Welches Material verwendet ein 3D-Drucker? Kunststoff, Metall und mehr

Obwohl der Bereich des 3D-Drucks sehr komplex ist, ist die Theorie hinter der Technologie elegant einfach. Anstatt Material von etwas Größerem zu entfernen, um es zu formen – eine Methode, mit der Menschen seit Jahrtausenden Dinge erschaffen –, fügt der 3D-Druck einem Fertigungssubstrat Material hinzu, was ihm den eher technischen Begriff der additiven Fertigung einbringt.

Es ist eine stille Revolution, und jetzt treiben Materialinnovationen das Feld in ungeahnte Höhen.

Als Technologie muss der 3D-Druck noch viele Probleme lösen, bevor er wirklich zum Mainstream werden kann. Und selbst dann ist es nur so gut wie die Materialien. Viele setzen den 3D-Druck immer noch mit Polymeren gleich, eine Idee, die aus dem rasanten Anstieg des Verbraucherinteresses in den 2010er Jahren übrig geblieben ist.

In Wirklichkeit sind die Geschichte, Anwendungen und verwendeten Materialien viel weitreichender. Und da andere Materialien in der additiven Fertigung Einzug halten, wird die Herstellung billiger, schneller, sicherer und nachhaltiger.

Polymerkunststoffe sind immer noch das am weitesten verbreitete 3D-gedruckte Material, aber wenn Sie glauben, dass sie sich nur für Fantasy-Schachfiguren oder niedliche Desktop-Modelle eignen, werden Sie überrascht sein, wie vielseitig sie sind.

Polymere für den 3D-Druck gibt es in Form von Filamenten oder Harzen. Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Filamenten um lange Fäden, die beim Durchlaufen des Druckextruders erhitzt und beim Auflegen auf die vorherige Schicht in Form gebracht werden.

Harz wird in der Stereolithographie (SLA) oder der digitalen Lichtverarbeitung (DLP) verwendet, wobei das Material aus einem Tank mit flüssigem Harz stammt und beim Extrudieren Licht ausgesetzt wird, wobei das Licht es zu einer festen Schicht aushärtet, während es auf die vorherige Schicht aufgetragen wird .

Was ist also das Beste? Filamente eignen sich im Allgemeinen für größere Teile, die stärker sein müssen, während Harze für kleinere Teile geeignet sind, die weniger Nachbearbeitung benötigen.

Aber abgesehen von den Materialbesonderheiten, die dem Herstellungsprozess selbst innewohnen, können die Kriterien der traditionellen Fertigung weit verbreitet angewendet werden. Wird das Material in einer kritischen Verbindung stark genug sein? Nimmt eine tragende Oberfläche die Masse des restlichen Objekts auf? Wird es flexibel genug für die Anwendung sein?

Das am weitesten verbreitete 3D-Druckmaterial, Polymilchsäure (PLA), ist ein biologisch abbaubarer Kunststoff, der aus erneuerbaren Quellen wie Maisstärke hergestellt wird. PLA hat viele Vorteile, wie zum Beispiel einen niedrigen Schmelzpunkt, ideal für den leichten und privaten Gebrauch. Es ist außerdem stark, dehnt sich beim Erhitzen nicht so stark aus wie andere Materialien und haftet gut an anderen Materialien.

Es handelt sich um ein so vielseitiges Herstellungsmaterial, dass Sie vielleicht gar nicht bemerken, dass PLA überall in Ihrem Zuhause und am Arbeitsplatz in Einwegbesteck, Haushaltsgeräten und Elektronikteilen, „knautschbarem“ Kunststoff wie Lebensmittelverpackungen, Angelschnüren, Windeln, Damenhygieneprodukten und vielem mehr vorkommt.

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) eignet sich für Anwendungen, bei denen Festigkeit und Flexibilität erforderlich sind – denken Sie an Legosteine. Es ist langlebig, günstig, leicht und lässt sich problemlos durch einen 3D-Druckkopf extrudieren.

Da ABS ebenso robust und steif wie günstig ist, verfügt es über eine bessere Schlagfestigkeit und Stoßdämpfung als viele Polymere, was es ideal für Produkte wie Fahrradhelme und Golfschlägerköpfe macht.

Es kann auch spritzgegossen werden, sodass es für etwas ausgefallenere Formen geeignet ist – denken Sie an Musikinstrumente mit komplexer Innenstruktur, wie Klarinetten oder Oboen; Stoßstangen für Autos; und Ferngläser.

Wie der Name schon sagt, ist dieser Kunststoff mit dem Polyethylenterephthalat von Wasser- und Limonadenflaschen verwandt, jedoch mit Glykol modifiziert, daher der Zusatz „G“. Es verfügt über eine hohe Festigkeit und Flexibilität und verfügt im Vergleich zum häufiger verwendeten PLA über eine gute Temperaturbeständigkeit.

PETG eignet sich ideal für Anwendungen, die robust und glatt sein müssen und nicht zu übermäßigem Schrumpfen neigen. Es hat hervorragende Klebeeigenschaften, aber da es „klebriger“ ist als die meisten anderen, kann die Verklumpung an der Extruderdüse mehr Probleme verursachen als bei anderen Polymeren.

Und weil es sterilisierbar ist, gilt es als der perfekte Kunststoff für Lebensmittelverpackungen.

Obwohl es viele Arten gibt, bezieht sich der 3D-Druck mit Harz auf jeden Prozess, bei dem Flüssigkeit aus einem kleinen Tank zum Extruder geleitet wird, um dort erhitzt oder zum Trocknen ausgehärtet zu werden, was auch „Bottichpolymerisation“ genannt wird. Flüssigharz ist ein Photopolymer, das heißt, es reagiert/verfestigt sich, wenn es Licht ausgesetzt wird, und es gibt verschiedene Varianten.

Klare Harze werden für kleine Objekte verwendet, die sehr detaillierte Oberflächen oder Endbearbeitungen erfordern. Sie sind farblos, durchsichtig, leicht, glatt und wasserbeständig und eignen sich perfekt für Produkte, die in der Nachbearbeitung geschliffen oder lackiert werden.

Die meisten 3D-gedruckten Harzteile müssen gereinigt werden, um fehlerhafte Kanten oder überschüssige Ablagerungen zu entfernen. Dieser Vorgang wird normalerweise mit Alkohollösungen durchgeführt. Abwaschbare Harze benötigen keine derartigen chemischen Behandlungen – Sie können sie für ein glattes Finish mit Wasser nachbearbeiten.

Diese gummiartigen Harze werden verwendet, wenn Ihr Endprodukt nach dem Biegen oder Komprimieren wieder in seine ursprüngliche Form zurückkehren muss. Sie eignen sich perfekt für Prototypen von Griffen, Stoßdämpfern oder Teilen, die einer dauerhaften Drehung oder Biegung standhalten müssen.

Harze eignen sich am besten für ästhetische Teile und nicht funktionale Prototypen, und es gibt drei Hauptarten der Photopolymerisation, die sie herstellen.

Spiegel werden verwendet, um einen oder mehrere Laserstrahlen über das Harz zu richten, während es auf das Bett des Druckers gelegt wird, und das Objekt bei jeder neuen Schicht auszuhärten.

Ein Lichtblitz härtet oder fixiert eine ganze Schicht auf einmal und wird von einem Netzwerk winziger Spiegel auf die Bauoberfläche gerichtet.

Genau wie bei der Stereolithographie, nur dass eine Lichtquelle durch einen LCD-Bildschirm scheint, der eine Maske der einzelnen Schicht enthält, sodass das Licht in jedem Schritt nur diese Schicht aushärten kann.

Die Diskussion über den 3D-Druck geht heute weit über Polymere hinaus, und das gilt tatsächlich für die gesamte Geschichte der additiven Fertigung: Die ersten Bewegungen auf diesem Gebiet betrafen die Metallfertigung.

Viele der Materialien, die bisher nur in der traditionellen Fertigung verwendet wurden, befinden sich derzeit in der aktiven Entwicklung für die Welt des 3D-Druckers.

Eine der Superkräfte des 3D-Drucks sind Verbundwerkstoffe, mit denen Materialien wie Marmor, Keramik und Holz nachgeahmt werden können (obwohl es kein großer Schritt ist, sich einen mysteriösen Prozess von morgen vorzustellen, der erhitzten Holzzellstoff sofort aushärtet).

Holzfilamente für den 3D-Druck bestehen zu etwa 70 % aus PLA, wobei 30 % aus Sägemehl oder ähnlichen Holzfasern stammen.

Der offensichtliche Vorteil besteht darin, dass das Endprodukt eher wie Holz als wie Plastik aussieht, sich anfühlt und sogar riecht. Es eignet sich hervorragend für ästhetische Zwecke und ist außerdem weniger spröde als PLA-Harz allein.

Genau wie bei der traditionellen Herstellung ist Kohlefaser extrem stark, aber bei gleicher Leistung wesentlich leichter, was sie zu einem himmlischen Mann für die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie den Rennsport macht.

Kohlenstoff schmilzt erst bei etwa 3.600 Grad Celsius und ist daher für den Verbraucher- und Prosumer-Markt größtenteils unerreichbar. Beim Abkühlen schrumpft es nicht, was bedeutet, dass die geformte Schicht näher an der endgültigen Ausgabe liegt. Kohlefaserfilamente erfordern ebenfalls eine speziellere Handhabung, können jedoch die Lieferketten für Stahl und Eisen ernsthaft stören.

Metall ist schwieriger zu bearbeiten. Es muss auf eine viel höhere Temperatur erhitzt oder in Pulverform mit viel stärkerer Kraft durch einen 3D-Drucker-Extruder gepresst werden. Aber das ist immer noch weitaus gesünder für das Fabrikpersonal und die Umwelt als riesige, heiße, schmutzige, stinkende und gefährliche Schmelzöfen.

Es gibt Bestrebungen, den Prozess erschwinglicher und demokratisierter zu machen, und anstelle der umfangreichen Infrastruktur aus Silikonformen und glühend heißem geschmolzenem Eisen können Sie schnell auf Kleinserien oder Spezialteile umrüsten.

Darüber hinaus sind Kosten- und Volumeneinsparungen möglich. Beispielsweise nutzte die NASA die additive Fertigung, um eine Raketentreibstoffpumpe mit etwa der Hälfte der Teile herkömmlicher Methoden herzustellen.

Im Gesundheitswesen ist Metall ein ideales Material für den Ersatz von Knochen oder Gelenken, die den korrosiven Einflüssen im menschlichen Körper standhalten müssen. Und um die Außenseite des Körpers zu schmücken, ermöglicht Metall Designern und Kunden die Herstellung einzigartiger 3D-gedruckter Schmuckstücke.

Wenn es um die neue Generation 3D-gedruckter Materialien geht, könnte der dringendste Bedarf an Baumaterialien liegen.

Die Möglichkeit, ein 3D-gedrucktes Haus zu bauen, das in Russland für weniger als 11.000 US-Dollar in 24 Stunden von einem Bostoner Unternehmen gebaut wurde, hat im Vergleich zu herkömmlichen Bautechniken offensichtliche Vorteile, aber es steckt noch viel mehr dahinter.

Weltweit ist das Bauwesen für 23 % der Luftverschmutzung, 40 % der Trinkwasserverschmutzung, 50 % der Mülldeponien und 40 % der Treibhausgasemissionen verantwortlich.

3D-gedruckte Wohnungen sparen Geld und Zeit, was bessere, kostengünstige oder Notunterkünfte ermöglicht. Außerdem wird es viel weniger nötig sein, Materialien zu Baustellen zu transportieren und Abfälle abzutransportieren, was das Bauen noch nachhaltiger macht.

Tatsächlich wurde die additive Konstruktion vor Ort sogar als wahrscheinlichster Weg zur extraplanetaren Erkundung und Besiedlung vorgeschlagen.

Viele Technologien haben einen „Blue-Sky“-Endpunkt, und der Weg zu diesem Punkt kann der Gesellschaft inkrementelle Vorteile bringen. Beim 3D-Druck ist es nicht anders.

Stellen Sie sich die Zukunft der subtraktiven Fertigung in einer Welt mit ausgereifter Materialwissenschaft vor, in der die Technologie der additiven Fertigung von der kleinsten Tischeinheit bis hin zu Giganten in der Größe von Flugzeughangars zum Einsatz kommt. Stellen Sie sich ein globales, branchenweites Herstellungsverhältnis von 1:1 vor, bei dem die benötigten Materialien nicht mehr die verwendeten Materialien übersteigen, was ein Ende des Produktionsabfalls signalisiert.

Aktuelle Recyclingsysteme sind alles andere als perfekt, und der Transport von Nebenprodukten erhöht nur die CO2-Emissionen – es scheint viel besser, sie an der Quelle zu entfernen, an der sie entstehen.

Es geht auch darum, Prototypen weitaus kostengünstiger herzustellen. Ein digitales Modell zu optimieren und 1.000 Mal eine neue Version an einen 3D-Drucker zu senden, ist immer noch schneller und kostengünstiger, als einen gesamten Live-Produktionsworkflow hochzufahren, nur um ein einzelnes Teststück zu perfektionieren.

Darüber hinaus ermöglicht es ein völlig neues Verbraucherparadigma der Individualisierung und des Print-on-Demand, mit dem gewagte, ausgefallene oder innovative neue Geometrien geschaffen werden können.

Die subtraktive Fertigung durch Drehmaschinen oder Fräsmaschinen eignet sich hervorragend zur Herstellung vieler relativ einfacher Dinge. Aber – genau wie beim Rapid Prototyping – bietet der 3D-Druck die Möglichkeit, ein Design endlos zu überarbeiten, um ein einzelnes Objekt praktisch zum gleichen Stückpreis wie 10.000 davon herzustellen.

Und da beim 3D-Druck Material hinzugefügt statt abgezogen wird, lassen sich unendlich variable und ungewöhnliche Formen herstellen, die selbst mit den präzisesten CNC-Werkzeugmaschinen nicht realisierbar sind. Das ist insbesondere dann der Fall, wenn man Konzepte wie generatives Design hinzufügt, die den Menschen einen Großteil der rechnerischen Arbeit des Designs abnehmen können.

Und schließlich ermöglicht es Ihnen eine viel schnellere Markteinführung, egal, ob Sie in einem kleinen Studio Prototypen entwickeln, die viel schneller reagieren als in einer großen Produktionsumgebung, oder ob Sie in wenigen Tagen komfortable Wohnungen bauen, um Familien zu helfen, die aufgrund einer Naturkatastrophe ihr Obdach verloren haben.

Aufgrund der Möglichkeiten und Fortschritte bei Materialien hat der 3D-Druck bereits mehrere Branchen nachhaltig verändert.

In der Fertigung ist der Einsatz subtraktiver oder additiver Verfahren kein Entweder-Oder-Prinzip. Ein Londoner Designunternehmen setzt bereits ein riesiges Additive-Manufacturing-Tool in traditionellen Fabrikumgebungen ein, um ein Hybridmodell zu erstellen.

Es erweitert auch die Möglichkeiten dessen, was gemacht werden kann. Ein gutes Beispiel ist das Gesundheitswesen, wo additiv gefertigte Haut, Knochen und Gelenke aus Titan und sogar Blutgefäße zu den Innovationen zählen.

Die Bauinnovationen sind noch weiter fortgeschritten – und haben großes Potenzial, die Branche zu verändern. Additive Praktiken sind bereits so weit etabliert, dass gefordert wird, diesen Bereich mit relevanten und aktualisierten Bauvorschriften ordnungsgemäß zu regulieren.

Um dem gesellschaftlichen Wohl zu dienen, kann man damit beginnen, dass Wohnungen teuer sind. Viele Menschen können sie sich einfach nicht leisten. Wenn es also möglich wäre, an einem einzigen Tag ein Haus für die Kosten eines anständigen Gebrauchtwagens zu bauen, könnte dies dazu beitragen, zig Millionen Menschen aus der Armut zu befreien.

Die additive Fertigung bietet auch Effizienzsteigerungen, die herkömmliche Konstruktionen nicht bieten. Der Wohnungsbau erfolgt normalerweise in einem linearen Prozess: Aufstellen des Rahmens, Verlegen von Ziegeln, Anbringen von Dachstühlen – alles, um das Projekt für die spätere Arbeit von Glasern und Klempnern vorzubereiten.

Doch bereits 2016 erweiterte ein einzigartiges Multimaterial-Additivverfahren die Möglichkeiten des 3D-Drucks. Angenommen, die Wissenschaft kann mit jedem möglichen Material funktionieren, stellen Sie sich dann eine Zukunft vor, in der ein Drucker komplett mit Elektrokabeln, Klimaanlagenrohren, Fensterglas und Farbe in einem Schritt von der Wand eines Hauses entfernt werden kann?

Für viele erscheint die additive Technologie immer noch futuristisch, aber Sie wären überrascht, wie viele Ihrer Lieblingsprodukte bereits den 3D-Druck nutzen. Und das noch bevor auf die futuristischen Materialien eingegangen wird, die eines Tages in großem Umfang in Ihr Zuhause gelangen könnten, wenn sie in der additiven Fertigung effektiv eingesetzt werden können.

So wie Pioniere vergangener Generationen neue Wege für die additive Fertigung mit Holz, Metall und darüber hinaus beschritten haben, gibt es heute irgendwo in einer Garage einen Tüftler, der dasselbe mit Aerogel, Graphen, Kohlenstoffnanoröhren, in Elektronik eingebetteten Stoffen oder einer anderen Substanz tut das wird in den kommenden Jahren alltäglich werden.

Dieser Artikel wurde aktualisiert. Es wurde ursprünglich im November 2014 veröffentlicht. Jeff Yoders hat zu diesem Artikel beigetragen.

Als Drew Turney mit dem Bewusstsein aufwuchs, dass er die Welt verändern wollte, erkannte er, dass es einfacher war, über andere Menschen zu schreiben, die sie stattdessen veränderten. Er schreibt über Technologie, Kino, Wissenschaft, Bücher und mehr.

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