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Auswahl des richtigen 3D-Druckverfahrens

Geschrieben von Alkaios Bournias Varotsis

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Selecting the right 3D printing process

Einführung

3D-Druck oder Additive Fertigung sind Überbegriffe, die [mehrere Prozesse] umfassen (/wissensbasis/additive-fertigung-technologien-uebersicht/). Jedes 3D-Druckverfahren hat seine Vorteile und Einschränkungen, und jedes ist für bestimmte Anwendungen besser geeignet als andere.

In diesem Artikel geben wir Ihnen mehrere einfach zu bedienende Werkzeuge an die Hand, die Ihnen helfen sollen, das richtige 3D-Druck-Verfahren für Ihre Bedürfnisse auszuwählen. Verwenden Sie die folgenden Diagramme und tablen als schnelle Hilfe, um den Prozess zu finden, der Ihre Designanforderungen am besten erfüllt.

Wir haben uns der Prozessauswahl aus drei verschiedenen Blickwinkeln genähert:

  • Das erforderliche Material ist bereits bekannt
  • Die Merkmale des Endteils (physisch oder optisch) sind bereits definiert.
  • Bestimmte Prozessfähigkeiten (Genauigkeit, Rohlinggröße usw.) sind erforderlich.

Um die Informationen in diesem Artikel für den Leser umsetzbar und in der sich ständig weiterentwickelnden 3D-Drucklandschaft immer relevant zu machen, wurden einige hochgradige Verallgemeinerungen eingeführt, die in jedem Abschnitt bei Bedarf diskutiert werden.

Auswahl eines Prozesses nach Material

3D-Druckmaterialien sind normalerweise in Form von Filamenten, Pulver oder Harz erhältlich (je nach den verwendeten 3D-Druckverfahren). Polymere (Kunststoffe) und Metalle sind die beiden wichtigsten Materialgruppen für den 3D-Druck, während andere Materialien (wie Keramiken oder Verbundwerkstoffe) ebenfalls verfügbar sind. Polymere können weiter in Thermoplaste und Duroplaste unterteilt werden.

Wenn das benötigte Material bereits bekannt ist, ist die Auswahl eines 3D-Druckverfahrens relativ einfach, da nur wenige Technologien Teile aus denselben Materialien herstellen. In diesen Fällen wird der Auswahlprozess in der Regel zu einem Kosten-gegen-Eigenschafts-Vergleich.

Thermoplastische Kunststoffe:

Thermoplaste eignen sich am besten für funktionelle Anwendungen, einschließlich der Herstellung von Endanwendungsteilen und Funktionsprototypen.

Sie haben gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Schlag-, Abrieb- und Chemikalienbeständigkeit. Sie können auch mit Kohlenstoff, Glas oder anderen Zusätzen gefüllt werden, um ihre physikalischen Eigenschaften zu verbessern. 3D-gedruckte technische Thermoplaste (wie Nylon, PEI und ASA) werden häufig zur Herstellung von Endanwendungsteilen für industrielle Anwendungen verwendet.

SLS-Teile hso,aben bessere mechanische und physikalische Eigenschaften und eine höhere Maßhaltigkeit, aber FDM ist wirtschaftlicher und hat kürzere Vorlaufzeiten.

Typische 3D-Druck-Thermoplaste
SLS Nylon (PA), TPU
FDM PLA, ABS, PETG, Nylon, PEI (ULTEM), ASA, TPU

Die untenstehende Pyramide zeigt die gängigsten thermoplastischen Materialien für den 3D-Druck. Als Faustregel gilt: Je höher oben in der Pyramide ein Material steht, desto besser sind seine mechanischen Eigenschaften und desto schwieriger ist es im Allgemeinen, mit ihm zu drucken (höhere Kosten):

Duroplaste (Harze):

Duroplaste (Harze) eignen sich besser für Anwendungen, bei denen es auf Ästhetik ankommt, da sie Teile mit glatten, spritzähnlichen Oberflächen und feinen Details herstellen können.

Im Allgemeinen haben sie eine hohe Steifigkeit, sind aber spröder als Thermoplaste, so dass sie für funktionelle Anwendungen nicht geeignet sind. Es sind Spezialharze erhältlich, die für technische Anwendungen (die die Eigenschaften von ABS und PP imitieren) oder Dentaleinsätze und Implantate konzipiert sind.

Material Jetting produziert Teile mit höherer Maßhaltigkeit und allgemein glatteren Oberflächen, jedoch zu höheren Kosten als SLA/DLP. Beide Verfahren verwenden ähnliche lichthärtbare Harze auf Acrylbasis.

Typischer 3D-Druck von Duroplasten (Harzen)
Material Jetting Standardharz, Digitales ABS, Haltbares Harz (PP-ähnlich), Transparentes Harz, Dentalharz
SLA/DLP Standardharz, Hartharz (ABS-ähnlich), Haltbares Harz (PP-ähnlich), Klares Harz, Dentalharz
Metalle:

3D-Druckteile aus Metall haben ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und können bei hohen Temperaturen betrieben werden. Die Freiformfähigkeiten des 3D-Drucks machen sie ideal für leichte Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und der Medizinbranche.

DMLS/SLM-Teile haben bessere mechanische Eigenschaften und Toleranzen, aber Binder Jetting kann bis zu 10-mal billiger sein und kann viel größere Teile produzieren.

Typische 3D-Druckmetalle
DMLS/SLM Edelstahl, Titan, Aluminium
Binder Jetting Edelstahl (bronzegefüllt oder gesintert)
Andere Materialien:

Andere Materialien können auch in 3D gedruckt werden, aber sie sind nicht so weit verbreitet, da ihre Anwendungen begrenzt sind. Zu diesen Materialien gehören Keramik und Sandstein in Vollfarbe mit Binder Jetting.

Sonstige 3D-Druckmaterialien
Binder Jetting Sand, Keramik
Pro-Tipp:

Aufgrund des additiven Charakters der Technologie haben 3D-Druckteile oft anisotrope mechanische Eigenschaften, d.h. sie sind in z-Richtung schwächer. Bei Funktionsteilen sollte dieses Merkmal bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Sehen Sie beispielsweise den Vergleich zwischen den Eigenschaften von SLS-Nylon und Schüttgut-Nylon in diesem Artikel.

Eine Testhalterung, die aus einer Reihe von verschiedenen 3D-Druckmaterialien gedruckt wurde

Auswahl eines Verfahrens nach Nutzungsfall

Es ist wichtig, schon früh im Auswahlprozess zu bestimmen, ob die Hauptüberlegung für das Design Funktion oder optische Erscheinung ist. Dies ist nämlich bei der Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens sehr hilfreich.

Als Faustregel gilt, dass thermoplastische Polymerteile besser für funktionelle Anwendungen geeignet sind, während sich Duroplaste am besten für das optische Erscheinungsbild eignen.

Funktionalität:

Das unten stehende Flussdiagramm kann Ihnen helfen, das am besten geeignete 3D-Druckverfahren auf der Grundlage der allgemeinen Designanforderungen für Funktionsteile und Prototypen zu ermitteln.

Hier folgen einige weitere Details:

  • Bei der Konstruktion eines Teils oder eines Prototyps, der in andere Komponenten eingreift, ist es wichtig, das notwendige Toleranzniveau zu definieren. Als Faustregel gilt, dass die Auswahl eines Verfahrens mit höherer Maßhaltigkeit die Kosten erhöht. Eine weitere Möglichkeit ist die Fertigstellung von Merkmalen mit kritischen Abmessungen oder kleinen Details nach dem 3D-Drucken (z.B. durch Bohren von Löchern oder Gewindeschneiden).
  • Die Gesamtfestigkeit eines Teils hängt von verschiedenen mechanischen und physikalischen Eigenschaften ab. Um die Auswahl zu vereinfachen, kann die Materialzugfestigkeit als Richtschnur verwendet werden. Wenn hohe Festigkeit und Steifigkeit erforderlich sind, sind 3D-Metalldruck oder FDM-Druck, verstärkt mit Endloskohlefasern, die besten Lösungen.
  • Technische 3D-Druckmaterialien sind mit besonderen Eigenschaften erhältlich, wie z.B. Hitzebeständigkeit, Flammbeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit oder die als biokompatibel oder food-safe zertifiziert sind.
  • Flexibilität kann entweder als hohe Bruchdehnung definiert werden, wo Thermoplaste wie TPU in SLS und FDM erhältlich sind, oder als geringe Härte, wo Materialien mit gummiartiger Haptik für SLA/DLP und Material Jetting verfügbar sind.
Ein funktionelles Fahrradwerkzeug in 3D aus kohlenstoffgefülltem Nylon, mit SLS gedruckt.

Mit freundlicher Genehmigung von Rehook

Optische Erscheinung:

Wenn das optische Erscheinungsbild im Vordergrund steht, kann die Auswahl des 3D-Druckverfahrens mit Hilfe des unten stehenden Flussdiagramms vereinfacht werden.

Hier folgen einige weitere Informationen:

  • Sowohl SLA/DLP als auch Materialauftrag können Teile mit glatter, spritzgussähnlicher Oberflächenbeschaffenheit herstellen. Der Hauptunterschied zwischen den beiden Verfahren (abgesehen von den Kosten) besteht darin, dass die Abstützung beim Material Jetting löslich ist, während sie bei SLA/DLP nach dem Druck manuell entfernt werden muss, wobei kleine Spuren auf der Oberfläche zurückbleiben, die nachbearbeitet (geschliffen oder poliert) werden müssen.
  • Material Jetting produziert vollständig transparente Teile, während SLA/DLP-Teile halbtransparent gedruckt werden und nachbearbeitet fast 100% optisch klar sein können.
  • Teile mit spezieller Textur, wie z.B. eine holzähnliche oder metallähnliche Oberfläche, können mit Holzfüllung oder Metallfüllung in den FDM-Filamenten bedruckt werden. Gummiähnliche Teile sind weich (Shore-Härte < 70A) und lassen sich biegen und komprimieren, aber die Leistung von echtem Gummi ist nicht zu übertreffen.
  • Material Jetting und Binder Jetting sind die einzigen 3D-Druckverfahren, die derzeit Vollfarbdruckmöglichkeiten bieten. Material Jetting hat den Vorteil, dass er Materialien mit besseren physikalischen Eigenschaften sowie Multimaterialfähigkeiten ermöglicht. Eine weitere Möglichkeit ist, die Modelle nach dem Drucken zu grundieren und zu lackieren oder einen FDM-Drucker mit doppelter Extrusionsfähigkeit (nur für zwei Farben) zu verwenden.
Modell eines Cyborgs, der nach dem Lackieren mit Materialauftrag 3D-bedruckt wurde.

Mit freundlicher Genehmigung von Factor 31

Auswahl eines Druckverfahrens nach Herstellungsfähigkeiten

Wenn das Modelldesign bereits abgeschlossen ist, spielen die Fähigkeiten der einzelnen 3D-Drucktechnologien oft die Hauptrolle bei der Verfahrensauswahl.

Es ist wichtig, einen Überblick über die grundlegende Mechanik jedes Prozesses zu haben, um ihre wichtigsten Vorteile und Grenzen vollständig zu verstehen. Siehe hierzu die den einzelnen Technologien gewidmeten Einführungsartikel im folgenden Kapitel der Wissensdatenbank.

Hier sind einige praktische Regeln, die Ihnen bei der Interpretation der Daten helfen sollen:

  • Die Maßhaltigkeit hängt mit dem Detaillierungsgrad zusammen, den die einzelnen Verfahren erreichen können, und mit der Fertigungsqualität jedes einzelnen 3D-Druckers. Prozesse, die eine höhere Genauigkeit bieten, können in der Regel Teile mit feineren Merkmalen erzeugen. Maschinen in Industriequalität haben eine höhere Genauigkeit und Wiederholbarkeit als Desktop-Drucker.
  • Die Rohlinggröße bestimmt die maximalen Abmessungen eines Teils, die ein Drucker produzieren kann. Bei Komponenten, die die typische Rohlinggröße überschreiten, sollten Sie die Migration zu einer alternativen Technologie oder die Aufteilung des Teils in mehrere Komponenten, die später zusammengesetzt werden können, in Betracht ziehen.
  • Der Bedarf an Stützstrukturen bestimmt den Grad der Gestaltungsfreiheit. Prozesse, die keine Abstützung benötigen, wie SLS, oder auflösbare Abstützungen, wie Material Jetting oder Dual-Extrusion FDM (industriell oder desktop), haben weniger Einschränkungen und können leichter Freiformstrukturen erzeugen.
Maßhaltigkeit Typische Rohlinggröße Abstützung
FDM ± 0,5 % (untere Grenze ± 0,5 mm) - Desktop ± 0,15% (untere Grenze ± 0,2 mm) - industriell 200 x 200 x 200 mm für Desktop-Drucker Bis zu 900 x 600 x 900 mm für Industriedrucker Nicht immer erforderlich (auflösbar verfügbar)
SLA/DLP ± 0,5 % (untere Grenze: ± 0,10 mm) - Desktop ± 0,15% (untere Grenze ± 0,05 mm) - industriell 145 x 145 x 175 mm für den Desktop-Drucker Bis zu 1500 x 750 x 500 mm für Industriedrucker Immer erforderlich
SLS ± 0,3% (untere Grenze: ± 0,3 mm) 300 x 300 x 300 mm (bis zu 750 x 550 x 550 mm) Nicht erforderlich
Material Jetting ± 0,1% (untere Grenze von ± 0,05 mm) 380 x 250 x 200 mm (bis zu 1000 x 800 x 500 mm) Immer erforderlich (immer auflösbar)
Binder Jetting ± 0,2 mm (± 0,3 mm bei Sanddruck) 400 x 250 x 250 mm (bis zu 1800 x 1000 x 700 mm) Nicht erforderlich
DMLS/SLM ± 0,1 mm 250 x 150 x 150 mm (bis zu 500 x 280 x 360 mm) Immer erforderlich

Höhe der Schicht

Ein weiterer wichtiger Aspekt, der bei der Auswahl einer Technologie zu berücksichtigen ist, ist der Einfluss der Schichthöhe.

Aufgrund der additiven Natur des 3D-Drucks bestimmt die Schichthöhe die Glattheit der so gedruckten Oberfläche und die Mindestgröße der Merkmale, die ein Drucker (in z-Richtung) erzeugen kann. Durch die Verwendung einer geringeren Schichthöhe wird auch der Treppeneffekt weniger ausgeprägt und hilft, genauer gekrümmte Flächen zu erzeugen.

Typische Schichtdicke
FDM 50 - 400 μm (am häufigsten: 200 μm)
SLA/DLP 25 - 100 μm (am häufigsten: 50 μm)
SLS 80 - 120 μm (am häufigsten: 100 μm)
Material Jetting 16 - 30 μm (am häufigsten: 16 μm)
Binder Jetting 100 μm
DMLS/SLM 30 - 50 μm

Faustregeln

  • Bestimmen Sie frühzeitig im Auswahlprozess, ob Funktionalität oder optisches Erscheinungsbild an erster Stelle steht.
  • Wenn mehr als ein Verfahren Teile aus demselben Material herstellen kann, wird der Auswahlprozess zu einem Kosten-/Eigenschaftsvergleich.
  • Bei funktionalen Polymerteilen sind Thermoplaste (SLS oder FDM) den Duroplasten vorzuziehen.
  • Für das optische Erscheinungsbild und die Ästhetik sind Duroplaste (SLA/DLP oder Material Jetting) die beste Option.
  • Für Metallteile wählen Sie DMLS/SLM für Hochleistungsanwendungen und Binder Jetting für niedrigere Kosten und größere Teile.
  • Bei Funktionsteilen aus Metall oder Kunststoff ist auch die CNC-Bearbeitung zu berücksichtigen.

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