3D-Druck mit Kunststoff

Überblick über die Verfahren des Kunststoff 3D-Drucks

In kaum einem anderen Markt wurden und werden so viele unterschiedliche Verfahren eingesetzt wie im 3D-Druck von Kunststoff. Daher verwundert es nicht, wenn es immer wieder zu Verwechslungen, falschen Bezeichnungen und verwirrenden Anfragen kommt. Deshalb möchten wir Ihnen an dieser Stelle einen Überblick über die von VMR angebotenen 3D-Druckverfahren für Kunststoffteile geben in der Hoffnung, Ihnen für künftige Anfragen die richtigen Begriffe und Eigenschaften der Teile nahezubringen:

• Stereolithographie (SLA/STL)
• Selektives Lasersintern (SLS)
• Polyjet
• Multijet Fusion (MJF)
• Fused Depositon Modeling (FDM)

Die Stereolithographie ist das älteste 3D-Druckverfahren auf dem Markt. Bereits Anfang der 80er-Jahre wurden die ersten Systeme hergestellt. Bis sie dann prozesssicher waren und auf den Markt kamen, dauerte es noch einige Zeit. Ende der 80er-, Anfang der 90er-Jahre fanden die ersten frei verfügbaren Maschinen ihre Anwender.

Der SLA-Prozess und die Vorteile:

Als Baumaterial wird ein UV-lichtempfindliches Harz (Photopolymer) eingesetzt, das durch einen UV-Laser ausgehärtet wird. Die Schichtinformationen werden in Lagen à 0,1 Millimeter Höhe (generell bei VMR) aufgebaut. Hinterschnitte und Überbauungen werden mit einer aus dem gleichen Material gebauten Stützstruktur gestützt. Das von VMR eingesetzte Photopolymer Watersched XC 11122 verfügt über ABS-ähnliche Eigenschaften und ist glasklar transparent. So eignet es sich sehr gut, um beispielsweise Lichtleiter und Sichtscheiben zu bauen. Aber auch für Urmodelle für Vakuumguss oder PA-Guss setzen wir es bevorzugt ein, weil es eine hohe Abbildungsgenauigkeit ermöglicht. Mit entsprechender Nachbearbeitung können sehr glatte Oberflächen erreicht werden, so dass die Teile auch hohen optischen und haptischen Anforderungen entsprechen.

Die Nachteile:

Hauptsächlicher Nachteil ist die begrenzte Einsatzfähigkeit von unlackierten SLA-Teilen. Da das Material als Photopolymer fortwährend UV-Licht aufnimmt, versprödet es relativ schnell. Es nimmt ferner Luftfeuchtigkeit auf und verändert so seine Materialeigenschaften innerhalb von einigen Wochen. Lackierte Teile sind vor Licht und Feuchtigkeit geschützt. Bei Urmodellen spielt dies keine Rolle, da hier nicht die Notwendigkeit der langen Lagerung besteht.

Anwendungen:

• Prototypen
• Messemuster und Modelle mit hohem Anspruch
• Urmodelle für den Vakuumguss

Das SLS-Verfahren ist ebenfalls seit vielen Jahren auf dem Markt und daher das Verfahren, das am weitesten verbreitet ist. Es gibt kaum einen Entwickler, der die typischen weißen und rauen Teile nicht kennt – Teile die sich teilweise extrem belasten lassen, ohne zu brechen.

Der SLS-Prozess und die Vorteile:

Das SLS-Verfahren ist ein Pulverbett-Verfahren. Das bedeutet, dass ein Laser das auf die Substratplatte (=Bauplattform) aufgetragene Pulver Schicht für Schicht verschmilzt, bis ein vollständiger 3D-Körper daraus entstanden ist. Stützstrukturen an und zwischen den Teilen sind hier (im Gegensatz zum 3D-Druck in Metall) nicht notwendig. Die Teile werden im Bauraum allein durch das Pulverbett gestützt. So kann der Bauraum über und über mit Teilen vollgepackt werden, was je Baulauf zu maximaler Ausbringung, hoher Effektivität und damit günstigen Preisen für die Einzelteile führt. Die Teile sind relativ genau und lassen sich – solange keine hohen Umgebungstemperaturen herrschen – gut als einfache und belastbare Anschauungs- und Funktionsmuster einsetzen, an die geringe optische und haptische Anforderungen gestellt werden. Verfügbare Materialien sind meist PA11 und PA12 mit und ohne Brandschutzausrüstung sowie Glaskugelverstärkung. Elastomere sind ebenfalls erhältlich, und weitere Kunststoffsorten wie PP sind in Kürze erhältlich.

Die Nachteile:

Um die Teile im Pulverbett zu verarbeiten, wird das Pulver auf ca. 150°C vorgeheizt. Der Laser verschmilzt das Pulver bei ca. 170°C. Daher herrschen im Pulverbett und in den eingepackten Teilen eine hohe Wärme, die einerseits zu Verzug an den Teilen führen kann, aber anderseits auch das Material thermisch schädigt, vor allem wenn das Restpulver mehrfach verwendet wird. Der Teileaufbau und das Pulverbett müssen nach dem Prozess langsam und lange abkühlen. Wird die Maschine zu früh geöffnet, ergeben sich hieraus ebenfalls Verzüge an den Teilen. Bei Anwendung in Umgebungen mit hohen Temperaturen reagieren SLS-Teile unter Umständen ebenfalls mit starkem Verzug. Die prozesstypische Oberfläche der SLS-Teile ist relativ rau, etwa wie ein mittleres Schleifpapier. Das Gefüge ist offenporig-porös und damit luft- und mediendurchlässig, muss daher bei Bedarf nachträglich mit einem Dichtmittel infiltriert werden.

Anwendungen:

• Prototypen
• Teile im nicht sichtbaren Bereich (z.B. Unterputz)
• Serienfertigung von Brillengestellen nach umfangreicher Nachbearbeitung und Einfärbung

Das Polyjet-Verfahren haben wir seit Anfang der 2000er-Jahre im Einsatz. Die Besonderheit des Verfahrens ist die hohe Auflösung mit nur 0,016 Millimeter pro Baustufe. Damit lassen sich sehr genaue Bauteile auch mit dünnen Wandstärken ab 0,1 mm bauen. Auch in Optik und Haptik können Polyjet-Modelle überzeugen. Neben Polyjet wird auch häufig der Begriff Multijet-Modelling (MJM) verwendet.

Der Polyjet-Prozess und die Vorteile:

Durch einen Druckkopf mit 960 Materialdüsen, die in zueinander versetzen Reihen neben- und hintereinander angeordnet sind, wird ein flüssiger Kunststoff ausgespritzt, also wie im Tintenstrahldrucker tatsächlich gedruckt. Seitlich am Druckkopf finden sich starke UV-Leuchten, die das ausgespritzte Material sofort verfestigen. Daher handelt es sich beim Polyjet-Verfahren ebenfalls um ein Material aus Photopolymer. Die hohe Auflösung, die dünnen, möglichen Wandstärken und die Abbildung von kleinsten, feinsten Details sind die Hauptvorteile des Verfahrens. Wir setzen es daher sehr gerne auch für kleine Urmodelle für das Vakuumgießen ein.

Nachteile:

Da es sich beim Material um Photopolymer handelt, ist die Dauerhaltbarkeit der Teile begrenzt. Auch für mechanisch hoch belastete Prototypen eignet es sich weniger gut, weil das Material unter Last zum Fließen neigt. Hinterschneidungen und Überbauungen werden im Prozess mit einem wachsartigen Zusatzmaterial gestützt, das nach dem Aufbau des Bauteils wieder entfernt werden muss. Bei geschlossenen Teilen oder Teilen mit einkonstruierter Innenstruktur kann das sehr schwierig, aufwendig oder gar unmöglich sein.

Anwendungen:

• Prototypen
• hoch funktionelle Einzelteile und Baugruppen
• Urmodelle für den Vakuumguss

Das Multijet Fusion Verfahren, kurz MJF, ist seit etwa 2017 auf dem Markt und stellt eine Alternative zum SLS-Verfahren dar. Die Materialauswahl ist derzeit noch auf PA12 beschränkt. Der Hersteller HP hat aber weitere Materialien angekündigt.

Der MJF-Prozess und die Vorteile:

Das MJF-Verfahren ist ebenfalls ein Pulverbett-Verfahren. Mit Chemikalien, Lage für Lage in das Pulverbett gespritzt, werden die Bereiche markiert, die von starken Wärmeleuchten verschmolzen werden sollen. Der Hauptvorteil gegenüber dem SLS-Verfahren ist das geschlossene, homogene Gefüge wie bei einem Spritzgussteil. Das Verfahren zielt bereits schon heute auf die Fertigung von Kleinserien im 3D-Druck und stellt attraktive Teilepreise in Aussicht. Das MJF-Verfahren eignet sich für Anschauungs- und Funktionsmuster, an die geringe optische und haptische Eigenschaften gestellt werden.

Die Nachteile:

Als aktueller Nachteil ist die aktuell geringe Materialauswahl zu nennen. Die Oberfläche der Werkstücke ist ebenfalls rau, wenn auch etwas feiner als beim SLS. Nach dem Prozess und dem anschließenden Glasperlenstrahlen, um die Teile zu reinigen, sind sie unansehnlich grau. Nach einer Infiltrierung mit schwarzer Farbe halten sie dann auch optischen Ansprüchen stand.

Anwendung:

• Prototypen
• Kleinserien im nicht sichtbaren Bereich

Das FDM-Verfahren (= Fused Deposition Modeling) hat sich in letzter Zeit vor allem im Consumer-Markt einen Namen gemacht. Einfache FDM-Drucker sind hier schon für wenige hundert Euro erhältlich. Die Ergebnisse können sich aber nicht mit FDM-Druckern der Industrie messen lassen. Materialauswahl und Genauigkeit sind hier viel hochwertiger als bei den kleinen Druckern für den Privatbereich.

Der FDM-Prozess und die Vorteile:

Beim FDM-Verfahren liegt das Ausgangsmaterial als ein thermoplastischer Kunststoffdraht (=Filament) vor, der von einer Spule abgewickelt wird. Das Filament wird in eine beheizte Düse geführt und verflüssigt. Die Düse legt dann Faden auf Faden über- und nebeneinander. Die halbflüssigen Kunststofffäden verschmelzen an ihrer Oberfläche miteinander und bilden einen festen Körper. Hauptvorteil des Verfahrens ist die große Materialbandbreite aus verschiedenen Thermoplasten. Es wird damit also Originalmaterial verwendet, wie es später in der Serie, zum Beispiel im Spritzguss, auch eingesetzt wird. Aus industrieller Sicht interessant sind vor allem die verfügbaren Hochtemperaturmaterialien wie Ultem, die neben einer hohen Festigkeit zugleich eine hohe chemische Beständigkeit aufweisen. Damit lassen sich hervorragend Vorrichtungen und individuelle Spannmittel erzeugen, die sonst aufwendig aus Halbzeug gedreht und gefräst werden müssten. Teilweise können beim FDM-Verfahren auch Endlosfasern aus Carbon oder Glasfaser eingesetzt werden, um die Bauteile zu verstärken.

Nachteile:

Zum Nachteil gereicht dem Verfahren, dass es relativ langsam abläuft und immer nur ein Einzelteil gebaut werden kann. Der Einsatz beschränkt sich daher auf Einzelteile wie Prototypen und Vorrichtungen. Ebenfalls nachteilig ist die raue Oberfläche, die sich aus dem Nebeneinanderlegen der Kunststofffäden ergibt. Für Sichtteile ist das Verfahren daher weniger gut geeignet.

Anwendungen:

• Prototypen und Einzelteile
• Vorrichtungen
• Spannmittel
• Werkzeuge

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