Bauteile 3D drucken - Viele Vorteile, aber auch einige Nachteile

Die Fertigungsverfahren, die unter dem Begriff 3D-Drucken zusammengefasst werden, sind schon seit geraumer Zeit in aller Munde und erfahren eine rapide technische Weiterentwicklung. Bedingt durch die immer kosteneffizienteren und auch leistungsstärkeren Verfahrensoptionen mit kürzeren Bearbeitungszeiten und steigender Qualität der gedruckten Bauteile, werden 3D-Druck-Verfahren für die industrielle, aber auch private Anwendung immer attraktiver.

Die 3D-Druck-Verfahren unterscheiden sich von den konventionellen Fertigungsverfahren, schon rein konzeptionell erheblich. Während es sich bei spanenden Bearbeitungsverfahren (z.B. Drehen, Fräsen, Bohren) um subtraktive Fertigungsverfahren handelt, zählt das 3D-Drucken zu den additiven Fertigungsverfahren. Subtraktive Fertigungsverfahren entfernen Material von einem Halbzeug, bis die gewünschten Formen und Maße erreicht sind. Additive Verfahren stellen das Bauteil direkt im gewünschten Maß her, sodass kein Halbzeug erforderlich ist, oder Material entfernt werden müsste.

3D-Drucken mit verschiedensten Werkstoffen und Verfahren

Das 3D-Drucken ist schon heute mit verschiedensten Werkstoffen möglich. Üblich war zunächst die Verwendung von Kunststoffen, die schon heute auch für den privaten Bereich mit verhältnismäßig günstigen 3D-Druckern umsetzbar ist. Eher industriell angewendet wird das 3D-Drucken von Metallbauteilen mit Hilfe eines Laser-Sinterverfahrens. Die Kosten beim Laser-Sintern sind erheblich höher, dafür sind die Bauteile deutlich größeren Belastungen gewachsen.  

Fused Deposition Modeling (FDM)

Üblich für das 3D-Drucken mit Kunststoffwerkstoffen ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Bei diesem Verfahren wird ein geeigneter Kunststoff zunächst durch Hitze verflüssigt und dann durch einen Druckkopf auf einer Trägerplatte schichtweise aufgetragen. Der aufgetragene Kunststoff erfährt einen raschen Viskositätsanstieg, er wird fest, sodass die nächste Schicht aufgetragen werden kann. So wird das Bauteil schichtweise von unten nach oben aufgebaut.

Lasersintern

Anders als beim FDM-Verfahren wird beim 3D-Lasersintern kein verflüssigter Werkstoff aus einem Druckkopf abgegeben. Vielmehr wird ein Pulver des gewünschten Werkstoffes durch einen Laserstrahl verschmolzen. Ausgehend von einer Trägerplatte aus Metall werden nacheinander dünne Pulverschichten miteinander, ähnlich dem klassischen Auftragsschweißen, „verschweißt“, sodass auch beim Lasersintern schichtweise das gewünschte Bauteil gedruckt wird. Dabei eignen sich einige Metalle und Metalllegierungen zum Lasersintern, darunter z.B. auch Titan und Edelstahl. Andere Legierungen sind jedoch leider aus technischen Gründen und heutigen Möglichkeiten ungeeignet.

Möglichkeiten des 3D-Drucks

Konstruktionen eines Bauteils können nicht beliebig gestaltet werden, denn sie müssen auch mit der zur Verfügung stehenden Fertigungsmethode herstellbar sein. Gerade bei zerspanenden Fertigungsverfahren muss auf diese fertigungsseitigen Anforderungen besonders eingegangen werden, um Fertigungskosten so gering wie möglich zu halten. Durch den 3D-Druck erhöht sich die Geometrieflexibilität erheblich. Vorher nicht herstellbare Konturen, Hinterschnitte oder Hohlräume sind durch den 3D-Druck nun ohne die üblichen Fertigungsrestriktionen realisierbar. Durch die mit diesem neuen Verfahren einhergehende, sehr hohe Geometrieflexibilität ist es auch möglich, Bauteile zum Teil erheblich leichter auszuführen, was ein großes Optimierungspotential, z.B. bei Bauteilen zur Anwendungen in Luftfahrzeugen mit sich bringt. Bei 3D-Druck-Bauteilen folgt die Geometrie der späteren Funktion, nicht umgekehrt. So können 3D-Druck-Bauteile viel besser an die spätere Verwendung angepasst werden als dies bei fertigungsgerechten Bauteilen bisher der Fall war. Allerdings sind vollständig neue Herangehensweisen bei der Planung und Konstruktion additiv zu fertigender Bauteile notwendig.

Besonderheiten des 3D-Drucks und Herausforderungen bei der Fertigung

Die additiven Fertigungsverfahren bergen neben all den Vorteilen jedoch auch Herausforderungen und mögliche Nachteile.

1. Bestimmte Geometrien, vor allem Bögen und Verrundungen bergen beim 3D-Drucken einen verfahrensbedingten Nachteil. Diese müssen mit Hilfe von Stützkonstruktionen (engl. Supports) versehen werden, damit die gewünschte Geometrie erreicht werden kann. Die Stützkonstruktion muss nach Fertigstellung des Bauteils wieder entfernt werden, was einen zusätzlichen Nachbearbeitungsschritt erforderlich macht. Befindet sich die Stützkonstruktion an schwer zugänglichen Stellen, z.B. in Hohlräumen, kann die Entfernung dieser Stützkonstruktion sehr aufwändig oder gegebenenfalls unmöglich sein. Konstruktiv lässt sich die Notwendigkeit von Stützkonstruktionen vermeiden, was allerdings die Beachtung dieser 3D-Druck-spezifischen Anforderungen an die stützlastkonforme Konstruktion bei der Bauteilgestaltung notwendig macht.
    
2. Durch den schichtweisen Aufbau des Bauteils beim 3D-Drucken entsteht verfahrensbedingt ein stufenähnlicher Aufbau der Bauteilstruktur. Damit geht einher, dass die Oberflächengüten additiv gefertigter Bauteiles um ein Vielfaches schlechter sind, als die der konventionell gefertigten Werkstücke. Schichtdicken variieren zwischen 20-60µm und mehr und geben dadurch bedingt die Kantenbruchstruktur der additiv generierten Oberfläche vor.
    
3. Ebenfalls ist nahezu in allen Fällen bei vorgesehenen Bohrungen, Gewinden und Passungen eine Nachbearbeitung erforderlich.
   Weiterhin kann es durch die zum Schmelzen des Materials eingebrachte Wärme zu einem Hitzeverzug im Bauteil kommen, der die Maßhaltigkeit des 3D-Druck-Bauteils negativ beeinflusst.
    
4. Das verwendete Metallpulver stellt außerdem ein Sicherheitsrisiko dar. Neben der stark gesundheitsschädlichen Wirkung durch Einatmung der Lungengängigen Feistpartikel, kann es bei Kontakt der Stäube mit offenem Feuer zu einer Staubexplosion kommen. Daher ist eine gründliche Entfernung des Metallpulvers nötig, auch um aus rein wirtschaftlichen Gründen einen übermäßig großen Austrag des noch verwendbaren Pulvers aus der Maschine zu verhindern.
    
5. Da beim Lasersintern verfahrensbedingt sehr viel Wärme in das Bauteil gelangt, versprödet der Werkstoff. Damit einher geht ein Verlust an Zähigkeit, wodurch 3D-Druckbauteile für gewisse Lastkollektive Nachteile gegenüber konventionell gefertigten Bauteilen aufweisen.

Additive gegen Subtraktive Fertigung: Vor- und Nachteile

Nachfolgend haben wir die wichtigsten Merkmale von konventioneller, subtraktiver Fertigung und des 3D-Drucks einmal tabellarisch gegenübergestellt und verglichen. Grundsätzlich ist immer eine genaue Prüfung der Vor- und Nachteile, sowie eine abgestimmte Konstruktion erforderlich um die Vorteile des 3D-Druckens vollständig ausnutzen zu können

Erfüllt die Anforderungen im Vergleich: ++ viel besser; +besser; o ähnlich; - schlechter; -- viel schlechter

Zusammenfassung

Der 3D-Druck steckt noch in der Entwicklung, etabliert sich aber schrittweise und zunehmend in der industriellen, professionellen Anwendung. Neben einigen Nachteilen und notwendigen Nacharbeiten an 3D-Druck-Bauteilen bietet der 3D-Druck eine völlig neue Flexibilität bei der Konstruktion und Herstellung von Bauteilen. Dies hat sich auch die Grindaix GmbH zu Nutze gemacht, um Kühlschmierstoffdüsen wesentlich funktionsorientierter gestalten zu können. Die Form folgt der Funktion, fertigungstechnische Restriktionen nehmen ab und so sind bessere, maßgeschneiderte Bauteile realisierbar.

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