3D-Druck verstehen: Verfahren und Hauptmerkmale

Übersicht

Bei der Verwendung von Pulvermaterialien für den 3D-Druck ist das oben erwähnte SLS-Verfahren aufgrund des Einsatzes von Lasern relativ kostspielig. Die Verwendung eines Bindemittels zum Anhaften der Pulverpartikel und zum schichtweisen Aufbau von Formen ist jedoch theoretisch möglich. Am 20. April 1993 wurde Professor Emanuel Sachs und seinem Team am MIT ein US-Patent für "Three-Dimensional Printing Techniques", bekannt als 3DP, erteilt.

Die Erfindung wurde von den damals weit verbreiteten Tintenstrahldruckern inspiriert, bei denen die Tinte in den Patronen durch ein flüssiges Bindemittel ersetzt wurde. Indem dieses Bindemittel mit dem Druckkopf auf ein Bett aus losem Pulver extrudiert wurde, konnten dreidimensionale Objekte gedruckt werden. Durch die Verwendung von Primärfarbbindemitteln und einer präzisen digitalen Farbabstimmung war auch der Farbdruck auf Pulver möglich, ähnlich wie der Farb-Tintenstrahldruck auf Papier.

Dieses 3D-Druckverfahren ist herkömmlichen Druckern sehr ähnlich, und der Patenttitel "3D-Druck" ist einfach und leicht zu verstehen. Zuvor war die 3D-Drucktechnologie als Rapid Prototyping bekannt. Seitdem hat sich der Begriff "3D-Druck" durchgesetzt, und alle Rapid-Prototyping-Technologien werden gemeinhin als 3D-Druck bezeichnet, wobei die Geräte selbst als 3D-Drucker bezeichnet werden.

Im Jahr 2012 definierte die American Society for Testing and Materials (ASTM) dieses 3D-Druckverfahren in ihrer Norm für additive Fertigungsterminologie (ASTM F2792-12a) als "Binder Jetting".

Theoretisch kann das Binder-Jetting-Verfahren für den 3D-Druck verschiedener Pulvermaterialien wie Keramik, Metalle, Gips, Kunststoffe und Sand verwendet werden. 1995 wurde die Z Corporation mit einer Lizenz des MIT gegründet und konzentrierte sich auf die Kommerzialisierung des Binder Jetting mit Gipspulver.

Seit 1997 hat das Unternehmen eine Reihe von Bindemitteldruckern auf den Markt gebracht, darunter den monochromen Einsteigerdrucker ZPrinter 310 Plus und im Jahr 2005 den weltweit ersten 3D-Farbdrucker, den Spectrum Z510, wie in Abbildung 5-31 mit dem Farbdrucker und den gedruckten Modellen dargestellt. Dies war ein bedeutender Schritt in der Entwicklung des 3D-Drucks, der nun lebendig und farbenfroh ist. Im Jahr 2012 wurde die Z Corporation von 3D Systems übernommen, das die Color-Jet-Druckerserie weiterentwickelte.

Die Spezifikationen der derzeit auf der 3D Systems-Website angebotenen Color-Jet-Serie sind in Tabelle 5-1 aufgeführt.

Tabelle 5-1: Offizielle Spezifikationen von 3D Systems für die Drucker der Color-Jet-Serie.

1996 erhielt Extrude Hone Corporation vom MIT eine Lizenz zur Erforschung und Vermarktung von Metallpulvermaterial, das durch Bindemittelausstoß geformt wurde. 1997 wurde das weltweit erste Metallpulver-Bindemittelausstoßgerät, ProMetal RTS-300, vorgestellt.

Im Jahr 2003 ging das Unternehmen ExOne aus Extrude Hone hervor und konzentrierte sich ausschließlich auf die 3D-Druckindustrie. Später brachte es den ersten Sandstein-3D-Drucker der Welt auf den Markt, den S15. Seitdem hat sich ExOne auf das Binder-Jetting von Metall- und Sandsteinmaterialien spezialisiert und wurde allmählich zu einem führenden Unternehmen in der 3DP-Technologie. Abbildung 5-32 zeigt den ExOne Innovent+ Drucker und einige der vom Unternehmen gedruckten Metallmodelle.

Das 1999 gegründete deutsche Unternehmen Voxeljet erhielt ebenfalls eine Lizenz vom MIT und widmet sich der Entwicklung von 3D-Sanddruckern für Gussformen. Das Unternehmen setzt die Binder-Jetting-Technologie ein, um Sandformen für den Einsatz in traditionellen Metallgussverfahren zu drucken.

In den letzten Jahren hat die Bindemittelstrahltechnologie in China zunehmend an Aufmerksamkeit gewonnen, wobei Unternehmen wie Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd., Aisikai Technology Co., Ltd., Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co., Ltd. und Ningxia Sharing Group die Führung übernommen haben.

Darüber hinaus forscht ein Team der Huazhong University of Science and Technology seit 2012 an der Bindemittelstrahltechnologie, wobei es sich zunächst auf den Druck mit Gips, Polymeren und Gusssand konzentrierte und sich derzeit auf die Bindemittelstrahltechnologie für Metall konzentriert. Im Jahr 2017 stellten sie in Zusammenarbeit mit Wuhan Yizhi Technology Co. Ltd. einen Metallbinder-Jetting-Drucker vor, mit dem Materialien wie Edelstahl 316L, 420er Edelstahl, Kupfer und Titanlegierungen.

Nachfolgend finden Sie eine vergleichende Tabelle mit den technischen Details einiger inländischer und internationaler Unternehmen, die die Metallbinderstrahltechnologie entwickeln.

Tabelle 5-2: Vergleichende Tabelle der technischen Details für Metallklebstoff-Sprühumformungstechnologien von ausgewählten inländischen und internationalen F&E-Unternehmen

Verfahren und Merkmale

(1) Verfahren

Betrachtet man das abstrakte Schema des 3DP-Patents von Professor Emanuel Sachs, wie es in Abbildung 5-33 dargestellt ist, werden wichtige Informationen präsentiert: "...produce a layer of bonded powder material..." deutet auf die Erzeugung einer Schicht aus gebundenem Pulvermaterial durch einen schichtweisen Akkumulationsprozess mit Pulvermaterial hin.

Es stellt sich die Frage, wie das Pulver geformt wird: "...Aufbringen eines Bindematerials..." lässt vermuten, dass anstelle eines Lasers ein Bindematerial in ausgewählten Bereichen jeder Schicht verteilt wird, das das Pulver in Form bindet. In der Zusammenfassung wird auch darauf hingewiesen, dass das Material "...weiterverarbeitet werden kann, z. B. durch Erhitzen...", um die Festigkeit zu erhöhen.

Abbildung 5-34 veranschaulicht den 3DP-Prozess, der wie folgt beschrieben wird:

① Datenaufbereitung. Beschaffen Sie ein dreidimensionales Modell des Teils und verarbeiten Sie es in zweidimensionale Scheiben.

② Pulverbeschichtung. Das Pulver wird entweder in einem Trichter oder in einem Förderzylinder gelagert, wobei es zwei Methoden der Aufbringung gibt: Der Trichter gibt eine bestimmte Pulvermenge von oben auf das Pulverbett ab, was als Fördermethode bekannt ist, während der Förderzylinder eine voreingestellte Pulvermenge durch Anheben des Förderkolbens auf eine bestimmte Höhe abgibt, was als Pulverlegemethode bekannt ist, wie in Abbildung 5-34(a) und (b) gezeigt.

Eine Walze verteilt und verdichtet dann das Pulver auf der Formfläche des Pulverbettes.

③ Zweidimensionale Bewegung. Der mit Bindemittel beladene Druckkopf wird von der Befehlsdatei so gesteuert, dass er sich in X- und Y-Richtung bewegt und dabei Bindemittel versprüht, um das Pulver in Form zu bringen. Die nicht besprühten Bereiche bleiben lose und dienen als Träger für nachfolgende Schichten (für den Druck farbiger Modelle werden drei primäre Farbbindemittel verwendet).

④ Bewegung in Z-Richtung. Das Pulverbett senkt sich um eine Schicht in Z-Richtung, die Formfläche wird mit einer neuen Pulverschicht aufgefüllt und die Pulverschicht wird eben gehalten.

⑤ Zwischenschicht-Verklebung. Der Druckkopf bewegt sich unter neuen X- und Y-Befehlen und sprüht Bindemittel, um die aktuelle Pulverschicht in Form zu bringen und sie gleichzeitig mit der darüber liegenden Schicht zu verkleben.

⑥ Wiederholen Sie den Vorgang, bis Sie das endgültige dreidimensionale Teil erhalten haben.

Das ungenutzte Pulvermaterial aus dem 3DP-Druck, das nicht vorgewärmt oder der Laserbestrahlung ausgesetzt wird, kann vollständig zur Wiederverwendung recycelt werden, wodurch theoretisch eine Materialnutzungsrate von 100% erreicht wird. Nach dem 3D-Druck benötigen die Teile eine weitere Nachbearbeitung, die in der Regel drei Schritte umfasst:

Entfernung von überschüssigem Pulver.

Da die Teile vollständig mit Pulver bedeckt sind, muss das restliche Pulver auf der Oberfläche des Teils in einer Handschuhbox mit Hilfe von Bürsten, Luftpistolen usw. entfernt werden, um es zu recyceln und beim nächsten Druck wiederzuverwenden.

Verstärkung der Stärke.

3DP-gedruckte Teile enthalten oft zahlreiche Poren und sind vergleichsweise schwach, was eine Nachbearbeitung zur Verstärkung erforderlich macht. Für Teile, die mit anorganischen Pulvermaterialien wie Gips gedruckt werden, werden je nach Verwendungszweck verschiedene sofort aushärtende Infiltrationsmittel ausgewählt, um die Teile zu durchdringen.

So können beispielsweise für Farbmodelle geeignete Infiltrationsmittel die Festigkeit, Farbe und Farbstabilität verbessern; binäre Infiltrationsmittel für Funktionsmodelle können die Modellfestigkeit deutlich erhöhen; und umweltfreundliche Infiltrationsmittel können zur Imprägnierung oder zum Aufsprühen verwendet werden, um die Oberflächenhärte und den Modul zu verbessern.

Gedruckte Metallpulverteile erfordern im Allgemeinen zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie Entfettung, Hochtemperatursintern, heißisostatisches Pressen, Infiltration oder Kupferimprägnierung, um die Festigkeit und Dichte des Teils zu erhöhen.

Oberflächenbehandlung.

In der Regel wird eine Kombination aus Sandstrahlen, Polieren, Lackieren und maschineller Bearbeitung eingesetzt, um die Qualität und Genauigkeit der Oberfläche des Teils sowie seine Glätte und Farbe weiter zu verbessern.

(2) Prozessmerkmale

Das 3DP-Verfahren hat fünf bemerkenswerte Vorteile:

Vollfarbiger Druck möglich.

3DP kann einen Vollfarbdruck realisieren, der die Kreativität des Produktdesigns in Farbe perfekt zum Ausdruck bringt und in den Bereichen kulturelle Kreativität, Film, Animation und anderen Bereichen weit verbreitet ist.

Große Auswahl an Materialien und Funktionsteilen aus Metall.

Das 3DP-Verfahren kann mit nahezu jedem Pulvermaterial, einschließlich Metallpulvern, gedruckt werden, wodurch sich die funktionalen Anwendungsmöglichkeiten erheblich erweitern.

Es sind keine Stützen erforderlich.

Ungebundener Puder dient als natürlicher Träger und macht zusätzliche Hilfsmittel überflüssig, was eine hohe Druckeffizienz und niedrige Materialkosten während des Druckprozesses bedeutet.

Geeignet für die Herstellung komplexer Strukturen.

Das 3DP-Verfahren setzt der Komplexität der Teile praktisch keine Grenzen und ermöglicht die Herstellung von verschiedenen komplizierte Formen wie z. B. poröse Teile, ausgehöhlte Teile und verschachtelte Teile. Es eignet sich für die Entwicklung neuer Produkte oder für die Herstellung von Einzelteilen und Kleinserien.

Kein Laser erforderlich, geringe Kosten.

Einerseits verwendet das 3DP-Verfahren keine Laser, was die Betriebs- und Wartungskosten der Geräte senkt, andererseits können die Bindemittelstrahlköpfe Array-Scans anstelle von Laserpunkt-Scans durchführen, was zu einer hohen Druckeffizienz und niedrigen Kosten führt.

Das 3DP-Verfahren hat jedoch auch einige Einschränkungen und Nachteile, wie zum Beispiel folgende:

Schlechte mechanische Eigenschaften der Teile.

Die Festigkeit und Zähigkeit sind relativ gering und eignen sich in der Regel nur für Musterdisplays oder Gussformen (z. B. Sandformen). Funktionstests sind nicht durchführbar, und die gedruckten Metallteile müssen in einem Sinterofen weiter gesintert und mit Kupfer infiltriert werden, um ihre endgültige Festigkeit und Dichte zu erreichen.

Geringere Oberflächenqualität.

Da die Teile durch Pulverbindung geformt werden, weist die Oberfläche eine gewisse körnige Struktur auf, was es schwierig macht, die Glätte von Teilen zu erreichen, die mit Photopolymerisationsverfahren gedruckt werden.

Ineffiziente Lagerung von Schüttgut.

Bei der Lagerung im Pulverbett und unter Berücksichtigung der Oberflächenaktivität der Pulvermaterialien ist die Lagerung von Schüttgut groß und schwierig. Der Trichterbeschickungsmechanismus überwindet zwar die Lagerprobleme, ändert aber nichts am Grundprinzip der Pulverbettlagerung.