Die Entwicklung der additiven Fertigungslandschaft reicht bis in die frühen 80er Jahre zurück und begann mit der Erfindung des Stereolithographieverfahrens durch Charles Hull. Diese Erfindung kann als Ausgangspunkt für den Polymer-AM-Markt sowie für den gesamten AM-Markt erklärt werden. Es ebnete den Weg für frühe Anwender der Technologie und die Entwicklung weiterer Technologieprinzipien. Seitdem ist die Zahl der Prozesse und Unternehmen explosionsartig gestiegen, so dass es schwierig ist, den Überblick zu behalten.
Das Ziel dieses Kurses ist es, einen Überblick über die ausgereiftesten Verfahren der Additiven Fertigung von Polymeren zu geben. Im nächsten Abschnitt werden wir daher den Reifegrad von Polymertechnologien erörtern und den aktuellen Stand etablierter und neuer Technologien diskutieren.
In den folgenden Abschnitten haben wir für die ausgereiftesten Verfahren wichtige Informationen zusammengestellt, darunter Funktionsprinzip, technische und wirtschaftliche Merkmale sowie Anwendungsbeispiele.
Danach finden Sie einen Vergleich zwischen den verschiedenen Verfahrenskategorien, der Ihnen helfen kann, die richtige Technologie für Ihre Anwendung zu finden.
In der AMPOWER Academy konzentrieren wir uns auf folgende Technologien:
Wir werden zwei Unterkategorien der Powder Bed Fusion Familie behandeln: Laser Powder Bed Fusion und Thermal Powder Bed Fusion.
Laser Powder Bed Fusion (L-PBF), auch bekannt unter dem Markennamen Selective Laser Sintering (SLS), ist eine bewährte AM-Technologie. Diese Technologie ist im Markt gut etabliert und wird zur Herstellung von Prototypen, Endverbrauchsteilen und Ersatzteilen eingesetzt. Insbesondere die Entwicklung von Hochtemperatur-Materialsystemen in den letzten Jahren hat diese Technologie auch für den industriellen Einsatz in der Luftfahrt und anderen Hochleistungsindustrien relevant gemacht.
Thermal Powder Bed Fusion auch bekannt unter den Markennamen Multi Jet Fusion (MJF) oder High-Speed Sintering (HSS) wurde 2004 von Neil Hopkinson patentiert. Diese Technologie zeichnet sich durch Produktivität und vielfältige Produktionsmöglichkeiten aus. Thermal Powder Bed Fusion wurde sowohl von HP als auch von VOXELJET kommerzialisiert.
Wir werden zwei Unterkategorien von Material Extrusion (ME) abdecken: Filament Material Extrusion Und Pellet Material Extrusion.
Material Extrusion, auch bekannt als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF), wurde von STRATASYS in den frühen Tagen der AM entwickelt und patentiert. Nach Ablauf des Patents im Jahr 2009 spielte diese Technologie eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des 3D-Druckmarkts für Verbraucher sowie bei der weit verbreiteten Einführung der additiven Fertigung in der Branche.
Pellet Material Extrusion ist eine Modifikation von Filament ME. Die beiden Technologien unterscheiden sich lediglich hinsichtlich der verwendeten Rohstoffform und des Extrusionsprinzips. Diese Unterschiede wirken sich auch auf die Einsatzmöglichkeiten der Technologien aus. Während Filament im Allgemeinen für kleine und mittelgroße Teile verwendet wird, kann Pellet ME höhere Volumina von 10x oder 100x oder mehr ausgeben, um große Teile herzustellen. Aber nicht nur der höhere Durchsatz und die höhere Geschwindigkeit sind ausschlaggebend, auch der Pellet-Rohstoff ist deutlich kostengünstiger als Filament.
Continuous Fiber Material Extrusion is an advanced form of Filament-Based Material Extrusion that incorporates continuous fibers to enhance mechanical properties. Offered by suppliers like MARKFORGED, ANISOPRINT, and DESKTOP METAL, the process involves heating thermoplastic filament and extruding it through a nozzle while embedding continuous fibers selectively to strengthen heavily loaded areas of the part.
Wir werden abdecken zwei Unterkategorien der Vat-Polymerisation: Der ursprüngliche Vat-Polymerisationsprozess, auch bekannt als Stereolithographie (SLA), sowie Area-wise Vat-Polymerisation.
Vat Polymerization, auch bekannt als Stereolithographie (SLA), ist der Ursprung der 3D-Drucktechnologie. In den letzten 40 Jahren wurden Variationen des Verfahrens entwickelt, um die Effizienz und die Genauigkeit des Prozesses zu erhöhen. Vor allem der medizinische Sektor nutzt die Vorteile der verschiedenen Polymerisationsverfahren.
Area-wise Vat Polymerization, auch bekannt als Digital Light Processing oder DLP, ist eine Modifikation der Vat-Polymerisation. Anstelle der selektiven Aushärtung eines Photopolymers per Laser kommt ein UV-Projektor zum Einsatz, der eine ganze Schicht auf einmal aushärtet. Diese Technologie wurde erstmals von ENVISIONTEC und seinem Gründer Al Siblani eingeführt.
Heutzutage erfreut sich dieses Verfahren vor allem im medizinischen Bereich großer Beliebtheit. Zahnschienen, Hörgeräte und andere maßgeschneiderte Produkte werden mit dieser Technologie in großen Stückzahlen hergestellt und nutzen die Genauigkeit und Geschwindigkeit dieser Technologie.
Die obige Grafik gibt einen Überblick über die aktuelle Landschaft der Polymer-AM-Technologie und Maschinenhersteller.
As of October 2024, 17 different working principles are known with 334 OEMs supplying machines. The map shows that out of 17 sub processes, 9 work with a liquid feedstock. VAT Polymerization Und Filamentextrusion sind hinsichtlich der Anzahl der Anbieter die beiden führenden Technologien.
Die sinterbasierten AM-Technologien (SBAM) haben, wie der Name schon sagt, den Sinterprozess gemeinsam. Dabei wird der bedruckte Grünling zu einem dichten Teil verfestigt und erhält seine endgültigen Eigenschaften. Der Grünling kann mit verschiedenen Technologien vorab gedruckt werden. Allen gemeinsam ist, dass Metallpulver durch ein Bindemittel in die gewünschte Form gebunden wird. Zu den bekanntesten Drucktechnologien gehören Binder Jetting und Filament Material Extrusion.
In diesem Abschnitt erfahren Sie alles über die sinterbasierte AM Prozesskette und erhalten Sie einen Überblick über die verschiedenen Drucktechnologien.
Dieser Kurs richtet sich an Ingenieure, Designer und andere Fachleute, die eng mit sinterbasierten AM-Technologien arbeiten. Ziel ist es, die wichtigsten Aspekte abzudecken, die es Ingenieuren und Designern ermöglichen, die Möglichkeiten und technischen Grenzen der Drucktechnologien und des Sinterprozesses vollständig zu erfassen, um bei der Technologieauswahl und dem Teiledesign erfolgreich zu sein. Neben dem Durchlaufen des Kurses von Anfang bis Ende kann dieser Kurs auch als... dienen ständige Wissensquelle während der Arbeit an AM-Projekten.
Der Kurs gliedert sich in die folgenden Abschnitten.
Dieser Abschnitt beginnt mit einem Überblick über die Sinterbasierte AM-Prozesskette und sein Drucktechnologien, gefolgt von einem Tief in die Technologie eintauchen in die wichtigsten Aspekte der BJT-Technologie ein, gefolgt von einem genaueren Blick auf die Entbindern und Sintern Schritt auch inklusive Sintersimulation.
Der zweite Abschnitt gibt einen Überblick über die verschiedenen Materialien die verfügbar sind sowie Teileeigenschaften die mit dem BJT-Prozess und typischen Methoden dafür erreicht werden können Qualitätskontrolle. Schließlich noch einige Gemeinsamkeiten Mängel im BJT-Prozess werden vorgestellt.
Der letzte Abschnitt fungiert als Leitfaden für Designer. Neben einer allgemeinen Beschreibung des Prozesses beim Design für die additive Fertigung werden umsetzbare Einschränkungen und Richtlinien für den BJT-Prozess bereitgestellt. Im letzten Abschnitt werden mehrere davon vorgestellt Designbeispiele aus unterschiedlichen Branchen.
Simulation zur Kompensation der Verformung während des Sinterschritts, Verschachtelung von Teilen und Definition von Druckparametern
Durch verschiedene Druckverfahren werden unterschiedliche Ausgangsstoffe wie Metallpulver, Filamente, Pellets oder Dispersionen zu Grünteilen verarbeitet
Das Auspacken zerbrechlicher Grünteile muss sorgfältig erfolgen und ist in der Regel ein manueller Vorgang.
Beim Entbindern wird das Bindemittel entfernt, wodurch ein brauner Teil entsteht
Um die strukturelle Integrität eines Metallteils zu erreichen, ist ein Sinterprozess erforderlich. Die Pulverpartikel verschmelzen zu einer kohärenten, festen Struktur durch einen Massentransport, der auf atomarer Ebene erfolgt und durch Diffusionskräfte angetrieben wird.
Der braune Teil schrumpft um ca. 13-21 % in jede Richtung.
Die Prozesskette sinterbasierter Technologien unterscheidet sich von anderen AM-Technologien. Besonders die Nachdruckprozesse (Entbindern und Sintern) sind entscheidend, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erreichen.
Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.
Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.
Anschließend fährt die Bauplattform um eine Schichtdicke nach unten und es wird eine neue Pulverschicht aufgetragen. Auch hier wird das flüssige Bindemittel in den erforderlichen Bereichen der nächsten Schicht abgelagert und ausgehärtet, um den Grünkörper zu bilden. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis das komplette Teil gedruckt ist. Nach Abschluss des gesamten Druckvorgangs müssen die Teile aus dem „Pulverkuchen“, also dem umgebenden losen, aber verdichteten Pulver, entfernt werden. Um das überschüssige Pulver besser vom Grünkörper zu entfernen, werden häufig Bürsten oder eine Strahlpistole mit Luftdruck eingesetzt.
Um ein dichtes Metallteil zu erzeugen, muss der gedruckte Grünkörper in einem Entbinderungs- und Sinterprozess nachbearbeitet werden. Ähnlich wie beim Metallspritzgussverfahren werden BJT-Teile in einen Hochtemperaturofen gegeben, wo das Bindemittel ausgebrannt und die verbleibenden Metallpartikel zusammengesintert werden. Das Sintern führt zu einer Verdichtung des 3D-gedruckten Grünkörpers zu einem Metallteil mit hohen Dichten von 97 % bis 99,5%, abhängig vom Material.
Bei klassischen Binder-Jetting-Systemen, wie sie von EXONE oder DIGITAL METAL vertrieben werden, wird das flüssige Bindemittel mit einem einzigen Druckkopf selektiv aufgetragen. Dies bedeutet, dass die Breite des Druckkopfes nicht die gesamte Breite des Pulverbetts abdeckt. Daher bewegt sich der Druckkopf mehrmals in xy-Richtung über das Pulverbett, um den Druckbereich vollständig abzudecken und den Polymerbinder zu verteilen.
Die SINGLE PASS JETTING-Technologie wurde von DESKTOP METAL und HEWLETT PACKARD entwickelt. Die Breite des Druckkopfes deckt die gesamte Breite des Pulverbetts ab. Wenn der Druckkopf über das Pulverbett fährt, wird aus mehr als 30.000 kleinen Düsen Bindemittel freigesetzt und die gesamte Pulverschicht wird in einem Durchgang selektiv in Bindemittel eingetaucht. Der Prozess ist bidirektional, was bedeutet, dass die Bindemittelablagerung in beide Bewegungsrichtungen des Druckkopfes erfolgt. Durch diese Modifikationen wird die Druckgeschwindigkeit deutlich erhöht.
Eine ähnlich schnelle Technologie ist das METAL JET-Verfahren von HEWLETT PACKARD. In einem Durchgang wird ein flüssiges Druckmittel auf die Pulverschicht aufgetragen und anschließend teilweise verdampft, um das Bindepolymer um das Metallpulver herum zu bilden. Nach Abschluss des Drucks ist eine zusätzliche Aushärtung erforderlich, um die volle Stabilität des Grünkörpers zu erreichen.
3DEO kombiniert das Binder-Jetting-Verfahren mit einem anschließenden Bearbeitungsprozess. Anders als bei herkömmlichen Binder-Jetting-Verfahren wird der Binder nicht nur punktuell, sondern auf die gesamte Pulverschicht aufgetragen. Nach dem Aushärten der gesamten Schicht wird alle paar Schichten durch einen Fräsvorgang die Bauteilgeometrie geformt, indem die Bauteilkontur aus dem Binder-Pulver-Verbund herausgeschnitten wird.
Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.
Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.
Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.
Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.
Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.
Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.
Binder Jetting ist eine pulverbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der ein flüssiger Polymerbinder selektiv auf das Pulverbett aufgetragen wird, die Metallpartikel bindet und einen Grünkörper bildet.
Das Metallpulver wird in einer typischen Schichtdicke von 40 µm bis 100 µm auf eine Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein modifizierter 2D-Druckkopf einen Binder punktuell auf das Pulverbett auf. Je nach Maschinentechnik erfolgt parallel für jede Schicht und/oder am Ende des gesamten Aufbaus ein Aushärte- bzw. Aushärtungsprozess des Bindemittels. Während des In-situ-Härtungsprozesses wird eine Wärmequelle verwendet, um das Bindemittel zu verfestigen und einen festen Polymer-Metallpulver-Verbund zu bilden.