3D Printing

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computergeneriertes Gipsmodell eines Menger-Schwamms

3D Printing ist ein Verfahren zum schnellen Erstellen von Prototypen (Rapid Prototyping), bei dem Zellulosepulver durch Einspritzen eines Bindemittels gezielt an einzelnen Stellen verfestigt werden. Dieses Funktionsprinzip wird für unterschiedliche Anwendungsfälle eingesetzt.

So verwenden einerseits Maschinen, die in einer Büroumgebung betrieben werden können, dieses Prinzip zur Herstellung von Proportionsmodellen. Andererseits gibt es aber auch Anlagen, die für die Fertigung von Prototypen oder sogar von Produktionswerkzeugen ausgelegt sind, und daher dem Bereich Rapid Tooling zuzuordnen sind.

Diese Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Ausgangswerkstoffe. Das Grundprinzip des Modellbauprozesses ist jedoch immer gleich und wird im folgenden zunächst am Beispiel einer "bürotauglichen" Anlage beschrieben.

[Bearbeiten] Herstellung von Konzeptmodellen

Als Ausgangsmaterial verwendet man ein Zellulosepulver, das durch Einspritzen des Binders - einer Flüssigkeit auf Wasserbasis - lokal verklebt. Sowohl Pulver als auch Binder sind toxikologisch unbedenklich.

Der Bauprozess beginnt mit dem Auftragen einer neuen Pulverschicht: Hierzu wird die Bauplattform um die Schichtdicke abgesenkt, der Boden der daneben angeordneten Vorratskammer angehoben und das so nach oben beförderte Pulver mit einer Walze, die über die Bauplattform fährt, in Form einer dünnen Schicht aufgetragen. Überschüssiges Pulver gelangt in einen Überlaufbehälter.[1]

Als nächstes wird an den Stellen, die verfestigt werden sollen, von einem Druckkopf, der ähnlich wie der eines Tintenstrahldruckers funktioniert, der Binder eingespritzt. Hierdurch wird lokal der Zusammenhalt der einzelnen Pulverteilchen - auch mit der darunter liegenden Schicht - erzeugt. Der Verfahrweg des Druckkopfes bleibt auf die Bereiche beschränkt, in denen sich das Modell befindet. Das nicht verfestigte Pulver verbleibt zunächst im Bauraum und stützt darauffolgende Schichten. Daher sind keine Stützkonstruktionen nötig. Nach Beendigung des Bauprozesses wird das überschüssige Pulver mittels Staubsauger entfernt.

Die vom Binder benetzten Pulverteilchen haften aneinander und bilden so das Modell, wobei der Binder ca. 10 % des Volumens des fertigen Modells ausmacht. Aufgrund der Kapillarwirkung verläuft der Binder, und es werden auch außerhalb der gewünschten Kontur befindliche Pulverteilchen mit "angeklebt". Dadurch ergibt sich eine relativ raue Modelloberfläche.

Das Modell ist auch relativ porös und mechanisch nicht besonders belastbar. Eine Steigerung der Festigkeit kann durch Verwendung anderer Materialien - z. B. einem Pulver auf Gips-Keramik-Basis - auf Kosten der Geschwindigkeit erreicht werden. Wird das Modell häufiger oder längere Zeit benötigt, so muss es nachbehandelt werden. Hierzu tränkt man das poröse Modell - je nach Anforderungen - z. B. mit Heißwachs oder auch Epoxidharz. Der Vorteil der großen Geschwindigkeit bzw. der "Bürotauglichkeit" geht durch diesen Prozessschritt allerdings teilweise verloren.

Inzwischen gibt es auch Maschinen, die durch Verwendung farbigen Binders mehrfarbige Modelle fertigen können. Als Datenquelle verwendet man hier z. B. VRML-Dateien, die im Gegensatz zu STL-Dateien Farbinformationen enthalten.

Neben dieser Technik gibt es eine andere Verfahrenstechnik. Als Grundlage wird ein Plastikdraht aufgeschmolzen und auf einer Schaumstoffplatte abgesetzt. Dafür wird im Drucker bei einer Temperatur von 75°C geabreitet. Der Plastikdraht wird auf 180°C erwärmt. Um höher liegende Schichten zu stützen, werden zusätzliche Schichten aufgetragen, die aus einem anderen, poröseren Kunststoff bestehen. Dieser kann später einfach herausgebrochen werden. Der Druckerkopf kann in x-Richtung und y-Richtung bewegt werden. Ist eine Schicht abgeschlossen, fährt der Tisch in z-Richtung eine Stufe nach unten.

[Bearbeiten] Anwendungsfall Rapid Tooling

Das Verfahren, pulverförmige Ausgangsmaterialien durch zusätzliche Binder zu verkleben, findet auch Anwendung bei Rapid Tooling-Verfahren, die auf die schnelle Fertigung von Werkzeugen (z. B. Spritzgusswerkzeuge) ausgerichtet sind.

Von dem bürotauglichen Verfahren unterscheiden sich diese hauptsächlich durch die verwendeten Materialien und die Nachbehandlung des Modells.

Man verwendet hierbei Metall- oder Keramikpulver, die durch das Einspritzen des Binders soweit verfestigt werden, dass ein transportables Modell - in diesem Zusammenhang als "Grünteil" bezeichnet - entsteht.

Kapillarwirkung

Anschließend wird der Binder aus dem Grünteil ausgebrannt. Dieses wird dann zusammen mit einer ausreichenden Menge einer niedrigschmelzenden Metalllegierung in einem Ofen erhitzt.

Das Infiltrationsmetall muss in unmittelbarer Nähe des Modells in den Ofen gelegt werden. Sobald es schmilzt wird es dann aufgrund der Kapillarwirkung in die Porositäten des Modells gezogen und füllt diese auf.

Die Oberfläche muss anschließend noch nachgearbeitet (poliert) werden.

Auf diese Weise lassen sich metallische Modelle oder auch Einsätze für Spritzgusswerkzeuge für kleine Stückzahlen (Rapid Tooling) fertigen.

Die Materialeigenschaften entsprechen in etwa denen von Aluminium, allerdings ist die Wärmeleitfähigkeit schlechter. Dies wird in gewissem Umfange dadurch ausgeglichen, dass beliebig geformte Kühlkanäle (z. B. in konstantem Abstand der Kontur folgend) gefertigt werden können.