Grundlagen des 3D-Drucks

Whitepaper zur Additiven Fertigung

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21 Milliarden US-Dollar

Im Jahr 2021 wird der 3D-Druck-Markt weltweit voraussichtlich 21 Milliarden US-Dollar1 umsetzen. Verschiedene Branchen nutzen die zahlreichen Möglichkeiten und Innovationen: u.a. die industrielle Fertigung, die Automobilindustrie, die Luft- und Raumfahrt, das Gesundheitswesen, die Robotik oder das Bildungswesen.

Dieser Leitfaden beschäftigt sich mit den Grundlagen dieser Technologie und untersucht, was sie verspricht und was sie hält.

Was der 3D-Druck verspricht

Die Begeisterung, die der 3D-Druck ausgelöst hat, spiegelt das enorme Potenzial wider, um industrielle Prozesse zu verändern. Basis dafür sind entscheidende, handfeste Vorteile dieser Technologie gegenüber der konventionellen Fertigung.

„Digital Native Fabrication" – Der 3D-Druck war von Beginn an eine der ersten Fertigungsmethoden, die den „Digital Native"-Ansatz verfolgt haben. Modernes CNC-Fräsen erfolgt heute zwar vollständig digital, war ursprünglich aber analog. In der Praxis sorgen „Digital Native"-Technologien für einen reibungsloseren Workflow bei der Teilefertigung. Dank ihrer digitalen Grundlagen lässt sich die 3D-Drucktechnologie außerdem gut in cloudbasierte Infrastrukturen, KI-Lösungen (Künstliche Intelligenz) und andere zukunftsweisende Technologien/ Plattformen einbinden.

„Democratized Fabrication" - Der 3D-Druck verspricht Verfügbarkeit und Erschwinglichkeit. Im Handel erhältliche 3D-Drucker könnten Heimwerker in die Lage versetzen, in der eigenen Werkstatt endformnahe Teile herzustellen.

Komplexität und Anpassung zu geringeren Kosten – In der Zerspanung führt die Komplexität eines Teils (z. B. Krümmungen oder ungewöhnliche Geometrien) zu Mehrkosten in Form von längeren Maschinenlaufzeiten und höherem Arbeitsaufwand. Bei der Arbeitsvorbereitung und Fertigung bietet die additive Fertigung einen automatisierten Workflow und damit Komplexität zum Nulltarif.

3D-Drucken im Schmelzschichtverfahren in der Praxis

Der 3D-Druck hat enormes Potenzial. Doch die Technologien, die bisher die Branche dominierten, stehen seit ihrer Erfindung immer wieder vor Herausforderungen. Erstens ist die Herstellung robuster Teile schwierig, da der 3D-Druck auf Thermoplasten basiert. Diese sind nicht robust genug, um den üblichen Belastungen von Funktionsteilen standzuhalten. Zweitens sind 3D-Drucker seit jeher weniger zuverlässig als herkömmliche, subtraktive Technologien. Im Laufe der letzten zehn Jahre wurden in Bezug auf Genauigkeit und Zuverlässigkeit jedoch erhebliche Verbesserungen erzielt und neue Verfahren zur Herstellung von Funktionsteilen entwickelt. Insgesamt sind die Aussichten sehr positiv.

Definition der Hauptbegriffe

Additive Fertigung: Bei der additiven Fertigung wird ein Teil durch Hinzufügen von Material hergestellt. Beim 3D-Druck erstellt ein 3D-Drucker auf der Basis einer 3D-CAD-Datei (Computer Aided Design) ein dreidimensionales Objekt.

Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication; FFF): Dieser Begriff beschreibt ein industrielles Standardverfahren des 3D-Drucks, bei dem ein aus Thermoplasten bestehendes Filament erhitzt und durch eine Düse schichtweise aufgetragen wird, so dass daraus ein Teil entsteht. Manche FFF-Filamente sind mit kleinsten Carbonfasern angereichert. Die daraus resultierende Stärke der Teile ist aber vergleichbar mit der von Kunststoff.

Kohlefaserverstärkung (Carbon Fiber Reinforcement; CFR): Hierbei handelt es sich um einen Prozess, der es 3D-Druckern erlaubt, FFF-Teile mit Endlosfasern zu verstärken. Eine CFR-fähige Maschine verwendet zwei Extrusionssysteme: eine für herkömmliche FFF-Filamente und eine zweite für Endlosfasern mit langen Strängen. Endlosfasern werden schichtweise ausgelegt und ersetzen an bestimmten Stellen das FFF-Infill. Die so gefertigten Teile sind deutlich robuster (bis zu 10 Mal stärker als andere FFF-Materialien) und können Funktionsteile aus Aluminium ersetzen.

Heute ist das Schmelzschichtverfahren die am weitesten verbreitete 3D-Druck-Technologie. Das CFR-Verfahren bietet jedoch Vorteile gegenüber dem FFF-Verfahren, indem es entscheidende Schwachstellen beseitigt. Während FFFTeile durch "schwaches" Kunststoffmaterial typischerweise limitiert sind, sind CFR-Teile so robust, dass sie in wichtigen Fertigungsprozessen sogar Aluminiumteile ersetzen können.

FFF-Drucker (zum Drucken im Schmelzschichtverfahren): Eine nähere Betrachtung

FFF-Drucker sind aufgrund ihrer Einfachheit, Erschwinglichkeit, Vielfältigkeit und Ausgereiftheit die am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie. Sie sind in jeder Preisklasse erhältlich – von 3D-Druckern für weniger als 200 Euro für Gelegenheitsnutzer bis hin zu Maschinen in Industriequalität, die Hunderttausende Euro kosten. Mit fortschreitender Technologie wurden sie von weiteren Branchen übernommen.

Funktionsweise eines 3D-Druckers für das Schmelzschichtverfahren (FFF)

In diesem Abschnitt erläutern wir die Prozesse, Drucker und Teile des FFF-Verfahrens.

Diese Übersicht zeigt, wie ein FFF-Drucker nach der ersten Entwurfsphase ein Teil herstellt:

  1. Die Druckersoftware unterteilt Bauteile in einzelne Schichten und erstellt dann für jede Schicht einen Werkzeugpfad. Der Werkzeugpfad dient als automatische Blaupause, der die Maschine folgt.
  2. Ein Drucksystem erwärmt und extrudiert Material (wie eine Klebepistole) aus einer Düse und folgt dabei exakt dem Werkzeugpfad. In der ersten Schicht legt die Maschine Material direkt auf dem Druckbett ab.
  3. Sobald eine Schicht fertig ist, senkt der Drucker sein Druckbett um eine Schicht vom Druckkopf ab und beginnt mit dem Drucken der nächsten Schicht. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis ein Druckauftrag abgeschlossen ist.
  4. Nach Abschluss des Druckvorgangs kann ein Benutzer das Teil aus dem Druckbett entfernen und nutzen.

Schlüsselsysteme in einem 3D-Drucker für das Schmelzschichtverfahren (FFF)

Druckkopf-/Extrusionssystem: Der Hauptbestandteil eines FFF-Druckers, bei dem Material erwärmt und aus einer Düse extrudiert wird.

XY-Bewegungssystem: Das System, das über eine typische XY-Gantry den Druckkopf über die Druckebene bewegt. Ein Präzisionsbewegungssystem steuert millimetergenau die Position des Druckkopfs.

Druckbett: Das Druckbett, auch Druckplatte genannt, ist die Oberfläche, auf der ein FFF-Teil gebaut wird. Es ist normalerweise mit einem Antriebssystem auf der Z-Achse verbunden, das die Entfernung des Druckbetts zum Teil steuert.

Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication; FFF): Die Anatomie eines 3D-gedruckten Teils

Ein FFF-Drucker stellt Teile aus vier wichtigen Elementen her:

  1. Böden und Dächer: Böden beziehen sich auf die Unterseite und Dächer auf die Oberseite des Teils. Böden und Dächer eines FFFDruckteils bestehen jeweils aus mehreren Schichten. Sie werden anhand eines Hin- und Rückbewegungsmusters gedruckt, das für jede Schicht die Richtung ändert.
  2. Wände: Wände beziehen sich auf die äußere „Schale" eines FFF-gedruckten Teils und verfügen üblicherweise über eine Dicke von 2 bis 4 Druckbetten.
  3. Infill: Als Infill bezeichnet man die Struktur, aus der das Innere des Teils besteht. Es ist zwar möglich, massive Teile zu drucken, doch die überwiegende Mehrheit der im FFFVerfahren hergestellten Teile werden mit einem Gitter-Infill.

4. Trägermaterial: Trägermaterial wird für Druckteilgeometrien verwendet, die freitragende  Überhänge  oder Brückenkonstruktionen aufweisen. Auf diese Weise druckt der 3D-Drucker Trägermaterialien, die als Gerüst für das Teil dienen. Dieses Trägermaterial ist entweder abziehbar oder löslich (hergestellt aus einem Sekundärmaterial) und löst sich in einem Lösungsmittelbad auf. Es ist auch wichtig, zu beachten, dass das Trägermaterial als sogenannte Opferschicht fungiert.

  1. Herkömmliches Infill: Bereiche, die nicht mit Fasern gefüllt werden, legt der Drucker mit einem herkömmlichen FFF-Infill aus.
  2. Endlosfasern: Wo festgelegt, ersetzt ein CFR-fähiger Drucker das herkömmliche FFF-Infill durch Endlosfasern.

 

Endlosfaserverstärkung (Continuous Fiber Reinforcement, CFR): Die Grundlagen und Vorteile

Während der FFF-Druck die 3D-Druckindustrie bisher geprägt hat, steht die Technologie nun vor der Herausforderung, Teile zu drucken, deren Robustheit die von Kunststoff übertrifft. In diesem Abschnitt gehen wir näher darauf ein, wie das CFR-Verfahren funktioniert und welche Unterschiede und Ähnlichkeiten es im Vergleich zum FFF-Verfahren gibt.

Das CFR-Verfahren im Detail: CFR optimiert das traditionelle Schmelzschichtverfahren (Fused Filament Fabrication; FFF) und kann mithilfe von Markforged-3D-Druckern FFF-Teile durch Endlosfasern verstärken. Eine CFR-fähige Maschine verwendet zwei Extrusionssysteme für zwei spezielle Materialien: eines für herkömmliche FFF-Thermoplastfilamente und ein zweites für Endlosfasern mit langen Strängen. Endlosfasern werden schichtweise ausgelegt und ersetzen das FFF-Infill.

CFR-Kontrollstufen: Selbst bei sparsamer Verwendung können Endlosfasern einen großen Unterschied bei den Materialeigenschaften herbeiführen. Mit CFR-Druckern können Benutzer die Platzierung, Verteilung und Ausrichtung von Fasern in einem Teil systematisch steuern. Aber auch eine detaillierte Steuerung „Schicht für Schicht" ist möglich.

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Auch wenn das Schmelzschichtverfahren die etablierte Technologie der Branche ist, ist es weiterhin mit Einschränkungen verbunden. Lösungen durch Endlosfaser-Verstärkungen schaffen Mehrwert und eröffnen neuen Möglichkeiten und Potenziale.

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Frank Gersbach - Manager Additive Manufacturing