3D-Druck & additive Fertigungsverfahren bei Formicore

Beim 3D-Druck Fertigungsverfahren Fused Filament Fabrication (FFF) wird ein Kunststofffilament in einem Druckkopf aufgeschmolzen.
Ein Positioniersystem verfährt den Druckkopf präzise im gesamten Bauraum.
Je nach Bauteil wird der aufgeschmolzene Werkstoff an den benötigten Stellen extrudiert.
Hierdurch wird eine Schicht des Bauteils gefertigt.

Nach Fertigstellung dieser Schicht verfährt die Bauplatform um eine Schichtstärke nach unten, welche je nach Anwendung zwischen  20 µm oder 200 µm beträgt.
Durch schichtübergreifende Diffusion der Polymerketten entsteht somit ein stoffschlüssiges Bauteil.

Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der Bauprozess abgeschlossen ist und das Bauteil entnommen werden kann.

Die Bandbreite an einsetzbaren Polymeren ist bei diesem 3D-Druck Verfahren sehr vielseitig, sodass für jede Anwendung ein passender Werkstoff gefunden werden kann.
Generell sind alle thermoplastischen Polymere, die sich gezielt aufschmelzen lassen verarbeitbar.

Durch einen Kohle- oder Glasfaseranteil erfahren bestimmte Werkstoffe eine enorme Steigerung bezüglich Steifigkeit, Temperaturbeständigkeit und Festigkeit.

Außerdem sind in unserem Materialspektrum flexible, elastomerähnliche Materialien vorhanden, mehr unter Materialien.

Aufgrund des schichtweisen Aufbaus können mit der FFF-Technologie sämtliche Formen und Geometrien realisiert werden.

Es bestehen Einschränkungen bezüglich minimaler Wandstärken, welche nicht unter 1 mm sein sollten.

Überhänge über 50° werden bei dieser Technologie durch Supportstruktur abgestützt, welche nach der Herstellung einfach entfernt oder ausgewaschen werden.

Gewindeeinsätze oder Muttern können während der Fertigung realisiert werden, sodass diese fest im Bauteil integriert sind.

Die Oberflächenqualität der Bauteile ist von der Orientierung des Bauteils während des Druckjobs abhängig. Ein nachträgliches Finish (Füllern, Schleifen, Lackieren) ist eine unserer Kernkompetenzen.

Die mechanischen Eigenschaften der hergestellten Bauteile sind dabei hierbei in vertikaler Richtung niedriger als in horizontaler Belastungsrichtung (Anisotropes Werkstoffverhalten). Durch die richtige Orientierung der Bauteile im Bauraum kann diesem Verhalten jedoch entgegengewirkt werden. Vor allem für schnelle Funktionsüberprüfung für das Rapid Prototyping ist dieses Verfahren kostengünstig und effizient.

Die 3D-Druck Technologie MultiJet Fusion (MJF) basiert auf feinem pulverförmigem Ausgangsmaterial mit einer Korngrößenverteilung im µm-Bereich.
Der Bauraum der Anlage wird hierbei bis kurz unter die Schmelztemperatur des Werkstoffs erhitzt.

Die Maschine bringt über einen extrem präzisen Druckkopf verschiedene sogenannte Agents auf die einzelnen Schichten auf.
Je nach Agent findet durch eine Infrarot-Belichtung eine Verschmelzung und somit Verbindung der einzelnen Layer statt.
Dabei reicht ein geringer Energieeintrag aus, um eine stoffschlüssige Verbindung der einzelnen Schichten zu erzeugen.

Anschließend wird die Bauplattform um eine Schichtstärke nach unten gefahren und anschließend eine neue Schicht Pulvermaterial aufgebracht.
Die Schichtstärke beträgt hierbei 80 µm, sodass eine hohe Oberflächenqualität erreicht wird.

Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis der Bauprozess abgeschlossen ist.
Nach Abkühlung des Bauraums werden die Werkstücke vom Restpulver entfernt und können nach Belieben nachbearbeitet und veredelt werden.

Zu den einsetzbaren Werkstoffe zählen Polyamid 11, Polyamid 12 sowie TPU, weitere Informationen finden Sie unter Materialien.

Das verbleibende Pulver kann teilweise wiederverwendet werden, sodass keine Materialverschwendung auftritt und eine ressourcensparende und nachhaltige Fertigung ermöglicht.

Bei diesem Verfahren werden keine Supportstrukturen benötigt, da Überhänge durch das Pulvermaterial abgestützt werden.

Außerdem können durch diese additive Fertigungstechnologie sehr filigrane Geometrien gefertigt werden, wodurch komplett neue Einsatzmöglichkeiten für die Produktentwicklung entstehen.

Die Produktivität des Mutlijet-Fusion ist unübertroffen, da der komplette Brauraum mit Bauteilen gefüllt werden kann.
Somit eignet sich dieses Verfahren auch für die Herstellung von additiv gefertigten Serienbauteilen in Stückzahlen bis zu 10.000 Stück.

Im Vergleich zum Selektiven Lasersintern führt die Jet Fusion Technologie zu einer höheren Dichte der Bauteile und zu einer deutlich verbesserten Bruchdehnung, speziell in Z-Richtung.

Die Produktivität ist ebenfalls um ein Vielfaches höher, da die Verfestigung des Bauteils nicht selektiv, sondern flächig erfolgt.
Dieser Vorteil führt zu einer Steigerung der Taktzeiten und dadurch auch zu einer deutlich wirtschaftlicheren Fertigung mittels additive manufacturing.

Der Prozess des Multijet-Fusion führt zu vollständig isotropen Bauteileigenschaften.
Dies bedeutet, dass die Festigkeit und Steifigkeit der hergestellten Bauteile in jeder Raumrichtung die gleichen Werte besitzt. 

Das Inkjet-Verfahren (IJ) verwendet zur Herstellung der Modelle ein photosensitives Harz.
Ein Druckkopf bringt den Werkstoff in extrem dünnen Schichten von 32 µm in einer enormen Präzision auf.
Diese werden durch eine anschließende UV-Belichtung direkt verfestigt und ausgehärtet.
Die Bauplattform fährt nach einer abgeschlossenen Schicht nach unten und der Vorgang wird wiederholt.

Das Inkjet Verfahren arbeitet mit einem Harz, welches bei UV-Belichtung aushärtet.
Das Harz wird hierbei durch Zugabe von Farbstoffen während dem Prozess eingefärbt.

Die mechanischen Eigenschaften des Harzes ist vergleichbar mit dem Kunststoff ABS.

Aufgrund des eingesetzten Druckkopfs können die Modelle in Vollfarbe hergestellt werden, wobei mehr als 10 Millionen Töne des Farbspektrums abgebildet werden können.
Außerdem bietet das Inkjet-Verfahren die Möglichkeiten von teil- und volltransparenten Bereichen.

Im Bereich der additiven Fertigung bietet dieses Verfahren die beste Oberflächenqualität.

Hierdurch können Ihre Modelle fotorealistisch hergestellt werden und eignen sich vor allem für das Rapid Prototyping von Design- und Messemodelle.

Das Laserbasierte Fertigungsferfahren SLM (Selektives Laserstrahlschmelzen) verwendet als Grundmaterial Metallpulver.
Dieses wird durch einen Laserstrahl selektiv aufgeschmolzen und führt zu einer Verfestigung und Verbindung der einzelnen Schichten.
Nach Herstellung einer Schicht wird die Bauplatte um eine Schichtstärke nach untern gefahren. Anschließend trägt ein Rakel eine neue Schicht Metallpulver auf.
Dieser Vorgang wiederholt sich bis das Bauteil hergestellt wurde.

Der komplette Prozess findet unter einer Schutzgasathmosphäre statt, welche auf Stickstoff oder Argon besteht.
Dies verdrängt den Sauerstoff aus der Umgebung und verhindert eine Oxidation und somit das Brennen bzw. explodieren von reaktiven Materialien (Titan, Aluminium). Der gesamte Bauraum des Druckers wird dabei beheizt, was zu einer Reduzierung der Temperaturgradienten und einer Verringerung des Verzugs führt.

Als Metallpulver können verschiedenste Legierungen aus Stahl, Aluminium, Titan und viele mehr eingesetzt werden.

Dabei muss je nach Anwendung unterschieden werden welcher Werkstoff für die Anwendung am besten geeignet ist.

Das Verfahren benötigt zwingend Supportstrukturen welche das Bauteil in Position hält und ebenso die enorme Temperatur vom Bauteil weg in die Bauplatte führt.
Durch die hohen Temperaturgradienten und dadurch resultierenden Spannungen kann es zu einem Verzug des Bauteils kommen.

Deshalb muss das Bauteil meist für die additive Fertigung konstruiert und ausgelegt werden. In den meisten Fällen macht es kaum Sinn ein zuvor konventionell gefertigtes Bauteil mittels SLM herzustellen. Diese Konstruktionsmethodik wird als Design for Additive Manufacturing bezeichnet.

Durch die Designfreiheit bei diesem Verfahren können Leichtbaustukturen mittels Topologie- oder Formoptimierung hergestellt werden. Jedoch immer unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit des Bauteils.

Das Verfahren eignet sich zur Herstellung von Endbauteilen und ebenso für das Rapid Prototyping.
Wenn gewisse Toleranzen eingehalten werden müssen, erfolgt eine Fräsbearbeitung des erstellten Bauteils.

Das sogenannte Stereolithigrafie-Verfahren (STL) war das erste additive Fertigungsverfahren.
Es basiert auf einem flüssigen Grundmaterial, welches meist ein photosensitives Duromerharz ist.

Dabei befindet sich der Werkstoff in einer Wann, welcher mit dem Material gefüllt ist. Ein Laserstrahl oder eine UV-Lampe härten den Werkstoff selektiv oder flächig aus, was zu einer Verfestigung führt.

Die Orientierung des Bauteils und der Bauplatte ist je nach Maschine und Verfahren unterschiedlich.
Das Bauteil kann dabei vertikal nach oben oder an der Bauplatte hängend nach unten gefertigt werden.

Nach Fertigstellung des Baujobs ist das Bauteil noch nicht vollständig ausgehärtet, sodass die Reaktion zum Duromer noch nicht abgeschlossen ist.
Somit muss das Modell in einer UV-Kammer nachträglich ausgehärtet und getrocknet werden.
Vor der Aushärtung werden Supportstrukturen entfernt.

Das STL-Verfahren verwendet immer photosensitive, das heißt lichtempfindliche Harze.
Diese sind je nach Werkstoff sehr beständig, wobei sie meist ein relativ sprödes Verhalten aufweisen.

Das STL-Verfahren führt zu einer ausgezeichneten Oberflächenqualität.
Außerdem können sehr filigrane Strukturen, abhängig vom Laserstrahldurchmesser realisiert werden.

Auch bei diesem Fertigungsverfahren müssen Supportstrukturen verwendet werden, um das Teil in Position zu halten und ein Wegschwimmen zu verhindern.
Mittels STL können transparente und transluzente Bauteile realisiert werden, jedoch nur in einer Farbe.
Das Verfahren wird oft im Bereich Prototypenbau mittels 3D Druck und im Individualisieren von Bauteilen eingesetzt.

Das Selektive Lasersintern basiert auf feinem weißem Kunststoffpulver. Der Unterschied zum HP Jet Fusion ist dabei die Verfestigung des Werkstoffs.
Es wird hierbei nicht flächig, sondern selektiv belichtet.
Der Bauraum des 3D-Druckers wird dabei bis kurz unter die Schmelztemperatur des Werkstoffs erhitzt.
Der Laserstrahl startet selektiv an den gewünschten Stellen einen Sinterprozess, welcher die Schichten aushärtet.
Nach Durchgang einer Schicht wird die Bauplatte um eine Schichtstärke gesenkt und eine neue Schicht Polymerpulver aufgetragen.

Der am meisten verbreitete Werkstoff beim Selektiven Lasersintern ist PA 12 oder PA 11. Außerdem kann auch TPU mittels SLS verarbeitet werden.

Das SLS-Verfahren benötigt keine Stützstrukturen, sodass Überhänge durch das Pulver im Bauraum abgestützt werden.

Dabei kann der komplette Bauraum gefüllt werden, sodass eine gute Produktivität entsteht.
Nach Abschluss des Druckvorgangs muss das nicht verwendete Pulver abgesaugt werden. Dieses kann nach Mischung mit Frischpulver und nach einer Überprüfung des rheologischen Verhaltens wiederverwendet werden.

Das Selektive Lasersintern findet Anwendungen im Bereich Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing sowie im Mass Customization von Endnutzerbauteilen.