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 Fazit
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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 die Fähigkeiten von Hardware und Materialien für den 3D-Druck entwickeln sich weiter, immer mehr Branchen übernehmen diese Technologie. Aber angesichts der vielen verfügbaren Maschinen und Materialoptionen kann es für Neulinge überwältigend sein. Dieser Leitfaden soll einen umfassenden Überblick über gängige 3D-Drucktechnologien und -materialien bieten.
Arten von 3D-Drucktechnologien und bevorzugte Materialien
Zum Verschmelzen von Materialien während des Schichtaufbaus im 3D-Druck gibt es mehrere Methoden:
- Fused Deposition Modeling (FDM) Drucker extrudieren erhitzte thermoplastische Filamente durch eine Düse auf die Bauplatte. Häufig werden ABS- und PLA-Kunststoffe verwendet.
- Stereolithografie (SLA) verfestigt flüssiges Harz mithilfe eines ultravioletten Laserstrahls, der durch Scanspiegel gelenkt wird, zu gehärtetem Kunststoff. Harze sind für niedrige Viskosität und schnelle Aushärtungszeiten formuliert.
- Selektives Lasersintern (SLS) sintert feines Kunststoff-, Keramik- oder Metallpulver mit einem Hochleistungslaser. Es sind keine Stützstrukturen erforderlich und es können komplexe interne Merkmale erzeugt werden.
- Ddirekt Met al. Maser Sinterssierend ((DMLS) ist eine ähnliche Pulverbetttechnologie, die speziell für die Verarbeitung hochfester Metalllegierungen entwickelt wurde.
Andere Methoden wie Material Jetting und Binder Jetting ermöglichen den Vollfarbdruck oder die Verwendung exotischer Metalllegierungen. Die Möglichkeiten erweitern sich ständig, da sich 3D-Drucktechnologien und -materialien weiterentwickeln.
Kunststoffe im 3D-Druck
Werkstoffingenieure treiben die Möglichkeiten von Thermoplasten für den FDM-Druck immer weiter voran. Hier sind einige fortschrittliche Filamente in der Lage, langlebige Endverbrauchsprodukte zu drucken:
- ASA (Acrylnitril-Styrol-Acrylat)bietet eine UV-Beständigkeit ähnlich der von ABS und ist zudem wetterbeständig.
- PC (Polycarbonat)produziert superstarke Kunststoffkomponenten, die in manchen Fällen bearbeitete Metallteile ersetzen können. Für eine gute Haftung zwischen den Schichten ist jedoch Druck-Know-how unerlässlich.
- TPU (thermoplastisches Polyurethan) und flexible TPE-Filamenteermöglichen gummiartige Drucke mit außergewöhnlicher Biegsamkeit für Anwendungen wie Wearables oder benutzerdefinierte Griffe.
- PEEK (Polyetheretherketon)widersteht aggressiven Chemikalien und Sterilisationsverfahren und eignet sich daher für die Herstellung medizinischer Geräte und wissenschaftlicher Werkzeuge. Der exorbitant hohe Preis von PEEK-Filamenten schränkt die Verwendung außerhalb der Industrie jedoch stark ein.
3D-Druck von Metallen
Bis vor kurzem waren Metalle ausschließlich teuren SLS- oder DMLS-Industriedruckern in der Luft- und Raumfahrt sowie im medizinischen Bereich vorbehalten. Üblicherweise werden Edelstahl, Titan, Nickel und Aluminiumlegierungen verwendet. Kleinere Metall-3D-Drucker, die für Werkstätten, Universitäten und Designstudios entwickelt wurden, erweitern jetzt den Zugang dank geringerer Hardwarekosten. Die meisten verwenden gebundene Metallabscheidung, um Verbundfilamente mit bis zu 70 % Metallpulvergehalt zu extrudieren.
1. Edelstahl – Hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit
Edelstahl bedrucken verleiht außergewöhnliche Dimensionsstabilität für Teile, die im Außenbereich verwendet oder Chemikalien ausgesetzt werden. Die Schichthaftung gebundener Metallabscheidungen ermöglicht sogar das Drucken von Brücken oder Überhängen ohne Stützen.Nach dem Sintern können die Teile maschinell bearbeitet, mit Gewinde versehen und poliert werden, um Eigenschaften zu erreichen, die denen von herkömmlich hergestelltem Edelstahl ähneln.
2. Titan – extrem leicht und stark
In der Luft- und Raumfahrtindustrie wird häufig mit Titanlegierungen gearbeitet, da diese ein besseres Verhältnis von Festigkeit und Gewicht als Aluminium aufweisen. 3D-Druck komplexer Titanteile in einem Stück vermeiden Sie Schweißnähte, 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
Aluminium erfreut sich dank seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit großer Beliebtheit. Der 3D-Metalldruck ermöglicht die Konsolidierung kundenspezifischer Aluminiumteile, die in der Vergangenheit als Baugruppen hergestellt wurden. Werkzeugprototypen, Roboterkomponenten und Designmodelle profitieren alle von 3D-gedrucktes Aluminium. Da die Druckerkosten weiter sinken, können kleine Unternehmen Rapid-Aluminium-Werkzeuge nutzen, ohne von externen Lieferanten abhängig 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 nur in Spezialgießereien hergestellt werden. Der 3D-Druck überwindet diese Barrieren durch das Sintern komplexer Keramikkomponenten im Pulverbettverfahren.
Darüber hinaus gehen die Möglichkeiten über Keramik hinaus. Da immer mehr Forschungen die Verwendung von Metall- und Keramikpulvern mit Binder Jetting untersuchen, können sogar seltene und wertvolle Materialien wie Silber oder Gold im 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Die Technologie könnte maßgeschneiderte medizinische Implantate oder Elektronik ermöglichen, die aus echtem Kupfer oder Graphenpaste gedruckte Leiterbahnen integrieren. Wir beginnen gerade erst, das Potenzial zu erkunden, das sich über 3D-gedruckte Keramik, Glas und exotische Materialien.
Verbundwerkstoffe und 3D-Druck
Während Kunststoffe, Metalle und Keramik nach wie vor die herkömmlichen Materialien bei der Herstellung sind, bieten Verbundwerkstoffe, die Polymere mit anderen Verstärkungen kombinieren, bessere mechanische Eigenschaften, die mit herkömmlichen Methoden nicht erreichbar sind.
1. 3D-gedruckte Kohlefaserverbundstoffe
FDM-Druck mit Kohlenstofffaserfilament füllt Teile mit einem leichten und starren Polymer. Die steifen Filamente erfordern Düsen aus gehärtetem Stahl, um abriebfeste Komponenten zu drucken, die stärker als Nylon sind und an Aluminium heranreichen. Die Anwendungsbereiche reichen von benutzerdefinierten Quadrocopter-Rahmen bis hin zu Hochleistungsautoteilen.
2. Metall- und holzgefüllte Verbundwerkstoffe
Beim Fused Deposition Modeling lassen sich außerdem problemlos Standard-ABS- und PLA-Kunststoffe mit Metallpulvern oder Holzzellstoff kombinieren, um die ästhetischen, thermischen und funktionellen Eigenschaften zu verändern. Mit Messing, Kupfer und Bronze angereicherte Drucke ähneln optisch bearbeitetem Metall, sind aber leichter als Kunststoffe. Mit Holz gefüllte Laminierungen erzeugen sogar realistische Maserungen für Möbelprototypen.
So wählen Sie Ihre idealen 3D-Druckmaterialien aus
Da heute für jede Anwendung und jedes Budget so viele Maschinen und Materialien erhältlich sind, erfordert die richtige Abstimmung der Drucktechnologie auf Designziele und Materialanforderungen Recherche und Berücksichtigung dieser Schlüsselfaktoren:
- Teilefunktionalität – Wird es Belastungen oder rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt sein?
- Maßgenauigkeit und Druckpräzision erforderlich
- Mechanische Eigenschaften wie Steifigkeit, Verschleißfestigkeit oder Temperaturgrenzen
- Materialkosten - Exotische Filamente können Premiumpreise haben
- 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 wichtiger Merkmale
| Material | Eigenschaften | Druckparameter | Kosten |
|---|---|---|---|
| PLA | Mittlere Festigkeit, geringe Flexibilität, mäßige Haltbarkeit | 180-230°C | Niedrig |
| ABS | Stark, mäßig flexibel, sehr langlebig | 210-250°C | Medium |
| PETG | Robust und flexibel, hohe Haltbarkeit | 230-260°C | Medium |
| 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 |
Vor dem Versuch, komplexe Konstruktionen zu entwickeln, ist es nach wie vor wichtig, Erfahrungen zu sammeln. Durch ständige Materialinnovationen werden die 3D-Drucker jedes Jahr leistungsfähiger. 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 erfüllt selten sofort die Anforderungen. Verschiedene Veredelungsprozesse verbessern Festigkeit, Ästhetik und Funktionalität:
- Entfernen von Stützstrukturen– Stützstrukturen abbrechen oder in chemischen Bädern auflösen.
- Schleifen und Feilen– Glättet oberflächliche Schritte zwischen den Schichten, die in Drucken sichtbar sind.
- Grundieren und Streichen– Insbesondere SLA-Drucke müssen geglättet, versiegelt und lackiert werden, um nach dem Schleifen sichtbare Druckschichtstufen zu verbergen.
- Teile verbinden- Kleben Sie die Komponenten mit Lösungsmitteln, Epoxidharzen oder MABS-Schweißnähten an den Poolnähten zusammen.
- Metalldrucke– Erfordert Entbinderungs- und Sinterzyklen, um Polymere abzubrennen und die Pulver zu festen Metallen zu verschmelzen.
Die Zukunft der 3D-Druckmaterialien
Der 3D-Druck breitet sich immer mehr aus und reicht von Nischenanwendungen für Rapid Prototyping hin zur Fertigung von Endteilen in allen Branchen. Durch Skaleneffekte, niedrigere Druckerkosten und eine größere Auswahl an Materialien ist eine Zukunft mit vollständig verteilter Produktion auf Abruf plausibel. Doch echte Nachhaltigkeit hängt von der Umgestaltung der Lieferketten ab, um Ressourcen zu schonen, während die Technologien voranschreiten.
Durchbrüche in erneuerbare Biokunststoffe und grüne Chemie kann 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 die Zusammenarbeit von Unternehmen, Forschern und Regulierungsbehörden könnte der 3D-Druck weltweit einen klimafreundlichen und gerechten Zugang zu Industriegütern ermöglichen.
Das Fazit
Da Drucker und Materialien immer präziser, robuster und funktioneller werden und dabei immer weniger kosten, sind die Möglichkeiten endlos. Mit dem Wissen über die hier behandelten grundlegenden Methoden, Materialien und Nachbearbeitungstechniken können Ingenieure den 3D-Druck nutzen, um sich völlig neue Produktdesigns und Geschäftsmodelle auszudenken. Die Aufrechterhaltung verantwortungsvoller und nachhaltiger Praktiken bei der weiteren Verbreitung des 3D-Drucks wird sicherstellen, dass die Technologie weltweit zu einer gerechten und wohlhabenden Zukunft beiträgt.