3D-Druck-Teile
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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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 optimale 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.