Glossar. Definition und Bezeichnungen

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1 Glossar Definition und Bezeichnungen Die pauschal als 3D-Druck beschriebenen Verfahren erstellen aus einem beliebig vorgegebenen Entwurf unmittelbar ein dreidimensionales Objekt zum Anfassen. Der Entwurf muss in Form eines Datensatzes vorliegen. Das können zum Beispiel Daten aus einem Laserscan, einem MRT-Schichtbild oder einer CAD-Konstruktion sein. Man könnte vereinfacht sagen: Ein Computer steuert einen Roboter, der jedes gewünschte Teil fertigt. Im Unterschied zu herkömmlichen Fertigungsverfahren (Fräsen, Drehen, Bohren, Umformen, Gießen), wo zum Beispiel der gewünschte Gegenstand aus einer Urform, einem Materialblock herausgearbeitet wird oder in einer oder um eine Gussform gegossen wird, (Spritzguss) ist der Druck-Roboter enorm vielseitig. Er kann in gewissen Grenzen beliebig geformte oder konstruierte Gegenstände aufbauen, insbesondere solche mit Hohlräumen und komplexen Geometrien.. Der Vorgang beruht darauf, dass das vorgegebene Material schichtweise aufgetragen, hinzugefügt, abgelagert und durch ein Bindemittel (ein Kleber) oder durch Energieeintrag (Verschmelzen)) verbunden wird. Für diese Technik kursieren verschiedene Bezeichnungen, die alle ihre Berechtigung haben. Man spricht wegen des schrittweisen Aufbringens von Material generell von additiver Fertigung oder generativen Fertigungsverfahren. Die Bezeichnung 3D- Druck rührt daher, dass in manchen Technologien Kleber und Farbe tatsächlich wie aus dem Druckkopf eines Tintenstrahldruckers aufgetragen werden. Aus den Anfängen der Technik stammt die Bezeichnung rapid prototyping, da die Resultate dieser Fertigungstechnik vergleichsweise schnell hergestellte Modelle (Prototypen) darstellten. Wenn brauchbare Produkte hergestellt werden (sollen), spricht man von rapid manufacturing. Verfahren Es gibt eine Reihe (etwa 10, sagen die Experten) verschiedener generativer Fertigungstechnologien. Der wichtigste Unterschied betrifft die Bereitstellung des Materials: Pulverbettverfahren und andere. Bei den Pulverbettverfahren sind die wichtigsten: 1

2 3D-Druck Ein gipsähnliches Pulver wird schichtweise aufgetragen, auf jeder Schicht verteilt ein Druckkopf einen Kleber, evtl. mit Farbe vermischt, längs der von Daten vorgegebenen Kontur. Die bedruckte Kontur härtet aus, während die nächste Schicht aufgelegt wird. Das fertige Modell be Werkstück wird am Ende des Druckvorgangs aus dem nicht verschmolzenen Gipspulverbett herausgelöst und mit einem Kunstharz fixiert. Laser-Sintern Ausgangsmaterial ist ein Kunststoff- oder Metallpulver. Wie beim 3D-Druck wird das Pulver schichtweise aufgetragen. Ein Laserstrahl erhitzt und verschmilzt das (vorgeheizte) Material längs der vorgegebenen Kontur. Er ersetzt quasi den Binder oder Kleber. Auch hier muss das fertige Werkstück am Ende von dem umgebenden nicht verschmolzenen Pulver befreit werden. Nicht mit Pulver arbeiten die vergleichsweise kostengünstig angebotenen Heimdrucker, sondern mit dem so genannten Fused Deposition Modelling hier wird eine Kunststoffschmelze aus einer Düse längs der vorgegebenen Kontur gepresst. So, als würde man mit Zahnpasta zeichnen. Stereo-Lithographie hierbei wird ein flüssiges Kunstharz schichtweise aufgetragen und mit einem Laser ausgehärtet. Dies ist die ursprüngliche Technik (1986 patentiert). Laser Cladding ein Metallpulver wird in den Laserstrahl gesprüht und mit einem Gasstrom auf die Unterlage verbracht und verschmolzen, das Objekt auf diese Weise wieder schichtweise aufgebaut. 2

3 Material Sowohl Kunststoffe (meist ABS und Abwandlungen) als auch Metalle (Aluminium, Titan, Kupfer Nickel) sind teilweise erprobte Grundmaterialien. Vor- und Nachteile Die Stärke der generativen Fertigungsverfahren liegt hauptsächlich in der großen Designfreiheit. Ein Entwurf kann quasi direkt vom Reißbrett (CAD Programm) in einem Drucker realisiert werden. Damit sind Prototypen wesentlich schneller zu erstellen als im klassischen Modellbau. Außerdem eignet sich diese Fertigungsart zum Aufbau komplexer Strukturen, etwa solche mit vielen Hohlräumen, zum Beispiel Düsen oder Strömungskanälen. Da häufig Werkstücke mit Hohlräumen teilweise sogar eine größere Festigkeit als massive Werkstücke aufweisen, resultieren Leichtbauteile und damit Energie- und Kostenersparnis. Auf der anderen Seite steht der hohe Zeitaufwand für jedes Einzelstück, so dass das rapid manufacturing für Großserien noch nicht geeignet ist. Auch macht die mangelnde Präzision mancher Techniken der additiven Fertigung häufig eine aufwändige Nachbearbeitung notwendig. Schließlich ist die Größe der herstellbaren Teile noch sehr begrenzt und lohnt sich auch nur, wenn sich solche Teile anders nicht herstellen lassen Spektakuläre Anwendungen Der Erfinder Enrico Dini hat einen Drucker für ein Haus gebaut. (Hat schon als Kind leidenschaftlich Sandburgen gebaut) Das Projekt ist spektakulär, aber nicht überzeugend. Man kann es als Kunst oder Machbarkeitsstudie verbuchen. Im James Bond Film Skyfall wird ein 3D gedrucktes Modell des legendären Aston Martin Sportwagens verwendet. Ein gedrucktes Netzkleid, aus 17 Einzelteilen zusammengenäht, fand den Einzug ins Feuilleton. 3

4 Ängste vor zunehmender Kriminalität schürten den Medienhype um eine mit 3D Druck hergestellte Plastikpistole. Gern vorgeführt wird auch eine Geige aus dem 3D-Drucker. Gabor Forgacs hat auch schon ein aus lebenden Zellen gedrucktes synthetisches Kotelett(chenchenchen) gebraten und verspeist. (TEDMED 2011) Work in Progress. Barilla arbeitet an einem Nudeldrucker. Seriöse Anwendungen Angewendet werden die 3D-Druck- Verfahren bereits hauptsächlich in der Medizinindustrie und der Dentaltechnik. Dabei kommt der Vorteil der Fertigung individueller Einzelteile zum Tragen, zum Beispiel beim Zahnersatz; andere Beispiele: einer an Krebs operierten Katze wurde ein künstliches Kniegelenk aus dem 3D-Drucker implantiert. Ein Berliner Tierarzt übte eine Hüft-OP an einem Dackel mithilfe eines Beckenknochenmodells aus dem Drucker. In Luft und Raumfahrt und der Autoindustrie nutzte man bisher überwiegend die Vorteile dieses Verfahrens zur kostengünstigen Herstellung von Modellen. Langsam findet die Technik auch Einzug in die Kleinserienfertigung von Kleinteilen, zum Beispiel Gelenken für die Abdeckung von Triebwerksaufhängungen oder Teilen von Turbinenschaufeln. Innovation und Forschung Es gibt nicht den Universaldrucker, der mit Daten und Material gefüllt wird und dann das Gewünschte druckt. Material, Verfahren und Produkteigenschaften müssen jeweils aufeinander abgestimmt sein. Das bedingt für jedes neue Material, jedes neue Produkt Experimente und Studien. Die Prozessführung muss optimiert, die Produkteigenschaften charakterisiert werden. Entsprechen sie den Anforderungen, und Sicherheitsvorschriften? Dazu kommt die Entwicklung von Software zur Simulation der jeweiligen Prozesse sowie der gesamten Fertigungskette. Die europäische Luft und Raumfahrtindustrie kooperiert dazu in einem20-millionen-euro- Forschungsverbund (AMAZE) mit Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industriepartnern. Fernziel ist auch die Herstellung großer 4

5 Teile mithilfe additiver Fertigungsverfahren. Mitbeteiligt ist auch der an der Uni Erlangen angesiedelte SFB 814 additive Fertigung. Dort konzentriert man sich auf die Entwicklung neuer Materialien und die Erprobung eines alternativen Verfahrens: des Elektronenstrahlschmelzens. Dabei wird das Materialpulver nicht mit einem Laser, sondern mit einem Elektronenstrahl aufgeschmolzen. Derzeit laufen Untersuchungen an Titan-Aluminiden. 5