Die additive Fertigung entwickelt sich ständig weiter: neue Verfahren kommen auf den Markt oder bestehende Prozesse werden optimiert. Wie beispielsweise der FDM-Druck mit variablen Schichthöhen funktioniert oder Glasbauteile in einem einzigen Schritt generiert werden, erfahren Sie hier.

Bei der nicht-planaren additiven Fertigung können die generierten Schichten frei im Raum angeordnet und gekrümmt sein. Die variable Schichthöhe wird dabei durch gezielte Variation des Materialaustrags erreicht. (Bild: IKV)

Durch die schichtweise Herstellung von Bauteilen bietet die Additive Fertigung einen hohen Grad an geometrischer Freiheit. Bisher sind diese Schichten immer planar ausgebildet und parallel zur Bauplattform angeordnet. Dadurch entstehen Nachteile hinsichtlich der Oberflächenqualität der Bauteile (Treppenstufeneffekt). Auch begrenzt die Haftung der einzelnen Schichten die Belastbarkeit in Aufbaurichtung, sodass die mechanischen Bauteileigenschaften anisotrop sind. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wurde am Institut für Kunststoffverarbeitung (IKV) an der RWTH Aachen ein Extrusionsverfahren für die nicht-planare additive Fertigung von Kunststoffteilen mit variabler Schichthöhe entwickelt.

Bei der nicht-planaren additiven Fertigung werden die exakte Bauteilform sowie die vorliegenden Lastfälle bei der Berechnung des Maschinencodes berücksichtigt. Die so generierten Schichten können frei im Raum angeordnet und gekrümmt sein. Dies gilt sowohl für die Schichten an den Bauteilaußenseiten zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Oberflächen als auch für alle Schichten innerhalb des Bauteils. Letzteres ermöglicht die gezielte Ausnutzung der technologiebedingten Anisotropie durch lastpfadgerechte Auslegung der einzelnen Kunststoffstränge. Die variable Schichthöhe, die durch gezielte Variation des Materialaustrags erreicht wird, ermöglicht hierbei den lückenlosen Übergang zwischen unterschiedlichen Krümmungen und Orientierungen. Es konnte gezeigt werden, dass sich mit dieser Methode der Bahnplanung die Oberflächenrauheit im Vergleich zur konventionellen additiven Fertigung mittels Fused Deposition Modeling (FDM) um bis zu 76 % reduzieren lässt.

Das kleine Glasbauteil mit Gitterstruktur entstand in wenigen Minuten aus so genannten Glassomer-Materialien im Computed Axial Lithography (CAL)-Verfahren. (Bild: University of California, Berkeley)

Die Universität Freiburg hat in Kooperation mit der University of California in Berkeley ein neuartiges Verfahren entwickelt, mit dem sich sehr kleine Bauteile aus transparentem Glas schnell und präzise per Mikro-3D-Druck herstellen lassen. Die neue Technologie basiert auf so genannten Glassomer-Materialien, die am Institut für Mikrosystemtechnik (IMTEK) der Universität Freiburg entwickelt und in die Glassomer GmbH ausgegründet wurden. Die Materialien bestehen aus Glaspulver in einem speziellen Kunststoff-Binder. Bei dem neuen, Computed Axial Lithography (CAL) genannten Verfahren der University of California entsteht das Bauteil in einem einzigen Schritt: Ein Gefäß mit flüssigem, lichtempfindlichen Material wird hierfür aus vielen verschiedenen Winkeln mit zweidimensionalen Lichtbildern des zu druckenden Objekts belichtet. Wo die Bilder sich überschneiden und die absorbierte Lichtmenge dadurch lokal einen gewissen Schwellwert überschreitet, härtet das Material schlagartig aus – innerhalb weniger Minuten ist das Bauteil geformt. Das überschüssige, noch flüssige Material kann abgewaschen werden.

Die Freiburger Wissenschaftler kombinierten die Glassomer-Materialien mit dem neuen 3D-Druckverfahren aus Berkeley. Dafür entwickelten sie ein Material aus Glaspulver und Kunststoff, das sowohl sehr lichtdurchlässig ist als auch bei einem geeigneten Schwellwert schnell aushärtet. Die Anlagentechnik wurde an der University of California dahin weiterentwickelt, dass auch feine Strukturen möglich sind. So konnte erstmals Glas mit Strukturen im Bereich von 50 Mikrometern in wenigen Minuten gedruckt werden. Die Bauteile bestehen aus 100 Prozent hoch transparentem Quarzglas und haben eine glatte Oberfläche.

Bei der VLM-Technologie werden dünne Schichten hochviskoser Harze auf eine transparente Trägerfolie laminiert und anschließend belichtet. Sie soll die Massenproduktion von duroplastischen Funktionsteilen ermöglichen. (Bild: BCN3D)

Der spanische 3D-Drucker-Hersteller BCN3D erweitert mit der Viscous Lithography Manufacturing (VLM)-Technologie den harzbasierten 3D-Druck. Bei diesem patentierten lithographiebasierten Verfahren werden dünne Schichten hochviskoser Harze auf eine transparente Trägerfolie laminiert und anschließend belichtet. Dabei kommen Harze zum Einsatz, die 50-mal zähflüssiger sind als der Industriestandard. Durch die Filterung und Rückführung des Harzes wird jeder Tropfen Harz zu einem gedruckten Teil. Das mechanische System erlaubt es, das Harz auf beide Seiten der Folie zu laminieren. Das beschleunigt die Druckzeiten und ermöglicht die Kombination verschiedener Harze, um Teile aus mehreren Materialien oder leicht zu entfernende Stützstrukturen zu produzieren. Durch die Verwendung einer Lichtquelle, die aus UV-Licht und einem LCD-Bildschirm besteht, liefert VLM eine konstante Belichtungszeit pro Schicht. Eine Bauraumvergrößerung kann einfach durch einen größeren Bildschirm erfolgen.

VLM verwendet Einkomponenten-Harzformulierungen bei Raumtemperatur, um Einschränkungen der Topfzeit zu vermeiden und die Rüstzeiten zu verkürzen. Im Rahmen einer Entwicklungsvereinbarung arbeiten der Materialhersteller Arkema und BCN3D gemeinsam an neuen Materialien, die die Vorteile des VLM nutzen sollen. So werden beispielsweise duroplastische Harze verarbeitet, die eine dreifach höhere Schlagzähigkeit im Bauteil und eine um 200 Prozent höhere Reißfestigkeit im Vergleich zu Standardformulierungen der Industrie aufweisen.

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Der Metall-3D-Drucker AZ600 schmilzt Schweißdraht mit einem Laserstrahl um hochwertige 3D-Strukturen zu erzeugen. (Bild: Mitsubishi Electric)

Mitsubishi Electric hat mit der Draht-Laser-Technologie eine neue Metall-3D-Druck-Technologie auf den Markt gebracht. Mit der neuen Technologie sollen die Nachteile der Pulverbett-Technologie, wie Materialmanagement, Verarbeitbarkeit und Sicherheit umgangen werden. Das Verfahren ähnelt der WAAM-(Wire Arc Additive Manufacturing)-Technologie. Die zwei Modelle des neuen Metall-3D-Druckers AZ600 kombinieren ebenfalls den Schweißprozess mit einer simultanen 5-Achs-Steuerung. Jedoch wird hier laut Mitsubishi Electric Schweißdraht mit einem Laserstrahl geschmolzen, um hochwertige 3D-Strukturen zu erzeugen.

Der Industrie-Hochtemperatur-3D-Drucker AON M2+ verfügt über eine unabhängige Doppelextrusion für den 3D-Druck im Duplizier- und Spiegelungsmodus. (Bild: AON3D)

Um dem steigenden Bedarf von Fertigungsstandorten gerecht zu werden, verdoppelt der kanadische 3D-Druckerhersteller AON3D die Druckleistung seiner neuen und bestehenden Hochtemperatur-3D-Drucker AON M2+ durch einen Duplizier- und Spiegelungsmodus. In Kombination mit thermoplastischen Hochleistungskunststoffen wie PEEK, PEKK und ULTEM sollen so langlebige einsatzfertige Teile in großem Maßstab in der Hälfte der Zeit produziert werden können. Wie AON3D mitteilt, wird der FDM-3D-Drucker AON M2+ durch das Independent Dual Extrusion (IDEX) System in der Lage sein, zwei gleiche oder spiegelbildliche Teile gleichzeitig zu drucken. Das IDEX-System soll auch mehr Gestaltungsfreiheit bieten und große interne Geometrien sowie nichtlineare Löcher mit wasserlöslichen Supportstrukturen drucken können.

Treppenstufenartefakte – wie in Bild (a) sichtbar – stören nicht nur optisch, sondern können auch für den Druck nachteilig sein. Bestehende Techniken zur Minimierung von Quantisierungsfehlern vermeiden diese nur teilweise (b). Die neue Shape Dithering Methode (c) hingegen entfernt Treppenstufenartefakte vollständig. (Bild: Fraunhofer IGD)

Das Fraunhofer-Institut für Graphische Datenverarbeitung IGD hat mit dem Shape Ditheringeine eine algorithmische Methode für Polyjet-Drucker entwickelt, mit der Treppenstufeneffekte an gedruckten Teilen nicht mehr wahrnehmbar sind. Indem Quantisierungsfehler minimiert werden, liegen die Treppenstufen weit unter den physikalischen Effekten des Druckprozesses. Das Ergebnis ist eine gleichmäßigere und glattere Oberfläche der Objekte. Um das gewünschte Ergebnis zu erhalten, wird nach Angaben des Fraunhofer IGD die Oberfläche des Objekts mit einem hochfrequenten Signal, beispielsweise mit blauem Rauschen, moduliert. Dadurch erfolgt eine Verteilung der Quantisierungsfehler auf hohe Frequenzen, die dann später durch das menschliche Auge und viele Druckprozesse entfernt werden.

Das Verfahren könnte beispielsweise in der Unterhaltungsbranche eingesetzt werden. Für animierte Filme, Videospiele oder für Gesellschaftsspiele werden häufig Figuren und Objekte 3D-gedruckt. Im Gegensatz zu bisherigen Verfahren profitieren diese durch den Shape-Dithering-Ansatz von geometrischer und farblicher Präzision und erscheinen so besonders realistisch. Als rein algorithmische Methode kann das Dithering-Verfahren mit unterschiedlichen Polyjet-3D-Druckern genutzt werden.

Jetzt gelingt der 3D-Druck haarfeiner und komplexer Glasteile

Sechs neue 3D-Druck-Verfahren, die die Bauteilfertigung bereichern

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