Module, die für die Durchführung vorausgesetzt werden

Wesentliche Kenndaten

Technologie: 3D-Modelle können mit unterschiedlichen Methoden hergestellt werden (z.B. Keltool, ZCorp,…)
Auflösung: Wie beim normalen Druck wird die Auflösung in dpi (= dots per inch) berechnet. Je höher die Auflösung ist umso detaillierter ist in Folge der Druck. Zu beachten ist allerdings, dass es oft in einer Achse zu Ungenauigkeiten kommen kann, die manuell ausgeglichen werden müssen.
Bildgröße: Die Größe des entstehenden Ausdrucks hängt von der Größe der Druckkammer ab und wird meistens in cm, mm oder inch angegeben.
     

Technologie

Bei 3D-Druck gibt es Anwendungsfälle wie Rapid Prototyping und Rapid Tooling, wobei sich diese beiden Verfahren hauptsächlich durch die verwendeten Materialien und die Nachbehandlung des Modells unterscheiden:
  • Rapid Prototyping = bürotauglicher 3D-Druck von Modellen; meist zu Anschauungszwecken (Musterbauteile).  Rapid Prototyping
  • Rapid Tooling = Fertigung von transportablen 3D-Modellen zur raschen Werkzeugproduktion.  Rapid Tooling
 
Rapid Prototyping
  1. Das Ausgangsmaterial ist ein Zellulosepulver, das durch Einspritzen eines Binders lokal verklebt. Der Binder ist eine auf Wasser basierende Flüssigkeit (z.B. Glukose) und daher ungiftig.
  2. Eine neue Pulverschicht wird aufgetragen:
    Die Bauplattform und der Boden der Vorratskammer werden um die Höhe der neuen Schicht abgesenkt. Dann wird das Pulver mit einer Walze, die über beide Plattformen in Richtung der Bauplattform fährt, auf diese aufgetragen. Überschüssiges Pulver fällt in einen Überlaufbehälter.
  3. Jetzt wird von einem Druckkopf an den Stellen, die verfestigt werden sollen, das Bindemittel eingespritzt. Damit wird der Zusammenhalt der Pulverteilchen mit den darunter liegenden Schichten erreicht.
    Da das Bindemittel aufgrund der Kapillarwirkung etwas verläuft, werden auch einige außerhalb der gewünschten Kontur liegende Teilchen mit angeklebt, was zu einem etwas rauen Äußeren führt.
  4. Das nicht verfestigte Pulver bleibt im Bauraum zurück und stützt weitere Schichten. Nach der Beendigung des Prozesses kann es dann mittels eines Staubsaugers entfernt werden.

Abbildung: Skizze des „Innenlebens“ eines 3D Druckers



Bei diesem Modell ist zu beachten, dass es ziemlich porös und mechanisch nicht so stark belastbar ist. Soll das Ergebnis härter und widerstandsfähiger ausfallen, so muss man ein anderes Ausgangsmaterial, wie etwa Gips, verwenden. Dies geht jedoch auf Kosten der Geschwindigkeit. Soll das Modell zusätzlich noch länger halten und häufigere Verwendung überstehen, muss es nachbehandelt werden. Dazu tränkt man es beispielsweise in Heißwachs oder Epoxidharz. Allerdings gehen so die Vorteile von Geschwindigkeit und Bürotauglichkeit teilweise verloren.

 
Rapid Tooling

Rapid Tooling ist darauf ausgelegt, Werkzeuge möglichst schnell herzustellen. Sie unterscheiden sich von den bürotauglichen Verfahren hauptsächlich durch die verwendeten Materialien und die Nachbehandlung des Modells.
Ablauf der Erzeugung:
  1. Meist wird hier Metall- oder Keramikpulver verwendet, das durch einen Binder soweit verfestigt wird, dass ein transportables Modell (= Grünteil) entsteht.
  2. Der Binder wird aus dem Grünteil ausgebrannt.
  3. Anschließend wird es zusammen mit einer niedrigschmelzenden Metalllegierung in einem Ofen erhitzt. Zu beachten ist hierbei, dass das Infiltrationsmetall möglichst nahe am Modell sein muss, damit es durch die Kapillarwirkung in die Porositäten des Modells gesogen werden kann und diese auffüllen kann.

Typen und Beispiele

Polyjet Drucktechnik
Diese Technologie dient bei 1:1 Prototypen der Erzeugung qualitativ hochwertiger Urmodelle für den Vakuumguss. Verarbeitet werden hierbei verschiedene Acrylat-Photopolymere. Diese Drucktechnik arbeitet mit vier Druckköpfen bei einer Druckbreite von 65 mm.
Durch das ständige Versetzen des Druckkopfes um wenige Millimeter bei jeder Schicht werden Bauteilfehler durch einzelne ausgefallene Düsen verhindert.
Das Stützmaterial ist wasserlöslich und wird nach dem Bauprozess mit einer Wasserstrahlanlage entfernt. Somit werden die Bauteile schonend "entpackt". Die Bauteile werden mit 600 dpi in Schichten von 0,016 mm hergestellt. Der maximale Anlagenbauraum beträgt 350 x 350 x 200 mm.
Vorzugsweise eignet sich diese Technik für kleine, dünnwandige Bauteile und Teile, bei denen auf eine möglichst geringe Abweichung zur Sollgeometrie Wert gelegt wird. Durch die sehr geringe Schichtstärke von nur 0,016 mm ist bei nachfolgender Oberflächenbearbeitung auf Glanz oder Erodierstruktur nur ein geringes Schleifen der Oberfläche erforderlich. Somit ist die Gefahr der Geometrieveränderung durch das händische Schleifen bei dieser Technik am geringsten.
Mit OBJET 3D-gedruckten Bauteilen werden hohe Geometrie- und Massgenauigkeiten sowie beste Oberflächen erzielt, die sich dann in den vakuumgegossenen Kunststoffteilen widerspiegeln. Weiters ist es möglich, dünne Wandstärken von ca. 0,5 mm zu realisieren.

3D Systems Drucktechnik
Die Technologie von 3D Systems dient bei 1:1 Prototypen ausschließlich der Erzeugung verlorener Modelle, die aus einem Acrylat-Photopolymer hergestellt werden. Diese Technik basiert auf jener des MJM-Verfahrens (MultiJet Modeling), hat jedoch den Vorteil, dass ein zweiter Werkstoff (Wachs) als Stützmantel das Bauteil unterbaut und ummantelt. Das Stützwachs wird nach dem 3D-Druck weggeschmolzen.
Die Bauteile werden mit 300 dpi in Schichten von 0,04 mm hergestellt. Der maximale Anlagenbauraum beträgt 304 x 185 x 203 mm. Vorzugsweise eignet sich diese Technik für kleine, dünnwandige Bauteile. Ein Fügen von größeren Bauteilen ist aufgrund der Verzugs- und Schwundproblematik und aus Kostensicht nicht sinnvoll.
Mit Invision 3D-gedruckten Bauteilen werden bei den Bauteilen hohe Genauigkeiten und saubere Oberflächen erzielt, die sich dann in den gegossenen Metallbauteilen widerspiegeln. Weiters ist es möglich, dünne Wandstärken < 1 mm zu realisieren.
Durch den Einsatz dieser 3D-Drucktechnik als Herstellungsmethode für verlorene Modelle lassen sich höhere Genauigkeiten der Gussteile realisieren.

Thermo Jet Printing (TJ) bzw. MultiJet Modeling (MJM)
MJM ist ein generatives Verfahren mit dem anhand von dreidimensionalen Geometriedaten Konzeptmodelle und Prototypen aus Thermopolymer in kurzer Zeit hergestellt werden können. Der ThermoJet arbeitet mit der Mehrdüsenmodellierungstechnik.
Hierbei werden mit 352 Düsen Teile in Schichten von 0,04 mm Dicke bis zu einer Größe von maximal 250 x 190 x 200 mm erstellt. Die Auflösung beträgt 400 dpi in x-Richtung, 300 dpi in y-Richtung und 0,04 mm in z-Richtung.
Der Nachteil des Verfahrens ist die schlechte Bauteilunterseite, welche durch die nadelförmigen Stützen entsteht.

ZCorp
Dieses System ist ideal für eine Büroumgebung oder Ausbildungsinstitution, da es relativ klein, preislich günstig und einfach wartbar ist. Damit können Entwickler leicht auf einen 3D-Drucker zurückgreifen. Bei diesem Verfahren werden Bauteile durch schichtweises Verkleben verschiedenster Materialien gefertigt. Das einfache, geradlinige Benutzerinterface der Treibersoftware macht es auch Einsteigern leicht, mit dem Gerät zurechtzukommen. Weiters ist es sehr preisgünstig in Bezug auf Anschaffungs- und Erhaltungskosten.
Dieses Gerät eignet sich am besten zur Herstellung reiner Konzeptmodelle mit sehr geringen Maßhaltigkeitseigenschaften.


Abb. 1: Beispiel eines 3D-Druckers der Fa. ZCorp, die einfärbige weiße Gipsmodelle druckt.

RP Maschine für farbige Modelle
Abb. 2: 3D-Drucker, ebenfalls von ZCorp, der aber im Gegensatz zu Abb. 1 auch in Farbe drucken kann (siehe auch Abb. 4).

RP Maschine innen
Abb. 3:
3D-Drucker innen
Hier wird vom linken Behälter immer eine Schicht durch einen Schieber in den rechten Behälter übertragen. Dort, wo das Modell entsteht, wird der Gips mittels eines Bindemittels verhärtet.

Bindemittel
Abb. 4: Bindemittel, hier auch für Farbdruck. Damit können farbige Modelle gedruckt werden.


Abb. 5: Beispiel eines gedruckten Gipsmodells, das durch das Auftragen einzelner Schichten entstanden ist.