Ein umfassender Leitfaden zu 3D-Druckmaterialien
Table of Contents
- Arten von 3D-Drucktechnologien und bevorzugte Materialien
- Kunststoffe im 3D-Druck
- 3D-Druck von Metallen
- 3D-Druck von Keramik und exotischen Materialien
- Verbundwerkstoffe und 3D-Druck
- So wählen Sie Ihre idealen 3D-Druckmaterialien aus
- Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Objekten
- Die Zukunft der 3D-Druckmaterialien
- Das wegnehmen
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Die 3D-Drucktechnologie hat in den letzten Jahren die Fertigung und das Produktdesign revolutioniert. Der 3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, baut Objekte Schicht für Schicht aus Materialien wie Kunststoffen, Metallen, Keramik und Verbundwerkstoffen auf. Da sich die Möglichkeiten der 3D-Druck-Hardware und -Materialien ständig weiterentwickeln , übernehmen immer mehr Branchen diese Technologie. Doch bei der großen Auswahl an Maschinen und Materialoptionen kann es für Neueinsteiger schnell überwältigend werden. Dieser Leitfaden soll einen umfassenden Überblick über gängige 3D-Drucktechnologien und -materialien geben.
Arten von 3D-Drucktechnologien und bevorzugte Materialien
Es gibt verschiedene Methoden zum Verschmelzen von Materialien während des Schichtungsprozesses im 3D-Druck:
- Fused Deposition Modeling (FDM) -Drucker extrudieren erhitzte thermoplastische Filamente durch eine Düse auf die Bauplatte. Üblicherweise werden ABS- und PLA-Kunststoffe verwendet.
- Bei der Stereolithographie (SLA) wird flüssiges Harz mithilfe eines ultravioletten Laserstrahls, der von Scanspiegeln geleitet wird, zu gehärtetem Kunststoff verfestigt. Harze sind für niedrige Viskosität und schnelle Aushärtezeiten formuliert.
- Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden feine Kunststoff-, Keramik- oder Metallpulver mit einem Hochleistungslaser zusammengesintert. Es sind keine Stützstrukturen erforderlich und es können komplexe interne Merkmale hergestellt werden.
- Direct Metal Laser S intering ( DMLS) ist eine ähnliche Pulverbetttechnologie, die speziell für die Verarbeitung hochfester Metalllegierungen entwickelt wurde .
Andere Methoden wie Material Jetting und Binder Jetting können in Vollfarbe drucken oder exotische Metalllegierungen verwenden. Mit der Weiterentwicklung der 3D-Drucktechnologien und -materialien erweitern sich die Möglichkeiten weiter.
Kunststoffe im 3D-Druck
Materialingenieure treiben die Möglichkeiten von Thermoplasten für den FDM-Druck weiter voran. Hier sind einige fortschrittliche Filamente , mit denen langlebige Endprodukte gedruckt werden können:
- ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat) bietet eine ähnliche UV-Beständigkeit wie ABS sowie Witterungsbeständigkeit im Freien.
- PC (Polycarbonat) produziert superstarke Kunststoffkomponenten, die in einigen Fällen maschinell bearbeitete Metallteile ersetzen können. Für eine gute Zwischenschichthaftung ist jedoch Druck-Know-how unerlässlich.
- TPU (thermoplastisches Polyurethan) und flexible TPE-Filamente ermöglichen gummiartige Drucke mit außergewöhnlicher Biegsamkeit für Anwendungen wie Wearables oder individuelle Griffe.
- PEEK (Polyetheretherketon) widersteht aggressiven Chemikalien und Sterilisationsverfahren und eignet sich daher für die Herstellung medizinischer Geräte und wissenschaftlicher Werkzeuge. Allerdings schränkt der exorbitant hohe Preis von PEEK-Filament die Akzeptanz außerhalb der Industrie stark ein.
3D-Druck von Metallen
Bis vor Kurzem waren Metalle ausschließlich teuren SLS- oder DMLS-Industriedruckern in der Luft- und Raumfahrt sowie im Medizinbereich vorbehalten. Üblicherweise werden Edelstahl-, Titan-, Nickel- und Aluminiumlegierungen verwendet. Kleinere Metall-3D-Drucker, die für Werkstätten, Universitäten und Designstudios entwickelt wurden, erweitern jetzt dank geringerer Hardwarekosten den Zugang. Die meisten nutzen die Abscheidung gebundener Metalle, um Verbundfilamente mit einem Metallpulvergehalt von bis zu 70 % zu extrudieren.
1. Edelstahl – hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
Das Bedrucken von Edelstahl gewährleistet eine außergewöhnliche Dimensionsstabilität für Teile, die im Freien verwendet oder Chemikalien ausgesetzt werden. Die Schichthaftung des gebundenen Metallauftrags ermöglicht sogar den Druck von Brücken oder Überhängen ohne Stützen. Teile können nach dem Sintern bearbeitet, mit Gewinde versehen und poliert werden, um Eigenschaften zu erzielen, die denen von traditionell hergestelltem Edelstahl ähneln.
2. Titan – Extrem leicht und stark
Die Luft- und Raumfahrtindustrie arbeitet häufig mit Titanlegierungen, da sie ein höheres Festigkeits-Gewichts-Verhältnis als Aluminium aufweisen. Beim 3D-Druck komplexer Titanteile in einem Stück werden Schweißverbindungen vermieden, die bearbeitete Titanstrukturen schwächen. Die hohen Preise für Titanpulver bleiben außerhalb von Branchen wie dem Motorsport, die nach leichten Metallkomponenten suchen, ein Hindernis.
3. Aluminium – ein zugängliches alternatives Metall
Aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit erfreut sich Aluminium einer weiten Verbreitung. Der Metall-3D-Druck ermöglicht die Konsolidierung kundenspezifischer Aluminiumteile, die in der Vergangenheit als Baugruppen hergestellt wurden. Werkzeugprototypen, Robotikkomponenten und Designmodelle profitieren alle von 3D-gedrucktem Aluminium . Da die Druckerkosten weiter sinken, können kleine Unternehmen die schnelle Herstellung von Aluminiumwerkzeugen nutzen, ohne auf externe Lieferanten angewiesen zu sein.
3D-Druck von Keramik und exotischen Materialien
Technische Keramik aus Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Siliziumkarbid erfordert für eine effiziente Bearbeitung extrem hohe Temperaturen und Präzisionswerkzeuge. Teile wie keramische Pumpenlaufräder und Raketenleitsysteme konnten bisher nicht außerhalb von Spezialgießereien hergestellt werden. Der 3D-Druck beseitigt diese Barrieren durch Pulverbetttechnologien, bei denen komplexe Keramikkomponenten gesintert werden.
Darüber hinaus gehen die Möglichkeiten über die reine Keramik hinaus. Da immer mehr Forschung die Verwendung von Metall- und Keramikpulvern mit Binder Jetting untersucht, können sogar seltene und kostbare Materialien wie Silber oder Gold 3D-gedruckt werden. Die Technologie kann maßgeschneiderte medizinische Implantate oder elektronische Geräte ermöglichen, die aus tatsächlicher Kupfer- oder Graphenpaste gedruckte Leiterbahnen integrieren. Wir fangen gerade erst an, das Potenzial von 3D-gedruckter Keramik , Glas und exotischen Materialien zu erkunden.
Verbundwerkstoffe und 3D-Druck
Während Kunststoffe, Metalle und Keramik nach wie vor die herkömmlichen Materialien für die Herstellung sind, bieten Verbundwerkstoffe, die Polymere mit anderen Verstärkungen kombinieren, überlegene mechanische Eigenschaften, die mit herkömmlichen Methoden nicht erreichbar sind.
1. 3D-gedruckte Kohlefaser-Verbundwerkstoffe
Beim FDM-Druck mit Kohlefaserfilamenten werden Teile mit einem leichten und steifen Polymer gefüllt. Die steifen Filamente erfordern gehärtete Stahldüsen, um abriebfeste Komponenten zu drucken, die stärker sind als Nylon und Aluminium ähneln. Die Anwendungen reichen von kundenspezifischen Quadcopter-Rahmen bis hin zu Hochleistungs-Autoteilen.
2. Metall- und holzgefüllte Verbundwerkstoffe
Beim Fused Deposition Modeling lassen sich außerdem problemlos Standard-ABS- und PLA-Kunststoffe mit Metallpulvern oder Holzzellstoff kombinieren, um ästhetische, thermische und funktionale Eigenschaften zu verändern. Mit Messing, Kupfer und Bronze angereicherte Drucke ähneln optisch bearbeitetem Metall, behalten aber das geringere Gewicht von Kunststoffen bei. Wood-filled lament fängt sogar realistische Maserungsmuster für Möbelprototypen ein.
So wählen Sie Ihre idealen 3D-Druckmaterialien aus
Da mittlerweile so viele Maschinen und Materialien für jede Anwendung und jedes Budget verfügbar sind, erfordert die richtige Abstimmung der Drucktechnologie auf Designziele und Materialanforderungen die Erforschung und Berücksichtigung dieser Schlüsselfaktoren:
- Funktionalität des Teils – Wird es Belastungen oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein?
- Maßhaltigkeit und Druckpräzision erforderlich
- Mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Verschleißfestigkeit oder Temperaturgrenzen
- Materialkosten – Für exotische Filamente können höhere Preise anfallen
- Einfache Nachbearbeitung – Die Druckstützen einiger Materialien lassen sich leichter entfernen
- Ihr 3D-Druckermodell und Ihre Spezifikationen – die Materialfähigkeiten variieren.
Ein Vergleich beliebter 3D-Druckmaterialien anhand der wichtigsten Eigenschaften
| Material | Eigenschaften | Druckparameter | Kosten |
|---|---|---|---|
| PLA | Mittlere Festigkeit, geringe Flexibilität, mäßige Haltbarkeit | 180–230 °C | Niedrig |
| Abs | Stark, mäßig flexibel, sehr langlebig | 210–250 °C | Mittel |
| PETG | Stark und flexibel, hohe Haltbarkeit | 230-260°C | Mittel |
| TPU | Mittlere Festigkeit, sehr hohe Flexibilität, mäßige Haltbarkeit | 220–250 °C | Mittelhoch |
| Nylon | Hohe Festigkeit und Flexibilität, hervorragende Haltbarkeit | 240–260 °C | Hoch |
| SPÄHEN | Extrem stark, minimal flexibel, sehr hohe Haltbarkeit | 360–400 °C | Sehr hoch |
| Harz | Festigkeit und Haltbarkeit variieren je nach Typ, nicht flexibel, UV-gehärtet | N / A | Hoch |
Es ist immer noch wichtig, Erfahrung zu sammeln, bevor man sich an komplexe Bauten wagt. Ständige Materialinnovationen verleihen auch 3D-Druckern jedes Jahr mehr Möglichkeiten. Die Bezugnahme auf quantitative Daten wie Sicherheits- oder technische Datenblätter hilft Ingenieuren und Designern bei der Auswahl und Qualifizierung des optimalen Materials für jede Anwendung.
Nachbearbeitung von 3D-gedruckten Objekten
Ein frischer Druck direkt von der Bauplatte genügt selten sofort den Anforderungen. Verschiedene Veredelungsverfahren verbessern Festigkeit, Ästhetik und Funktionalität:
- Stützstrukturen entfernen – Stützstrukturen abbrechen oder in chemischen Bädern auflösen.
- Schleifen und Feilen – Glättet oberflächliche Stufen zwischen den Schichten, die in Drucken sichtbar sind.
- Grundieren und Lackieren – Insbesondere SLA-Drucke müssen geglättet, versiegelt und lackiert werden, um nach dem Schleifen sichtbare Druckschichtstufen zu verbergen.
- Teile verbinden – Komponenten mit Lösungsmitteln, Epoxidharzen oder MABS verkleben und Poolnähte schweißen.
- Metalldrucke – Erfordern Entbinderungs- und Sinterzyklen, um Polymere abzubrennen und die Pulver zu festen Metallen zu verschmelzen.
Die Zukunft der 3D-Druckmaterialien
Der 3D-Druck breitet sich weiterhin branchenübergreifend von Nischenzwecken für das Rapid Prototyping hin zur Endfertigung von Teilen aus. Aufgrund von Skaleneffekten, niedrigeren Druckerkosten und einer größeren Auswahl an Materialien ist eine Zukunft der vollständig verteilten und bedarfsgesteuerten Produktion plausibel. Aber echte Nachhaltigkeit hängt von der Umgestaltung der Lieferketten ab, um angesichts der fortschreitenden Technologie Ressourcen zu schonen.
Durchbrüche bei erneuerbaren Biokunststoffen und grüner Chemie können Abfall und Energieverbrauch bei der Materialsynthese für 3D-Drucker minimieren. Auch die Recyclingfähigkeit muss bei der Formulierung neuer Verbundwerkstoffe oder technischer Polymere stärker berücksichtigt werden. Durch gemeinsame Anstrengungen von Unternehmen, Forschern und Regulierungsbehörden könnte der 3D-Druck einen klimafreundlichen und gleichberechtigten Zugang zu Industriegütern weltweit ermöglichen.
Das wegnehmen
Da sich Drucker und Materialien weiterentwickeln und immer mehr Präzision, Festigkeit und Funktionalität zu geringeren Kosten bieten, sind die Möglichkeiten endlos. Mit dem Wissen über die grundlegenden Methoden, Materialien und Nachbearbeitungstechniken, die hier behandelt werden, können Ingenieure den 3D-Druck nutzen, um völlig neue Produktdesigns und Geschäfte zu entwickeln. Die Aufrechterhaltung verantwortungsvoller und nachhaltiger Praktiken bei der weiteren Verbreitung des 3D-Drucks wird sicherstellen, dass die Technologie weltweit eine gerechte und wohlhabende Zukunft ermöglicht.