Schichtbau

Die wichtigsten Verfahren im Überblick

Auf der Euromold bilden die generativen Schichtbau-Technologien traditionell einen großen Themenschwerpunkt. SCOPE-ONLINE nimmt dies zum Anlass, die für den industriellen Bereich wichtigsten Prototypen- und Fertigungsverfahren dieser jungen Branche vorzustellen.

Auf den ersten Blick erscheint es recht einfach, sich einen aktuellen Überblick über das Angebot der generativen Schichtbau-Verfahren zu verschaffen. Denn inzwischen haben Firmenübernahmen und Marktverschiebungen dazu geführt, dass es der professionelle B2B-Anwender hier nur noch mit einigen wenigen Anlagenbauern – allen anderen voran Stratasys, 3D Systems und EOS – zu tun hat. Allerdings stiften inzwischen eine Fülle netter Produktnamen (die oft ein und dasselbe meinen) Verwirrung. Und haben die Anlagenbauer der Branche bis vor kurzem noch zwischen Verfahren fürs Rapid Prototyping und solchen fürs Rapid Manufacturing unterschieden, so propagieren deren Marketingstrategen nun einen einzigen Oberbegriff für alle Verfahren – und der heißt ausgerechnet „3D-Printing“. Keine gute Wahl, finden wir. Denn zum einen wird in einigen Schichtbauverfahren gar nichts „geprintet“ – eher belichtet und gesintert – und zum zweiten verwässert damit die begriffliche Grenze zu den einfachen 3D-Printern für den Consumerbereich, die seit einigen Monaten in den Hobby- und Bastlermarkt drängen (z.B. Mojo, Cube).

Für den professionellen Anwender, also für das industrielle Rapid Prototyping und die Serienfertigung – auch E- oder Rapid Manufacturing genannt – geben die Schichtbauverfahren Stereolithographie (SLA), Selektives Lasersintern (SLS) und Fused Deposition Modeling (FDM) den Ton an. Daneben gibt es noch allerlei Nischen-Verfahren, von denen das Multi-Jet-Printing (MJP) und die ursprünglich mal als 3D-Printing bezeichnete „Gips-Binder-Tintenstrahl-Technik“ der Z Corporation erwähnenswert sind – letztere lebt heute weiter in den kleinen Professional 3D Printern der Projet-Serie von 3D Systems. Festzuhalten ist außerdem, dass es derzeit nur ein Schichtbau-Verfahren gibt, mit dem sich metallische Prototypen, Serienteile oder auch Werkzeugeinsätze generativ fertigen lassen: Das selektive Metall-Lasersintern (SLM). Alle anderen Techniken bauen in Kunststoff.

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Wer nun den Einstieg in die Schichtbau-Technologie plant und nicht in die Kostenfalle tappen will, sollte genau wissen, was er braucht. Eine Designer-Werkstatt, die nur vereinzelt Anschauungsmodelle fertigen möchte, wird hier zu einer anderen Antwort finden als der Engineering-Dienstleister, von dem im großen Stil belastbare Funktionsprototypen erwartet werden oder ein klassischer Kunststoff-Verarbeiter, der übers Prototyping hinaus ein Verfahren für die Kleinserien-Produktion sucht. Der Weg zu passenden Anlagen mit dem geeigneten Verfahren führt über Beratungsgespräche, Testläufe und Benchmarks.

All jenen Anwendern, die in frühen Phasen eines Entwicklungsprojekts erste Konzept- und Ansichtsmodelle benötigen, sei vorrangig ein Blick auf die bereits erwähnten Professional 3D Printer von 3D Systems sowie die Objet Printer von Stratasys empfohlen. Beides sind relativ preiswerte Kompaktgeräte-Lösungen, mit denen sich – mitunter verblüffend schnell – ein- oder mehrfarbige Modelle zur dreidimensionalen Visualisierung von Design-Entwürfen für Orientierungs- und Abstimmungsgespräche im Entwicklungsteam anfertigen lassen. Auch Präsentation und Ausbildung sind typische Einsatzgebiete. Je nach Verfahren muss sich der Anwender aber mehr oder weniger kompromissfähig hinsichtlich der Festigkeit und Oberflächenqualität seiner Erstlingswerke zeigen. Für belastbare Funktionsprotopen oder gar Serienteile sind diese Anlagen nicht ausgelegt. Zudem fällt die dafür verfügbare Werkstoff-Palette eher bescheiden aus.

Wer seinen Prototypen mehr abverlangt, muss sich der Stereolithografie (SLA), dem Lasersintern (SLS) oder dem Fused Deposition Modeling (FDM) zuwenden. Alle drei Verfahren haben ihre Stärken und Schwächen; grundsätzlich aber eignen sich alle zur Realisierung belastbarer Funktionsmodelle für serien- und realitätsnahe Testreihen und Einbauversuche. Sie gelten sowohl als Verfahren für die Reifephasen einer Produktentwicklung als auch für die Herstellung von Serienteilen ab Losgröße 1. Die physikalische und optische Qualität der mit diesen Techniken realisierten Bauteile erreicht inzwischen ein so hohes Niveau, dass sie im Bereich polymerer Kleinserien mit traditionellen Verfahren der Kunststoffverarbeitung konkurrieren können. Es lassen sich geometrisch hochkomplexe Bauteile mit sehr guter Oberflächenqualität damit realisieren. Und das inzwischen mit zum Teil beachtlichen Abmessungen, denn die Anlagen von EOS, 3D Systems und Stratasys verfügen über stattliche Bauräume.

Worin unterscheiden sich nun die Technologien? Vereinfacht formuliert: Das Lasersintern baut die Prototypen mit Hilfe von CO2 oder Faserlasern aus Polymerpulvern. Die Stereolithografie lässt die Modelle mit Hilfe der Lasertechnik in einem Bad aus photoreaktiven Duo- oder Elastomerharzen heranwachsen. Und beim FDM bestehen die Teile aus thermisch verschmolzenen ABS- oder PC-Lagen. Die große Stärken der Stereolithografie liegen in der Produktivität der Anlagen, der sehr hohen Oberflächenqualität der Teile und der inzwischen großen Auswahl an modifizierten Kunststoffen. Ähnliches gilt für das Selektive Lasersintern, wobei die fertigen Bauteile höhere Festigkeiten aufweisen, rauere Oberflächen haben und für den Schichtbau-Prozess keine Stützstrukturen benötigt werden. Beide Verfahren - SLA und SLS - sind prädestiniert für die Serienproduktion. Das FDM spielt hier zwar ebenfalls mit, ist aber verfahrensbedingt langsamer und nutzt eine geringere Werkstoffpalette.

Womit wir bei einem entscheidenden Aspekt der Investitionsentscheidung wären: Dem Werkstoff-Angebot. Je mehr Werkstoffe für ein Verfahren zur Wahl stehen, desto flexibler lässt sich die Schichtbau-Anlage nutzen. Und da geht inzwischen einiges: Verschiedene Festigkeiten, transparente Materialien, diverse Farben (auch Schwarz) sowie flexible, sterilisierbare oder besonders temperaturstabile Kunststoffe – um nur einige Beispiele nennen. Die breiteste Werkstoff-Auswahl bietet derzeit die Stereolithographie.

Vor allem auf dem Gebiet der Werkstoff-Auswahl entwickelt sich die Schichtbau-Technik sehr dynamisch. Die Werkstoff-Entwickler präsentieren in schöner Regelmäßigkeit neue, modifizierte Kunststoffe für die generativen Verfahren – und erweitern damit Schritt für Schritt die Anwendungsgebiete. Oder soll man besser sagen: Schicht für Schicht? Michael Stöcker

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