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3D-Druckverfahren mit Pulver

Allgemeine Informationen

Das Verfahren kommt aus dem Bereich „Additive Layer Manufacturing“, das heißt hier werden mehrere verschiedene Schichten also Layers übereinandergelegt. Bei dem so genannten 3DP, also dem 3D-Druck mit Pulver, wird von einem oder mehreren verschiedenen Druckknöpfen ein Klebstoff abgegeben, auf den dann Pulver gelangt, danach wieder eine Schicht Klebemittel und dann Pulver und so weiter. Hierbei ist zu erwähnen, dass der Klebstoff nur die Partikel des Pulvers miteinander verbindet. Um das Pulver auf den Klebstoff zu bekommen, wird das Pulverbett immer um eine Schicht nach unten versetzt. Somit wächst das Objekt von unten nach oben heraus. Das Prinzip wird solange wiederholt, bis man das fertige Produkt hat. Man erstellt hier also aus verschiedenen 2D-Schichten eine 3D-Konstruktion. Die Abgabe des Klebemittels ist vergleichbar mit der Abgabe der Tinte bei einem normalen Drucker. Man druckt sozusagen mehrere Schichten Klebemittel aus.

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Das nächste und ein dem 3DP sehr ähnlichen Verfahren ist das Selektive Laserschmelzen (SLS). Das Verfahren ist auch als Selective Laser Melting (SLM) bekannt und verwendet als Edukt wie 3DP auch Pulver. Jedoch verwendet man hier keinen Klebstoff, sondern man benutzt einen CO2-Laser. Mit dem sogenannten Hochleistungslaser lassen sich dann unter einer Schutzatmosphäre die einzelnen Layer von Pulver einfach verbinden.

Zuletzt ist hier noch das Electron Beam Melting (EBM) oder auch Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)-Verfahren zu erwähnen, bei dem auch wieder Pulver verwendet wird. Jedoch wird das Pulver hier mithilfe von einem Elektronenstrahl verschmolzen und lässt so unter Vakuum erneut Schicht für Schicht den gewünschten Gegenstand entstehen. Dann muss nur noch, wie bei dem SLM Verfahren, das Objekt vom restlichen Pulver befreit werden.

 

Wo wird das Verfahren angewendet?

Das EBM/ EBAM-Verfahren wird teilweise zum Herstellen von Bauteilen für Flugzeuge verwendet. Beispielsweise findet man in einer Turbine eines Flugzeuges bereits heute schon so hergestellte Teile. Auch die anderen Verfahren wie SLS und 3DP werden in der Industrie häufig verwendet und sparen somit Zeit.

 

Was sind Vor- und Nachteile der Verfahren?

Ein großer Vorteil von 3DP ist die große Auswahl an Materialien, die man hat, da man diverse Stoffe für Kleber sowie Pulver verwenden kann. Auch wird hierbei durch überschüssiges Pulver eine Art Stützstruktur für das Objekt aufgebaut und man kann damit noch weitere Hohlräume erschaffen. Jedoch sind die Geräte für das Verfahren derzeit noch sehr teuer. Weiterhin muss man die Objekte meistens hinterher erneut bearbeiten, damit sie so sind, wie man sie möchte.

Ein großer Vorteil von SLS bzw. SLM ist, dass man hier zusätzlich zu Kunststoffen auch Metalle, Keramiken sowie Sand verarbeiten kann. Im Vergleich zu dem EBM-Verfahren ist die Auflösung besser. Jedoch ist die Produktion mit EBM schneller. Man kann mit EBM zugleich Metalle verwenden, die eine hohe Schmelztemperatur haben. Dabei wird durch das Vakuum ein stabiles und sehr festes Objekt garantiert, ohne Sauerstoff kann es sich nicht in dem Objekt einlagern. Es lässt sich letztendlich sagen, dass die Qualität der Produkte abhängig ist von den Edukten.

So funktioniert das Verfahren

Das 2015 vorgestellte Verfahren wurde von Carbon 3D entwickelt. Das Continuous Liquid Interface Production, kurz CLIP-Verfahren, soll die Problematik anderer 3D-Drucker beheben. Hierzu wird eine Photopolymerisation von flüssigem Resin durchgeführt. Dieses wird im Folgenden als Harz beschrieben. Das Harz wird in einem Tank als eine Art Harzbad gelagert. Am Boden dieses Gefäßes befindet sich eine kontaktlinsenähnliche Schicht, welche luft- und lichtdurchlässig ist. Mit Hilfe von einem UV-Licht wird ganz unten im Tank, in der sogenannten „deadzone“, welche durch Sauerstoff erzeugt wurde, das Harz gezielt geschmolzen und gleichzeitig leicht erhärtet. Durch die Hinzugabe von Sauerstoff härtet der Harz jedoch nicht zu früh aus.

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Daraufhin wird die sogenannte „Build-Plattform“ hochgezogen. Die Plattform ist eine flexible Platte, auf der das Produkt entsteht. Zu Beginn des Druckvorganges wird sie nach ganz unten gefahren, um dort den Beginn des Druckes zu unterstützen. Während des Druckvorganges wird die Plattform kontinuierlich aus dem Harzbad gezogen und legt dann das erhärtete Objekt frei.

Wenn das Objekt fertig ist und komplett aus dem Tank gezogen wurde, ist der Druckvorgang beendet. Entscheidend bei dem Verfahren ist die Steuerung durch UV-Licht und Sauerstoff. Diese erstellen das Objekt durch diverse chemische Prozesse. Hierfür benötigt man jedoch die passende Software von Carbon3D.

 

Wo kann dieses Verfahren angewendet werden?

In dem Verfahren können jegliche Polymere verarbeitet werden, somit und durch die hohe Geschwindigkeit kann das Verfahren in diversen Bereichen verwendet werden. Die einzigen Grenzen sind, dass man nur Polymere als Edukte verwenden kann und die Software sowie den CLIP-Drucker benötigt.

 

Was sind die Vor- und Nachteile des CLIP Verfahrens?

Der einzige Nachteil, den man bisher kennt, ist, dass man den Drucker sowie die spezielle Software dazu braucht. Im Gegensatz dazu stehen jedoch auch einige Vorteile. Beispielsweise verspricht Carbon3D, dass das Verfahren 25- bis 100-mal schneller ist als andere 3D-Druckverfahren. Das liegt daran, dass man nicht jede Schicht einzeln drucken und zusammenkleben muss, auch ist die Oberfläche eine ganz andere, denn man sieht bei den entstandenen Produkten mit CLIP keinerlei Rillen bzw. Schichten.

Vor allem unter dem Mikroskop betrachtet, erkennt man den eindeutigen Unterschied zwischen CLIP und anderen Verfahren. Somit haben die Objekte auch weniger Schwachstellen. Weiterhin kann man jegliches Polymer als Edukt verwenden und hat somit eine Flexibilität bei den Eigenschaften der Produkte. Vor allem mit den letzten beiden Aspekten steigt die Qualität der Produkte an und revolutioniert somit das 3D-Drucken.