3D Druck - die Zukunft der Fertigung

Aufbauen statt zerspanen - Der 3D Druck ist ein Fertigungsverfahren von haptischen Produkten. Dabei wird ein Produkt nicht aus "dem Vollen gefräst", sondern Schicht für Schicht aufgebaut. Gegenwärtig wird der 3D Druck vorwiegend im Prototypenbau und für Kleinstserien verwendet. Der Trend geht jedoch dahin, dieses Verfahren zu einem neuen Standard in der Fertigung werden zu lassen.

Wie funktioniert 3D Druck?

Beim 3D Druck wird ein Produkt schichtweise aufgebaut. Ein 3D-Drucker besteht deshalb aus folgenden Komponenten:

• 3D-Kinematik
• Material- Energiezufuhr (oder beides)
• Arbeitsraum
• Stromversorgung
• Programmierbare Steuerung
• Für die 3D-Kinematik werden Portalroboter oder Y-Roboter eingesetzt. Sie führen die Material- oder Energiezufuhr an einem beliebigen Punkt innerhalb des definierten Arbeitsraumes vom 3D-Drucker
• Die unterbrechungsfreie Stromversorgung hält die Bewegung der 3D-Kinematik aufrecht, versorgt die Zuführsysteme (Kunststoff, Beton, Zinn, Laserlicht) mit Energie und hält die programmierbare Steuerung in Betrieb
• Beim 3D-Druck wird grundsätzlich zwischen zwei Arten der Herstellung unterschieden
1. Laserformverfahren
2. Materialformverfahren

Beim Laserformverfahren wird ein hochenergetischer Laserimpuls in einen Behälter mit Material geschossen. Dort, wo der Laser auf das Material trifft, entsteht ein Partikel. Dieser Partikel haftet an seinem benachbarten Partikel. So entsteht schichtweise das gewünschte Objekt. Das Laserformverfahren kann "trocken" und "nass" angewendet werden. Das "trockene" Laserformverfahren im 3D Druck wird bei der Sinterung von Keramikpulver oder Metallen verwendet. Die "nasse" Laserformung arbeitet mit flüssigen Kunstharzen, die unter den Laserimpulsen aushärten.

Der Vorteil vom Laserformverfahren ist die sehr hohe Präzision. Die so hergestellten Produkte passen nahtlos in die angedachten Baugruppen. Der Nachteil sind die sehr hohen Kosten für die Laserformverfahren. Außerdem ist der Arbeitsraum dieser 3D Drucker noch stark begrenzt. Beim Materialformverfahren wird ein pastöser Werkstoff aufgetragen. Bei Kontakt mit Luft und der normalen Außentemperatur härtet der Werkstoff aus.

Der Vorteil vom Materialformverfahren ist der einfachere und damit preiswertere Aufbau des 3D Druckers. Außerdem können die Arbeitsräume sehr groß gestaltet werden. Tatsächlich werden mit diesem Verfahren bereits ganze Häuser mit Beton "gedruckt". Der Nachteil ist die mangelnde Präzision des hergestellten Werkstücks. Die Oberfläche ist meist sehr rau und muss gegebenenfalls durch schleifen, polieren und Bearbeitung mit Lösemitteln geglättet werden.

Beide 3D-Druckverfahren haben jedoch einen gemeinsamen Nachteil: Die mit ihnen hergestellten Werkstücke haben zwar die gewünschte Form. Die Materialeigenschaften in Bezug auf Druckfestigkeit, Härte, Zähigkeit, Zugfestigkeit oder Temperaturbeständigkeit sind jedoch nur sehr schwer herzustellen. Hier sind die traditionellen Fertigungsverfahren noch deutlich im Vorteil.

Materialien im 3D-Druck

Das Laserformverfahren, insbesondere das Laser-Sinter-Verfahren erlaubt die Verwendung von praktisch jedem schmelzbaren Material. Die Bandbreite reicht von Metallen bis Keramiken und selbst Glas. Bei den nicht schmelzbaren Werkstoffen lässt sich ebenfalls fast alles mit 3D Druckern bearbeiten. Es muss lediglich die Frage nach der Aushärtung geklärt werden. Im Hobbybereich kommen dazu die sogenannten "Filamente" zum Einsatz. Dies sind dünne Fäden aus Kunststoff, die unter Wärme kurzzeitig flüssig werden und bei Luftkontakt sofort wieder aushärten. Bei den Betondruckern wird pastöser Beton mit Erstarrungsbeschleunigern verwendet. Andere Verfahren setzen auf UV-Licht und andere externe Einflüsse, um die punktgenaue Erstarrung des Werkstoffs zu erreichen. Der 3D-Druck hat auch die Lebensmittelbranche erreicht: Schon heute fertigen Hersteller von Kartoffelsnacks oder Pasta zur Fertigung Ihrer Kreationen den 3D-Drucker. Die Phantasie ist hier aber schon weiter: Sobald die Proteine aus Stammzellenzucht zur Verfügung stehen, sollen auch Steaks aus dem 3D-Drucker kommen.

Von dort ist es nur noch ein kleiner Schritt zu den fortgeschrittenen medizinischen Anwendungen. Bereits heute wird der 3D-Drucker sehr erfolgreich bei der Herstellung von Prothesen verwendet. Die Bandbreite ist hier schon heute enorm: Sie reicht von äußeren, anschnallbaren Ersatz-Extremitäten wie Armen oder Beinen - bis hin zu Kiefern, Knie- oder Hüftgelenke, die dauerhaft implantiert werden. In Zukunft sollen sogar ganze Organe aus dem 3D-Drucker kommen.

Zwischenschritt Kernformung

Die nicht immer optimalen Materialeigenschaften der auf 3D-Drucker hergestellten Produkte können durch einen Zwischenschritt umgangen werden: Indem das gedruckte Objekt nicht als Endprodukt, sondern als Gießkern verwendet wird, können die gewünschten Materialeigenschaften am Endprodukt doch noch erreicht werden. Dazu wird das 3D Druck Verfahren mit dem traditionellen Cold-Box oder Hot-Box-Sandgussverfahren kombiniert. Im Prototypenbau hat sich dieses Verfahren bereits bewährt und durchgesetzt. Der besondere Vorteil ist hierbei, dass der Kern gleich mitsamt der benötigten Speiser, Steiger und Entlüftungskanäle hergestellt werden kann.

3D Druck und Kunststoffverarbeitung

Die Kunststoffverarbeitung besteht im Wesentlichen aus dem Tiefzieh- und dem Spritzgussverfahren. Beim Tiefziehverfahren werden Tafeln aus thermoplastischem Kunststoff auf die Temperatur ihrer plastischen Verformbarkeit erwärmt und anschließend über eine Form gepresst. Dieses Verfahren eignet sich besonders für große Bauteile mit größtenteils gleich bleibender Wandstärke. Ein typisches Beispiel für Kunststoff-Tiefziehprodukte sind Kühlschrank Innenräume.

Beim Spritzgussverfahren wird Kunststoffgranulat unter hohem Druck und ebenso hohen Temperaturen in eine trennbare Form eingespritzt. Dieses Verfahren eignet sich für kleinere Bauteile und sehr hohe Stückzahlen. Beide Verfahren können für nahezu beliebige Formengestaltung eingesetzt werden.

Da Produkte aus Kunststoff technisch nicht den Belastungen ausgesetzt werden, wie man sie bei Metallprodukten erwartet, eignet sich der 3D Druck für seriennahe Prototypen im besonderen Maße. Die auf 3D-Druckern hergestellten Werkstücke aus Kunststoff lassen sich direkt an der Baugruppe verbauen. Änderungen im Design lassen sich mit geringem Aufwand umsetzen. Das macht den 3D Druck vor allem in der Kunststoff-Industrie zu einem sehr gefragten Verfahren.

Leistungen und Kompetenz von Hesse Thermoformung

Als Hersteller von Kunststoff-Formteilen bietet Hesse Thermoformung ein umfassendes Dienstleistungsangebot. Dazu gehört auch die Beratung und Service rund um den 3D Druck. Mit innovativen Verfahren und einer hohen Fachkompetenz verfügt Hesse Thermoformung über alle Kapazitäten, die für die bestmögliche Erfüllung der Kundenwünsche erforderlich sind. Die Bandbreite reicht vom Rapid Prototyping über Herstellung von Kleinstserien bis zur Planung einer Serienproduktion. Mit geschulten Fachkräften, modernster Hard- und Software braucht Hesse Thermoformung nur wenige Tage von der Idee bis zum fertigen Prototyp.
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