Generative Fertigung durch 3D-Printing (3D-Drucken)

Verfahrensprinzip

Bei 3D-Druckern werden mit chemischer Aktivatoren bzw. Binder die sogenannte Pulverbinder-Technologie verwendet. Zunächst trägt der 3D-Drucker eine dünne Pulverschicht auf. Danach druckt ein Inkjetdruckkopf einen Binder auf den Schichtquerschnitt des zu erstellenden Teils. Mit Hilfe dieses Binders wird sowohl die Schicht selbst als auch die darunter liegende Schicht mit der oberen Schicht verbunden (siehe Abbildung). Grundsätzlich ist das Verfahrensprinzip ähnlich zum Selektiven Lasersintern. Durch die Verwendung eines Druckkopfes anstelle Lasertechnologie entstehen Kostenvorteile.

Die heutige Pulverbinder-Technologie ermöglicht es, durch ein­gefärbte Binder, Bereiche in Bauteilen farblich zu gestallten. Auf diese Weise lassen sich farbliche Bereiche in den Bauteilen erstellen, die beispielsweise die Ergebnisse aus FEM-Untersuchungen veranschaulichen. Nach dem Binderauftrag fährt die Bauplattform herunter und ermöglicht das Auftragen einer nächsten Pulverschicht. Nach dem Bauprozess kann das überschüssige Pulver entfernt werden. Zur Steigerung der mechanischen Festigkeit der Bauteile ist eine Infiltration mit Epoxidharz oder Wachs in einem nachfolgenden Prozessschritt möglich.

Das Verfahrensprinzip wurde im Jahr 1993 durch das Massachusetts Institute of Technology (Cambridge, USA) patentiert und zwischen­zeitlich unter anderem an die Firmen Z-Corporation und pro-metal lizenziert.

Anwendung des Verfahrens

Neben der guten Bauteilgenauigkeit zeichnet sich dieses Verfahren durch eine hohe Baugeschwindigkeit aus. Als neue Werkstoffe sind auch auf Gips basierende Materialen verarbeitbar.

Eine weitere Möglichkeit des 3D-Druckens bietet die Verwendung von metallischem Ausgangswerkstoff, meist Edelstahlpulver. Das Pulver wird zunächst selektiv durch schicht- weises partielles Aufbringen einer Bindersubstanz zu einem Grünling verbunden. Nach dem Bauprozess muss der Grünling aus dem Pulverbett entnommen werden. Die Festigkeit deter- miniert der Zusammenhalt des eingebrachten Binders und ist deshalb sehr gering, wodurch es bei filigranen Bauteilen zu Problemen bei der Entnahme kommen kann.

Das Metallteil besteht zu etwa 60 Prozent aus Stahl und zu etwa 40 Prozent aus Bronze und kann als Formeinsatz für das Druck- und Spritzgießen verwendet werden. Beim Spritzgießen ist es mit einer dreidimensional gedruckten Werkzeugform möglich, bis zu 100.000 Bauteile aus glasfasergefülltem Nylon herzustellen. Die derzeitig erreichbaren Oberflächenqualitäten sind für viele Anwendungs­fälle ohne Nacharbeit nicht geeignet. Zudem ist die Bauteilgenauigkeit noch sehr weit von der im Werkzeugbau geforderten entfernt.

Ebenfalls auf dem Verfahrensprinzip des 3DP basiert die ursprünglich von der Fa. Generis (heute: voxeljet technology ) entwickelte Technologie zur Herstellung von Sandgussformen. Es kommen gießereiübliche Formstoffe und Kunstharze zum Einsatz, aus denen schichtweise die vorgegebenen Formen und Kerne aufgebaut werden. Für das präzise Auftragen und Dosieren des Binders verwendet man die bewährte Druckkopf-Technologie. Ungebundener Sand stützt auch hier die entstehende Form. Außer dem Reinigen ist keine Nachbearbeitung erforderlich. Die entstandene Form ist im Sandgussverfahren direkt abgussfähig.