Additive Fertigung 3D-Druck: Ein Oldie lebt auf

Autor: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Die 3D-Drucktechnik gewinnt an Fahrt und macht sich daran, die Welt der produzierenden Industrie neu zu prägen. Dabei ist das erste Patent fast 70 Jahre alt. Weil die entscheidenden Patente auslaufen, greifen Innovatoren jetzt die ursprüngliche Idee auf und revolutionieren den Prozess mithilfe der DLP-Technik von Texas Instruments.

Firmen zum Thema

Die Welt stellt sich auf vielfältigste Möglichkeiten ein, die die additive Fertigung mit sich bringen wird.
Die Welt stellt sich auf vielfältigste Möglichkeiten ein, die die additive Fertigung mit sich bringen wird.
(Bild: © chesky - Fotolia)

Hunger? Druck dir doch einen… Burger! Spielzeug, Ersatzteile, medizinische Hilfsmittel, Schmuck, Weihnachtsdeko, sogar Autos und mittlerweile auch gedruckte Mahlzeiten – 3D-Druck dringt wie selbstverständlich in unser Leben ein. Mit einem Upgrade auf Windows 10 ist man spätestens gerüstet. Denn den 3D-Druck hat Microsoft nämlich dort bereits integriert.

Solche Möglichkeiten verdanken wir den Ideen zweier Erfinder: Der Vorläufer der modernen additiven Fertigung wurde bereits 1956 von John Munz ausgetüftelt. Er erfand eine Methode, feste Objekte in einem Harz unter Verwendung von ultraviolettem Licht zu erstellen und bezeichnete dieses Verfahren als Photo-Glyph Recording.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 7 Bildern

30 Jahre später kombinierte Chuck Hull die computergestützte Fertigung mit der von Munz stammenden Idee des UV-aushärtenden Harzes und entwickelte den ersten additiven Fertigungsprozess, den er damals als Stereolithografie (STL oder SLA) bezeichnete. Dieses Verfahren nutzt einen computergesteuerten Laserstrahl, um ein Objekt Schicht für Schicht aus einem unter Einwirkung von Licht aushärtenden Harz herzustellen. Der Kalifornier erschuf mit seiner Erfindung einen völlig neuen Industriezweig, der sich beständig weiterentwickelt. Bereits 1983 hielt er das erste 3D-gedruckte Teil in der Hand und publizierte wenig später die erste Patentanmeldung dazu. Auch heute noch ist der über 70-jährige erfinderisch und konzentriert sich zurzeit vor allem auf die Produktion mit höheren Geschwindigkeiten und besseren Materialien.

„Infolge des Auslaufens der entscheidenden Patente sind alle Voraussetzungen für ein entscheidendes Marktwachstum der additiven Fertigung gegeben“, meint Robert Rodrigues, Analog Applications Engineer, bei Texas Instruments (TI). So würden Innovatoren die ursprüngliche Idee Hulls aufgreifen und den Prozess mithilfe der DLP-Technik von TI revolutionieren.

DLP-Technik erzeugt höher auflösende Drucke

Kernstück der DLP-Technik ist ein als Digital Micromirror Device (DMD) bezeichnetes Bauteil. Es handelt sich dabei um einen Flächenlichtmodulator (Spatial Light Modulator – SLM), mit dem sich eine große Lichtfläche für die verschiedensten Zwecke dynamisch maskieren lässt. „Zum Beispiel kann ein DMD als SLM in Verbindung mit einer UV-Lichtquelle eingesetzt werden, um die Auflösung und Geschwindigkeit der Produktion gegenüber dem ursprünglichen Stereolithografie-Verfahren aus dem Jahr 1986 zu steigern“, erklärt Robert Rodrigues gegenüber elektrotechnik und geht weiter in die Tiefe: „Indem nicht die Lichtquelle direkt, sondern einzelne Pixel abgebildet werden, lassen sich mit einem auf DLP-Technik beruhenden 3D-Drucker höher auflösende Drucke erzeugen.“ Während laserbasierte SLA-Maschinen auf Voxel-Abmessungen in der Größenordnung von 100 µm kommen, seien mit DLP-Druckern Voxel von nur mehr 30 µm möglich. „Die höhere Auflösung ergibt höherwertige Oberflächenbeschaffenheiten, die angenehmer zu handhaben sind und weniger Nachbearbeitung erfordern als andere Methoden des 3D-Drucks“, betont der Experte.

Mit der DLP-Technik lassen sich hochauflösende Drucke außerdem schnell herstellen, insbesondere wenn es sich um Objekte mit großen und komplexen Schichten handelt. Robert Rodrigues: „Dies liegt daran, dass solche 3D-Drucker eine komplette Schicht auf einmal herstellen können, während laserbasierte Drucker jedes Objekt einer Schicht gesondert abfahren müssen.“

Mit DLP-Technik mehrere Teile gleichzeitig herstellen

Um das Verfahren anschaulich zu machen, fordert der Techniker auf, sich einen konkreten Fall vorzustellen: Ein Laserstrahl soll mit 100 µm Durchmesser Objekte mit einer Breite von über 1 cm produzieren. Dies erfordert 100 Laser-Durchläufe pro Schicht. In der Praxis sind also Hunderte von Durchläufen auf Hunderten von Schichten notwendig, um ein einziges Objekt herzustellen, was die laserbasierte SLA-Methode sehr langsam macht. Im Unterschied dazu macht ein auf DLP-Technik basierender 3D-Drucker die Build-Zeit vollkommen unabhängig von der Komplexität einer Schicht, denn die gesamte Build-Schicht wird in einem Durchgang abgebildet, auch um ein großes Objekt herzustellen.

Anders ausgedrückt, sorgt die Fähigkeit zur Belichtung der gesamten Build-Schicht auf einmal dafür, dass die Komplexität oder Größe eines Objekts keinen Einfluss auf den Zeitaufwand für den gesamten Build mehr hat. Die Unabhängigkeit der Build-Zeit von der Schichtkomplexität macht Lösungen auf Basis der DLP-Technik nicht nur für das Rapid Prototyping, sondern insbesondere auch für die Direktherstellung von Bauteilen geeignet, denn es besteht die Möglichkeit zur Herstellung mehrerer Werkstücke auf einmal. „Passen beispielsweise 10 Teile auf die Build-Fläche des Druckers, lassen sich diese parallel bauen, ohne dass sich die Build-Zeit dadurch verlängert“, verdeutlicht Rodrigues.

3D-Drucker für eine Vielzahl von Druckmaterialien

Auf DLP-Technik basierende 3D-Drucker können eine Vielzahl von Druckmaterialien sowohl für die Direktfertigung als auch für das Rapid Prototyping nutzen. Die Stereolithografie verwendet Acryl-Monomere. Diese werden mit einem Photoinitator gemischt, der mit ultraviolettem oder sichtbarem Licht reagiert. Werden die Photoinitatoren von energiereichen Photonen getroffen, bewirken sie eine Quervernetzung der Monomere zu einem festen Körper.

Weitere als Druckmedium geeignete Werkstoffe sind Keramiken und Metalle. Keramikpulver wird in einem Verhältnis von fast 1:1 mit dem als Bindemittel dienenden Acrylharz gemischt. Mit der gleichen Druckmethode und der gleichen Hardware, die auch für reines Acrylharz verwendet wird, wird das mit Keramik gefüllte Harz teilweise ausgehärtet – gerade genug, um die Form des Objekts zu erhalten. Anschließend wird das mit Keramik gefüllte Werkstück in einem Ofen gesintert, um das Polymermaterial zu entfernen und die Keramik abbinden zu lassen. Hierdurch entsteht ein Werkstück mit einem Keramikanteil von bis zu 99 %.

Die gleiche Methode lässt sich anwenden, um mit der gleichen Drucker-Hardware aus Metallpulver und Acryl-Monomer-Harz metallene Werkstücke herzustellen.

3D-Druck: von High-End bis zum persönlichen Gebrauch

Die Kombination aus hoher Auflösung, breiter Materialauswahl und hoher Baugeschwindigkeit sorgt dafür, dass Drucker auf Basis der DLP-Technik nahezu jedem Aspekt des 3D-Druck-Markts zugutekommen.

Die Palette reicht hier von High-End-Versionen für industrielle und professionelle Zwecke über zuverlässige Consumer-Modelle bis hin zu 3D-Druckern für den persönlichen Gebrauch.

„Während sich die Welt auf die von der additiven Fertigung ermöglichten Innovationen einstellt, lassen sich die historischen Restriktionen, denen die Stereolithografie bisher unterlag, mithilfe der DLP-Technik überwinden, die dadurch zu einem der besten additiven Fertigungsverfahren wird“, schätzt Robert Rodrigues ein. Dann heißt es vielleicht bald in vielen Haushalten: Guten Appetit.

Quellen:

US-Patent 2,775,758 (“Photo-glyph recording”)

US-Patent 4,575,330 (“Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography”)

J. Manyika, M. Chui, et al., “Disruptive technologies: Advances that will transform life, business, and the global economy”, McKinsey Global Institute, p. 108, [2013]

M.L. Griffith and J. W. Halloran, "Free Form Fabrication of Ceramics via Stereolithography", J. American Ceramic Soc. 79 [10], p. 2601-2608, [1996]

(ID:43553070)

Über den Autor

Dipl. -Ing. Ines Stotz

Dipl. -Ing. Ines Stotz

Fachredakteurin Automatisierung, Maschinenbau-Ingenieurin, Fachjournalistin seit 2001; Vogel Communications Group