Additive Fertigung (auch generative Fertigung oder 3D-Druck genannt) ist ein zunehmend wertvolleres Werkzeug für Unternehmen. Die Fertigung im eigenen Haus kann die Kosten im Vergleich zur Fremdvergabe deutlich senken und bietet eine größere Freiheit, mehr Design-Iterationen zu erstellen. Die drei vorherrschenden 3D-Drucktechnologien, die heute im Consumer-Bereich eingesetzt werden, sind FFF (Fused Filament Fabrication), SLA (Stereolithografie) und SLS (Selektives Lasersintern). Jede Technologie hat ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen, aber welche Technologie ist die beste für Ihre Anforderungen?
Alle 3D-Drucktechnologien basieren auf einem gemeinsamen Prinzip – ein 3D-CAD-Modell wird horizontal in einzelne Querschnitte zerlegt, die dann Schicht für Schicht übereinander gedruckt werden, um ein dreidimensionales Objekt zu bilden. Die FFF-, SLA- und SLS-Technologien verfolgen jedoch grundlegend unterschiedliche Ansätze zum Drucken dieser Querschnitte.
FFF (Fused Filament Fabrication)
FFF ist die am häufigsten verwendete 3D-Drucktechnologie, da sie einfach zu handhaben ist und keine aggressiven Chemikalien erfordert. Bei FFF wird ein dicker Strang aus Rohmaterial verwendet, der gemeinhin als Filament bezeichnet wird. Ein Filament hat einen konstanten Durchmesser von entweder 1,75 mm oder 2,85 mm und ist in der Regel ein Thermoplast, der auf einer Spule geliefert wird. Beim FFF-Verfahren wird das Filament durch eine beheizte Düse extrudiert (ausgepresst), die auf einem beweglichen System montiert ist, das die Düse im Baubereich umherbewegt. Geschmolzenes Filament aus der Düse wird auf einem Druckbett abgelegt, wo es abkühlt und zu einer Schicht erstarrt. Das Bett bewegt sich dann um einen Bruchteil eines Millimeters nach unten, woraufhin eine weitere Schicht darüber gedruckt wird. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das komplette Teil fertig ist.
Vorteile
Die Geräte sind relativ einfach zu bedienen und zu warten
Die Ausrüstung und der gesamte Prozess sind erschwinglicher und kostengünstiger als die anderen 3D-Druckverfahren
Der Prozess ist relativ sauber und erfordert keinen Einsatz von scharfen Chemikalien
Die kompakte Bauweise des Geräts erlaubt die Aufstellung auf einem Schreibtisch oder in einem Regal
Der gesamte Prozess findet in einem einzigen Gerät statt – es werden keine zusätzlichen Geräte benötigt
Es steht eine große Auswahl an Materialien mit unterschiedlichen technischen Eigenschaften zur Verfügung
Der relativ geringe Gerätepreis bedeutet auch, dass für flexible, skalierbare Fertigung und kürzere Vorlaufzeiten mehrere Drucker verwendet werden können
Nachteile
Wichtigste Erkenntnisse
FFF ist ideal für eine Büroumgebung, da die Geräte einfach zu bedienen und zu warten sind und der Prozess nicht auf die Verwendung von aggressiven Chemikalien oder Nachbearbeitungsstationen angewiesen ist. Es gibt eine extrem große Auswahl an Verbrauchsmaterialien, die im Vergleich zu den anderen Methoden relativ preiswert sind. Das Verbrauchsmaterial wird in Form eines Filaments auf einer Spule vertrieben, das einfach anwendbar ist und über einen längeren Zeitraum gelagert werden kann.
Mit FFF 3D-gedruckte Teile erfordern manchmal Stützstrukturen, aber dies kann vermieden werden, wenn der CAD-Designprozess die Herstellungsmethode berücksichtigt. Die Doppelextrusion ermöglicht die Verwendung von zwei Materialien in einem einzigen Druck. Sie kann für ästhetische Zwecke verwendet werden, indem mehrere Farben desselben Materials verwendet werden. Sie kann auch verwendet werden, um verschiedene mechanische Eigenschaften zu nutzen, indem zwei verschiedene Arten von kompatiblem Material verwendet werden. Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von speziellem Stützmaterial, wie z. B. wasserlösliches PVA, das auflösbare Stützstrukturen drucken kann, oder Breakaway, das Stützstrukturen drucken kann, die sich leicht vom Teil brechen/ablösen lassen. Die Verwendung eines speziellen Stützmaterials stellt sicher, dass das endgültige Teil eine glatte Oberfläche hat. Es entsteht ein hochwertiges Teil mit minimaler Nachbearbeitung.
SLA (Stereolithografie)
Eine weitere wichtige 3D-Drucktechnologie ist SLA, wofür ein UV-lichthärtendes Harz als Rohmaterial verwendet wird. Das Harz wird in einen Behälter mit Glasboden gegossen, in den eine Druckbettaufnahme getaucht wird. Ein UV-Laser oder ein DLP-Projektor beleuchtet das Harz mit UV-Licht und härtet es selektiv in einer horizontalen Ebene der CAD-Daten. Das Druckbett wird dann aus dem Behälter herausgehoben, so dass sich das nicht ausgehärtete Harz fließend ausgleichen kann. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das komplette Teil fertig ist.
Vorteile
Teile mit komplexer Geometrie haben eine hochwertige Oberflächenqualität und den höchsten Detailgrad der drei Technologien, was SLA ideal für kleine Teile macht
Die Geräte sind kompakt und relativ einfach zu bedienen
Mit dieser Methode können mehrere Materialien mit verschiedenen Eigenschaften gedruckt werden
Nachteile
Die Verbrauchsmaterialien sind ohne Handschuhe unsicher zu handhaben, riechen unangenehm und sind brennbar
Bei der Nachbearbeitung ist eine weitere Aushärtung erforderlich
Verbrauchsmaterialien sind klebrig und können bei unsachgemäßer Aushärtung Verunreinigungen am Arbeitsplatz verursachen
Es sind fast immer Stützstrukturen notwendig, die Artefakte auf der gedruckten Oberfläche hinterlassen
Es ist nicht möglich, mehrere Materialien oder Farben in einem einzigen Druck zu kombinieren
Das Bauvolumen von Desktop-SLA-Druckern ist im Vergleich zu den beiden anderen Technologien relativ gering
Teile müssen mit Löchern versehen werden, damit nicht ausgehärtetes Harz aus geschlossenen Strukturen abfließen kann
Wichtigste Erkenntnisse
SLA ist gut geeignet für Teile mit komplexer Geometrie, die feine Details erfordern, aber gedruckte Teile müssen in fast allen Fällen mit Stützen versehen werden.
Die Nachbearbeitung ist im Vergleich zu FFF ein komplexerer Prozess: Die Teile müssen mit scharfen Chemikalien wie Isopropylalkohol gereinigt und in einem UV-Ofen ausgehärtet werden, bevor sie gehandhabt werden können. Aufgrund der Verwendung scharfer Chemikalien ist ein gut belüfteter Bereich für den Druckerbetrieb und die Nachbearbeitung erforderlich.
Der Rohstoff ist ein Harz, das brennbar ist, unangenehm riecht und eine begrenzte Haltbarkeit hat. Altes und neues Harz können nicht miteinander gemischt werden, was zu höheren Kosten aufgrund von Materialverschwendung führt. Der Preis des Rohmaterials ist im Vergleich zu den anderen Technologien relativ hoch.
SLS (Selektives Laser-Sintern)
Das dritte wichtige Druckverfahren ist SLS, bei dem ein pulverförmiges Rohmaterial, typischerweise ein Polymer, verwendet wird. Das Pulver wird in einem Behälter gelagert, in dem eine Recoating-Klinge jeweils für die folgende Schicht das Material dünn auf dem Druckbereich verteilt. Ein Hochleistungslaser verschmilzt die kleinen Materialpartikel miteinander, um eine einzige horizontale Schicht der CAD-Daten zu bilden. Der Behälter bewegt sich dann um den Bruchteil eines Millimeters, um eine neue Schicht zu beginnen, und die Recoating-Klinge streicht über den Baubereich, um eine neue Schicht Rohmaterial aufzutragen. Nicht verbrauchtes Pulver wird durch Sieben und Mischen des gesiebten Pulvers mit neuem Pulver recycelt. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das komplette Teil fertig ist.
Vorteile
Fertige Teile haben keine sichtbaren Schichten, obwohl sie eine „körnige“ Oberfläche haben können
Die fertigen Teile haben relativ robuste mechanische Eigenschaften in allen Richtungen (isotrope mechanische Eigenschaften).
Stützmaterial ist beim Drucken nicht erforderlich
Nachteile
Die Geräte sind groß und daher für Büroumgebungen eher ungeeignet
Das Rohmaterial ist ein Pulver, das beim Einatmen gefährlich sein kann
Es ist nicht so einfach, Materialien oder Farben zu wechseln
Geräte und Verbrauchsmaterialien sind teuer in der Anschaffung, und Betrieb und Wartung erfordern qualifizierte Arbeitskräfte, die weitere Kosten verursachen
Der Prozess erfordert eine Nachbearbeitungsstation und eine Pulver-Recyclingstation, was zusätzliche Kosten verursacht
Der Prozess kann unwirtschaftlich sein, wenn nicht das gesamte Behältervolumen genutzt wird
Wichtigste Erkenntnisse
Die Möglichkeit, komplexe Formen ohne Stützstrukturen zu entwerfen, eröffnet eine große Designfreiheit, und im fertigen Teil sind keine Schichtlinien sichtbar.
Die Kosten sind der größte Nachteil – SLS ist die teuerste Lösung der drei großen 3D-Drucktechnologien, was die Ersteinrichtung und die Wartung angeht. Die komplizierte Beschaffenheit der Geräte erfordert für deren Bedienung außerdem qualifizierte Arbeitskräfte, was weitere Kosten verursacht.
Es wird empfohlen, mit dem maximal möglichen Volumen zu drucken, um zu vermeiden, dass viel verbrauchtes Pulver anfällt, daher ist es nicht ideal für einzelne Teile und kleine Produktionsläufe.
Aufgrund der Verwendung von Hochleistungslasern und des durch den Prozess erzeugten Staubs kann SLS ein gefährlicher Prozess sein, und in Kombination mit der Größe der Ausrüstung wird ein spezieller Raum für die Installation benötigt.
Schlussfolgerung
Diese drei großen Technologien haben jeweils ihre einzigartigen Anwendungsfälle. SLA ist ideal für kleine Objekte mit komplexen Funktionen und Details. SLS ist ideal für größere Produktionen und industrielle Druckläufe mit hohen Stückzahlen, bei denen jedes Mal das gesamte Bauvolumen gefüllt wird.
FFF-Nutzer können direkt zu Drucken beginnen. Die erschwingliche, zugängliche und vielseitige Natur der FFF-Technologie bedeutet, dass die Implementierung einer Inhouse-3D-Drucklösung keinen zusätzlichen Platz oder Fachpersonal für den Betrieb erfordert. Unternehmen sind in der Lage, die Entwicklungszeit und ‑kosten im Vergleich zu traditionellen Methoden deutlich zu senken, und die Prozesse sind flexibler, da Produkte in einer iterativen Weise entwickelt werden können. FFF erfordert von allen wichtigen Technologien den geringsten Nachbearbeitungsaufwand und ist die sauberste Technologie, wodurch es einen klaren Vorteil gegenüber den Alternativen für den Einsatz in der Büroumgebung bietet. Als zusätzlicher Bonus bedeutet die weite Verbreitung des FFF-3D-Drucks, dass es eine Fülle von Informationen und Ressourcen gibt, die kostenlos verfügbar sind.
Weitere Informationen darüber, wie der FFF-3D-Druck Ihre Inhouse-Fertigung rationalisieren kann, finden Sie auf unseren Infoseiten im Internet.
