Die Stereolithographie in Form des skizzierten Laser-Scanner Verfahrens ist das älteste und gleichzeitig das Verfahren mit der höchsten Detaillierung, den besten Oberflächen und der höchsten Genauigkeit. Die Modelle entstehen durch lokale Verfestigung eines flüssigen Monomers mittels eines ultravioletten Laserstrahls (Photopolymerisation). Die Kontur des zu generierenden Bauteils wird durch eine Laser-Scanner-Einheit auf die Oberfläche eines Harzbades gezeichnet. Dort, wo der Laserstrahl auftrifft, polymerisiert, also verfestigt sich das Harz. Nach der Verfestigung einer Schicht wird diese mit Hilfe einer Plattform in Z-Richtung um eine Schichtdicke verfahren, eine neue Harzschicht aufgetragen und diese wie oben beschrieben polymerisiert. Auf diese Weise entsteht das Modell von unten nach oben. Das Modell wird in der Maschine zu ca. 95% polymerisiert. Es muss deshalb im Anschluss an die Reinigung mit Lösungsmitteln in einer UV Kammer nachvernetzt werden.

Abb2: Stereolithographie – Prinzip (Laser-Scanner Verfahren)

Abb.3: Stereolithographie – Bauteil. Foto: CP

Beim Lasersintern werden in einem Pulverbett angeordnete, typischerweise > 20 µm (Standard um 50 µm) große Partikel durch einen Laserstrahl lokal aufgeschmolzen. Sie erstarren beim Abkühlen und bilden so eine feste Schicht. Nach der Generierung einer Schicht wird das Pulverbett um eine Schichtdicke abgesenkt und aus einem Vorratsbehälter eine neue Schicht Material aufgetragen. Danach wird mit Hilfe des Lasers die Geometrie der folgenden Schicht generiert. Das Modell muss nach dem Bauprozess von lose anhaftendem Pulver befreit werden. Sinterverfahren arbeiten grundsätzlich mit allen Materialien, die sich thermoplastisch verhalten. Metallsinterverfahren sind einer der wichtigsten Zugänge zur generativen Fertigung.

Abb.4: Lasersintern – Prinzip

Abb.5: Lasersintern – Bauteil. Foto: CP

Beim Layer Laminate Manufacturing werden die Schichtkonturen mittels eines Lasers oder eines Schneidplotters aus Papier-, Kunststoff-, oder Keramikfolie ausgeschnitten und vor- oder nachher automatisch verklebt.

Das bekannteste Verfahren (LOM, Laminated Object Manufacturing) arbeitet mit einseitig mit thermisch aktivierbarem Klebstoff beschichtetem Papier in Rollenform. Das Papier wird über eine Bauplattform abgerollt und nicht benötigtes Papier auf der Gegenseite wieder aufgerollt. Mit Hilfe einer beheizten Rolle wird das Papier auf die Bauplattform bzw. auf das schon teilfertige Modell aufgeklebt. Die Kontur wird mit Hilfe eines Laserstrahls ausgeschnitten. Um das gesamte Modell wird ein Rahmen ausgeschnitten, so daß das nicht zum Modell gehörige Papier abgehoben und aufgerollt werden kann. Nicht zum Modell gehörige, innerhalb des Rahmens liegende Teile werden in Karos geschnitten, damit sie später leichter zu entformen sind. Nach der Fertigstellung wird der gesamte durch den Rahmen begrenzte Klotz mit dem darin liegenden Modell aus der Maschine herausgenommen und die nicht zum Modell gehörigen Teile abgelöst.

Abb.6: Layer Laminate Manufacturing – Prinzip

Abb.7: Layer Laminate Manufacturing – Bauteil. Foto: CP

Fused Layer Modeling (FLM) oder Extrusionsverfahren erzeugen Modelle durch lokales Anschmelzen und anschließendes Extrudieren thermoplastischer Materialien.

Am bekanntesten ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei den Extrusionsverfahren wird ein meist in Drahtform vorliegendes thermoplastisches Material in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und durch diese auf das Bauteil extrudiert. Die Schichtbildung erfolgt durch Wärmeleitung beim Kontakt mit dem schon teilfertigen Modell. Das Verfahren ist grundsätzlich 3D-fähig. Neben reinen Rapid Prototyping Materialien sind auch Serienkunststoffe wie ABS mit näherungsweise serienidentischen Eigenschaften zu verarbeiten.

Neben dem eigentlichen Extrusionsverfahren werden auch Ballistic Particle Verfahren, bei denen teilgeschmolzene kugelförmige Partikel auf das Modell „aufgeschossen“ werden, zu dieser Kategorie gezählt.

Abb.8: Fused Layer Modeling – Prinzip

Abb.9: Fused Layer Modeling – Bauteil. Foto: TNO

Das 3D-Printing-Verfahren ist ein Pulver-Binderverfahren. Mit Hilfe eines Druckkopfes wird flüssiger Binder in ein Pulverbett eingespritzt und so die aktuelle Schicht des Modells selektiv verfestigt. Durch entsprechende Wahl der Pulver-Binder-Kombination lassen sich eine Vielzahl von Werkstoffen, so zum Beispiel neben Kunststoffen auch Keramiken oder Metalle verarbeiten.

Die Modelle müssen nach dem Bau durch Infiltration (meist mit Epoxydharz) nachbehandelt werden. Das Verfahren arbeitet in den meisten Fällen kalt.

Abb.10: 3D-Printing – Bauteil. Foto: CP

Beim Vakuumgießen wird das Rapid Prototyping Urmuster in Silikon eingeformt. Aus der so entstehenden Form können je nach Geometrie ca. 15 geometrisch identische Prototypen aus einer Vielzahl vergießbarer PU-Harze gefertigt werden.

Abb.11: Vakuumgießen – Bauteil Foto: CP

Anstelle von Silikon können auch aluminiumgefüllte Epoxydharze verwendet werden. Sie führen zu vergleichsweise harten Werkzeugen, mit denen mehrere hundert Prototypen aus Serienmaterial mit Serienparametern abgespritzt werden können. Hinterschnitte werden durch eingelegte Losteile (Einleger) realisiert.

Die Anzahl der Prototypen wird lediglich durch wirtschaftliche Überlegungen limitiert.

Daneben werden weltweit eine Vielzahl von Prozessen angeboten, die meistens auf Kunststoff-Metall-Komposit-Gießwerkstoffen basieren und häufig mehrstufige Wärmebehandlungs- und Infiltrationsprozesse verlangen.

Abb.12: Gießharz-Werkzeug mit Bauteilen. Foto: CP