie alles möglich. Hohlräume, Bohrungen mit sich ändernden Richtungen, große Überhänge oder Hinterschnitte – der 3D-Druck ermöglicht eine völlig neue Herangehensweise an die Entwicklung von Produkten. Schlussendlich ist der 3D-Druck auch ein vergleichsweise nachhaltiges Fertigungsverfahren. In den meisten Fällen kann überschüssiges Material wiederverwendet werden, Abfall fällt so gut wie nicht an.

Rapid Prototyping

Übersetzt bedeutet Rapid Prototyping zunächst einmal ein Verfahren „zur schnellen Herstellung von Mustern“ aus digitalen, dreidimensionalen CAD-Daten. Seit der Einführung der ersten 3D-Drucker vor fast 40 Jahren hat sich Rapid Prototyping branchenübergreifend etabliert – denn die Herstellungszeit für einen Prototypen dauert dank 3D-Druck selten mehr als nur wenige Tage. Der gleichfalls entstehende Kostenvorteil wird dazu genutzt, während des Entwicklungsprozesses eines neuen Objektes mehrere Prototypen zu drucken – und so Konstruktionsmängel direkt am „echten“ Objekt entdecken und eliminieren zu können.

In welchen Branchen wird der 3D-Druck eingesetzt?

Die Einsatzmöglichkeiten für den 3D-Druck sind so vielfältig wie die Branchen, die die Möglichkeit des Druckens von Objekten in Anspruch nehmen. Gerade dann, wenn individuelle Produkte mit kompliziertesten Strukturen und Geometrien gefragt sind, spielt der 3D-Druck seine Vorteile gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren voll aus. So zum Beispiel in der Medizintechnik, wo gedruckte Objekte als Implantate oder Baugruppen für Hörgeräte zum Einsatz kommen. Auch in der Luft- und Raumfahrt ist der 3D-Druck gefragt. Hier geht es vor allem um den Leichtbau einzelner Komponenten, der sich durch den 3D-Druck hervorragend realisieren lässt. Im Werkzeug- und Formenbau werden in kurzer Zeit Messvorrichtungen oder Spritzgussformen gedruckt, im Prototyping lassen sich in kürzester Zeit Ideen und Visionen in die Realität umsetzen. Und auch in der Forschung oder im Bildungsbereich kommen immer mehr gedruckte Objekte zum Einsatz. Von medizinischen Anatomiemodellen bis hin zu experimentellen Bauteilen für Versuche reicht hier das Anwendungsspektrum.

Zahnkronen per 3D-Metalldruck hergestellt
Zahnkronen per 3D-Metalldruck (SLM) hergestellt