Produktionsmaterialien für die Additive Fertigung

So wie ein Handwerker gerade so gut ist wie seine Werkzeuge, ist ein 3D-Drucker gerade so gut wie die Ausgangsmaterialien, die er verwendet. Wir alle wissen um den Hype, der sich rund um die additive Fertigung gebildet hat. Dennoch gibt es noch viele Hindernisse bei der Weiterentwicklung dieser Technologie vom Rapid Prototyping hin zur Massenproduktion.

Materialbeschränkungen sind zweifellos eines der größten Hindernisse, wenn es darum geht, den 3D-Druck in einen etablierten Produktionsprozess zu verwandeln. Seit den Tagen der proprietären Filamente ist aber viel passiert. Die additive Fertigung mit Metallen ist in den letzten Jahren geradezu explodiert und der Trend zu einem offenen Plattform-Ansatz in Bezug auf 3D-Druckpolymere ermutigt große Unternehmen wie DuPont, neue Materialvarianten für den additiven Markt zu entwickeln.

Welche Materialvarianten stehen derzeit zur Verfügung, wenn es um die additive Fertigung geht?

Lesen Sie weiter, um es herauszufinden.

Der heutige Stand der additiven Fertigungsindustrie

Es ist kein Geheimnis, dass in den letzten zehn Jahren ein enormes Marktwachstum im Bereich der additiven Fertigung stattgefunden hat. Darüber hinaus zeigen aktuelle Prognosen, dass das Marktpotential des 3D-Drucks jenes der traditionellen Herstellungsverfahren, wie z. B. Spritzguss und CNC-Bearbeitung, weiterhin hinter sich lassen wird. Die Aussichten für die metallbasierte additive Fertigung sind sogar noch optimistischer, was erklären könnte, warum Unternehmen, die sich zuvor auf die polymerbasierte additive Fertigung konzentriert hatten, nun beginnen, zunehmend in metallbasierte Technologie zu investieren – wie zum Beispiel das  Stratsys-Spin-Off Vulcan Laboratories.

Die monumentalen Veränderungen, die sich in der additiven Fertigungsindustrie vollzogen haben, werden einem erst so richtig bewusst, wenn man bedenkt, wie schnell sich die Branche in so kurzer Zeit weiterentwickelt hat. „Im Vergleich zu 2008, als es noch lediglich eine Handvoll 3D-Druck-Hersteller gab, existierte die Idee des Desktop-3D-Drucks noch nicht wirklich und der 3D-Metalldruck stellte nur eine Nische dar – nur sehr wenige Unternehmen entwickelten Anlagen und verkauften einige wenige Einheiten pro Jahr für Forschungsanwendungen. Die gesamte Branche befindet sich heute in einer grundlegend anderen Situation als noch vor zehn Jahren“, sagt John Kawola, Präsident von Ultimaker Nordamerika.

Wie Kawola ausführt, liegen zwischen dem 3D-Druck-Markt von 2008 und demjenigen von 2018 Welten. In zehn Jahren ist die Zahl der Unternehmen von ein paar wenigen auf einige hundert gestiegen; es lässt sich eine explosionsartige Zunahme von verfügbaren Optionen im Bereich des Desktop-3D-Drucks wahrnehmen und zusätzlich erleben wir einen starken Preisrückgang. Der Punkt, an dem der Metall-3D-Druck lediglich eine Theorie darstellte, ist überwunden und mittlerweile können metallbasierte additive Komponenten hergestellt werden, die für den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen zugelassen sind.

Zur allgemeinen Einordnung: Obwohl das Motorola RAZR V3 im Jahr 2008 noch das beliebteste Handy auf dem Markt war, war zur gleichen Zeit bereits das erste iPhone erhältlich, zusammen mit Facebook, Twitter und den meisten anderen Online-Giganten von heute. Im Bereich der Fertigungstechnologie stellte das Jahr 2008 das Jahr dar, in dem der offene Kommunikationsstandard MTConnect – welcher zum Verfassungszeitpunkt dieses Beitrags in der Version 1.4.0 vorliegt – auf der IMTS seine Premiere feierte. Zu den weiteren Highlights der IMTS 2008 zählten multifunktionale Werkzeugmaschinen (z. B. Kombination von Schleif- und Hartdrehfunktionen) und die Bearbeitung von Nicht-Metallen (z. B. Kunststoff und Verbundwerkstoffe). Alle diese Technologien haben in den letzten zehn Jahren Fortschritte gemacht, doch keine von ihnen ist so explosiv gewachsen wie die additive Fertigung, und der Trend setzt sich weiter fort.

Additive Fertigungsmaterialien

Laut dem Wohlers-Bericht für 2017 ist der Gesamtmarkt für additive Fertigungsmaterialien im Jahr 2016 um 17 Prozent gewachsen. Das ist eine niedrigere Rate als im polymerbasierten additiven Fertigungsmarkt als solchem, der zwischen 2010 und 2017 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) von 29 Prozent aufwies. Diese Abweichung ist nicht wirklich überraschend: Der Grundstoffmarkt ist zusehends etabliert und gesättigt. Es ist viel einfacher, einen neuen 3D-Drucker zu bauen, als ein neues Druckmaterial zu entwickeln.

Abgesehen davon stellt die Materialvielfalt immer noch ein Problem in der additiven Fertigung dar, auch wenn diese nicht annähernd so groß ist wie noch vor einem Jahrzehnt. “Schaut man in das Jahr 2008 zurück, verwendeten damals im Grunde genommen sämtliche Unternehmen im Bereich der Kunststofffertigung proprietäre Materialien – 3D Systems, Stratasys.. Ich arbeitete damals für eine Firma namens Z Corporation und wir verwendeten alle unsere eigenen Materialien“, erklärt Kawola. „Aus Anbietersicht war die Welt in Ordnung: Die Kunden konnten nur bei ihnen einkaufen, die Bruttomargen waren hoch und es entstanden so gut wie keine Vertriebskosten. Aber wenn man die Sache aus einigem Abstand betrachtet und sich fragt, wie viel Materialwissenschaftler zu dieser Zeit eigentlich in der Branche tätig waren, so gab es vielleicht ein paar Dutzend, aber sicherlich nicht Hunderte.“

Die Materialien proprietär zu halten, ist ein guter Weg, um ein Monopol aufrechtzuerhalten. Aber es ist ein negativer Anreiz in der Entwicklung neuer Materialien. Wenn Ihr Kunde keine andere Wahl hat, als sein Material von Ihnen zu erwerben, dann spielt es keine Rolle, ob Ihr Mitbewerber über vergleichbare Materialien mit besseren Eigenschaften verfügt, weil die Barriere – der Kauf eines weiteren 3D-Druckers – einfach zu hoch ist.

Wenn ein Markt auf diese Weise separiert ist, dann hält dies auch die Materiallieferanten von Innovationen ab. Für ein Unternehmen wie DuPont ist es schlicht viel kostengünstiger, 3D-Druck-fähige Nylonmaterialien zu entwickeln, die auf vielen verschiedenen Maschinen ausgeführt werden können, anstatt für jede einzelne Marke eine eigene Formel erstellen zu müssen.

Aus diesem Grund hat sich die 3D-Druckindustrie – einschließlich Unternehmen wie Ultimaker und HP – in den letzten Jahren einem Open-Platform-Ansatz im Hinblick auf die verwendeten Materialien verschrieben. „Dies hat die Tür für die großen Materialhersteller der Welt geöffnet – DuPont, Dow, Owens Corning, Mitsubishi, DSM – die Liste könnte beliebig weitergeführt werden. Ich denke, das hat den großen Unterschied gemacht und den 3D-Druck stärker im Fertigungsbereich etabliert, denn dadurch sind jetzt die weltbesten Fachleute aus dem Bereich der Polymermaterialien am Werk, die viele der im Spritzguss angewendeten Materialien nutzen und sie auf den 3D-Druck übertragen.“

Die Möglichkeiten additiver Materialien werden vielfältiger, da die großen Rohstoffunternehmen nun kräftig im Markt mitmischen, aber welche additiven Materialien stehen heute tatsächlich für Produktionsanwendungen zur Verfügung?

Arten von additiven Materialien

Obwohl eine Vielzahl additiver Materialien existieren – einschließlich Sand, Glas, Keramik und sogar Schokolade -, konzentriert sich dieser Beitrag auf die beiden Materialkategorien, die für Produktionsanwendungen am wichtigsten sind: Polymere (d.h. Thermoplaste) und Metalle.

Metallbasierte 3D-Druck-Materialien

Der Markt für die metallbasierte additive Fertigung ist noch schneller gewachsen als der Markt für die additive Fertigung insgesamt. Die verwendeten Materialien spielen dabei wohl eine bedeutende Rolle. Im Gegensatz zu polymerbasierten 3D-Druckern, die im Prinzip den Aufbau einer ganz neuen Materialindustrie erfordert haben, verwenden Metall-3D-Drucker Draht oder (noch häufiger) Metallpulver, also Ausgangsmaterialien aus bereits bestehenden Branchen.

Zugegeben: Wenn Sie ein metallbasierte Komponente additiv herstellen wollen, die gängigen Anforderungen entsprechen soll, dann sollten Sie ein Pulver verwenden, das speziell für additive Anwendungen entwickelt wurde, sodass beispielsweise die Korngröße mehr oder weniger homogen ist. Dennoch hat die Kontinuität der verwendeten Materialien zwischen Metallbeschichtung und 3D-Metalldruck zweifellos dazu beigetragen, dass die letztere Branche stärker angezogen hat, als dies sonst der Fall gewesen wäre. Noch wichtiger in diesem Zusammenhang ist allerdings die Tatsache, dass metallbasierte Komponenten aus dem gleichen Material additiv hergestellt werden können, das normalerweise im Rahmen der maschinellen Bearbeitung verwendet werden würde.

Darüber hinaus eröffnet der additive Fertigungsprozess neue Möglichkeiten in Bezug auf Materialien, die mit herkömmlichen Methoden nicht kompatibel sind. Zum Beispiel ermöglichen einige 3D-Metalldruckverfahren das Aufeinanderschichten verschiedener Metalle – wie Aluminium, Tantal und Nickel – in einem einzigen Objekt. Auf der anderen Seite führt der 3D-Druckprozess auch zu neuen potenziellen Problemen und Fehlerquellen, einschließlich Porosität, Eigenspannungen und Verzug.

Im Regelfall gilt: Kann Metall gut verschweißt oder gegossen werden, eignet es sich auch für die additive Fertigung. Wie zuvor erwähnt, gibt es bereits eine breite Palette von Metallen und Legierungen, die 3D-gedruckt werden können (aus Pulver oder Draht). Diese schließen ein:

• Aluminium
• Kobalt
• Kupfer
• Inconel
• Nickel
• Edelmetalle (Gold, Silber, Platin)
• Edelstahl
• Tantal
• Titan
• Werkzeugstahl
• Wolfram

Nun schauen wir uns drei der Metalle in dieser Liste einmal genauer an.

Additive Fertigung mit Titan

Titan ist eines der beliebtesten Produktionsmaterialien für den 3D-Druck, insbesondere für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt und in der Medizin. Es kombiniert die Leichtigkeit von Aluminium mit der Festigkeit von Stahl und ist zudem biokompatibel. Diese Vorteile werden jedoch durch die relativ hohen Kosten von Titan neutralisiert. Daher stellt die additive Fertigung durch das Potential zur Abfallreduktion (und dementsprechender Kostenreduktion) eine attraktive Option zur Fertigung von Komponenten aus Titan dar.

Pulverförmiges Titan ist pyrophor und reagiert bei Temperaturen über 700° C explosiv mit Wasser. Aus diesem Grund muss Titanpulver in einem Vakuum- oder Argongasraum 3D-gedruckt werden. Es ist auch möglich, beim 3D-Druck von Titan die Technik des Elektronenstrahlschmelzens (EBM) unter Verwendung von Drahtmaterial zu nutzen, wodurch das Risiko einer explosiven Reaktion ausgeschlossen wird.

Die zwei gängigsten Titanlegierungen, die in der additiven Fertigung verwendet werden, sind 6Al-4V und 6Al-4V ELI.

3D-Druck mit Aluminium

Aluminium ist ein leichtes und vielseitiges Metall, das für den 3D-Druck von Luft- und Raumfahrtkomponenten sowie für Rennsportkomponenten verwendet werden kann. Es ist nicht so stark wie Stahl, aber viel leichter und korrosionsbeständiger. Es ist zwar etwas teurer, jedoch kostengünstiger als Titan.

Der größte Vorteil von Aluminium im Kontext des 3D-Druck besteht in der Möglichkeit, Objekte mit feinen Details und dünnen Wänden – bis zu 50 Mikron – herzustellen. Aluminiumteile, die mittels additiver Fertigung hergestellt werden, neigen dazu, eine texturierte, matte Oberfläche aufzuweisen, im Gegensatz zu der gefrästen Oberfläche, die für maschinell bearbeitete Aluminiumteile typisch ist.

Die am häufigsten verwendete Aluminiumlegierung für den 3D-Druck ist AlSi10Mg.

Additive Fertigung mit Edelstahl

Im Vergleich zu Aluminium, Titan und den meisten der in unserer Liste aufgeführten Metallen ist Edelstahl die mit Abstand günstigste Option. Er kann für den 3D-Druck von wasserdichten Teilen mit hoher Festigkeit und Dichte zur Nutzung unter Extremstbedingungen eingesetzt werden, z. B. bei Strahltriebwerken und Raketen. Es gibt außerdem mehrere Studien, die dem 316L-Edelstahl eine besondere Eignung zur additiven Herstellung von nuklearen Druckbehältern attestieren.

Obwohl 316L normalerweise nicht vergütbarer (nicht härtbarer) Stahl ist, legt eine Studie von Renishaw nahe, dass die additive Fertigung im Vergleich zu geschmiedeten Materialien Legierungen mit höherer Festigkeit erzeugt, wobei einige Anwender sogar eine Zugfestigkeit von mehr als 600 MPa erreichen. Edelstahlteile können mittels direkter Metallauftragung oder Binder Jetting 3D-gedruckt werden. Sie können zudem mit anderen Metallen beschichtet werden, um ihr Erscheinungsbild bzw. ihre Oberflächeneigenschaften zu verändern

Die gebräuchlichsten Edelstähle in der additiven Fertigung sind 17-4PH, 15-5-PH, ASM 316L und 304L.

Thermoplastische 3D-Druckmaterialien

Der Materialmarkt für die thermoplastische oder polymerbasierte additive Fertigung hat sich über mehrere Jahrzehnte hinweg etabliert. Durch den jüngsten Trend zu Open-Plattform-Ansätzen für 3D-Druckmaterialien stabilisiert er sich weiter. Kawola fasst es wie folgt zusammen:

„Die Erstausrüster kaufen ihre Materialien für den Spritzguss tonnenweise bei den großen Kunststoffunternehmen der Welt ein“, führt er aus. „Entwickeln diese Unternehmen auch Filamente oder Pulver für den 3D-Druck, kommt es zu einer Kontinuität zwischen der Verwendung dieser Materialien im Prototypen-Stadium, ihrer Anwendung in einem 3D-Drucker zur Fertigung und letztendlich ihres Einsatzes im Rahmen traditioneller Fertigungsmethoden wie dem Spritzguss . Diese Herangehensweise ist recht neu und hat sich erst im Laufe der letzten Jahre etabliert.“

Die Aufrechterhaltung einer Materialkontinuität zwischen 3D-Druck und Spritzguss hat mehrere Vorteile. Zum einen erleichtert die Tatsache, dass während des gesamten Herstellungsprozesses – vom Prototyp bis hin zum Endprodukt – das gleiche Material verwendet wird, den Prozess für den Anwender enorm. Es existieren jedoch weitere, konkretere Vorteile, wie etwa das fehlende Erfordernis zusätzlicher Materialzertifizierungen und die Erhöhung der Akzeptanzrate der Technologie.

Vergleicht man die Nutzung von Spritzgusstechnik und die Nutzung eines 3D-Druckers im Hinblick auf die Herstellung ein und desselben Teils, stößt man zwar auf bedeutende Prozessunterschiede. Werden aber im Wesentlichen die gleichen Materialien verwendet, fällt es Unternehmen wesentlich leichter, additive Technologien für die Endfertigung in den Unternehmenskontext einzuführen“, sagt Kawola.

Die Liste 3D-Druck-fähiger Polymermaterialien ist noch länger als die für Metalle, aber hier finden Sie einige der beliebtesten Varianten:

• Acetal
• Acryl
• Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)
• Acrylnitril-Styrol-Acrylat (ASA)
• Schlagfestes Polystyrol (HIPS)
• Nylon
• Polycarbonat (PC)
• Polyetheretherketon (PEEK)
• Polyethylenterephthalat (PET)
• Polyethylen Trimethylenterephthalat (PETT)
• Glykol-modifiziertes Polyethylenterephthalat (PETG)
• Polymilchsäure (PLA)
• Polypropylen (PP)
• Polyvinylalkohol (PVA)
• Thermoplastisches Elastomer (TPE)
• ULTEM

 

Genau wie bei den Metallen werfen wir nun einen näheren Blick auf drei Materialien aus dieser Liste.

Additive Fertigung mit Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)

ABS ist bei weitem das beliebteste Material für Produktionsanwendungen im Bereich des 3D-Drucks. Obgleich PLA insgesamt beliebter ist, stellt ABS aufgrund seiner Festigkeit, Haltbarkeit und niedrigen Kosten fast immer eine bessere Wahl für die Fertigung dar. ABS muss auf relativ hohe Temperaturen von 230-250° C erhitzt werden, damit es von einem 3D-Drucker gedruckt werden kann, und benötigt daher im Allgemeinen auch ein Thermo-Druckbett, damit eine ordnungsgemäße Kühlung gewährleistet und Materialverzug verhindert wird.

ABS-Teile können unter Verwendung von Fused Deposition Modeling (FDM), Binder Jetting, Stereolithographie (SLA) oder Polyjetting additiv gefertigt werden. Der Hauptnachteil von ABS ist die Tatsache, dass es toxisch ist. Das gleiche gilt für die Dämpfe, die es abgibt, sobald es seinen Schmelzpunkt erreicht hat. Mit ABS 3D-gedruckte Komponenten kommen am häufigsten als Gehäuse von Endprodukten vor oder im Rahmen von Rapid-Tooling-Anwendungen.

3D-Druck mit Nylon

Nylon – allgemein bekannt als Polyamid – ist ein synthetisches Polymer, das bei höheren Kosten eine bessere Festigkeit als ABS bietet. Es ist außerdem sehr flexibel und weist ein hervorragendes Materialgedächtnis auf. Die Schichthaftung bei 3D-gedruckten Teile aus Nylon ist ebenfalls überdurchschnittlich.

Die Feuchtigkeitsempfindlichkeit des Nylons erfordert, dass sein Einsatz in der additiven Fertigung entweder im Vakuum oder bei hohen Temperaturen stattfindet. Es sollte außerdem in luftdichten Behältern gelagert werden. Einige Nylon-Teile können anfällig für Schrumpfung sein, wodurch sie weniger präzise als ABS sein können.

Die beliebtesten Nylon-Arten für die additive Fertigung sind Taulman 618, Taulman 645 und Bridge Nylon.

Additive Fertigung mit Polycarbonat (PC)

Polycarbonat-Kunststoffe – auch bekannt unter dem Handelsnamen Lexan – sind sowohl leicht als auch dicht und verfügen über eine ausgezeichnete Zugfestigkeit. Aufgrund seiner transparenten Eigenschaft kann das PC in einer Vielzahl von Anwendungen, einschließlich Sonnenbrillen, eingesetzt werden. Mit kohlenstoffverstärktem PC können Ansaugkrümmer und andere Teile hergestellt werden, die eine Bearbeitung mit hohen Temperaturen erfordern.

PC ist in Dichlormethan löslich und schmilzt bei Temperaturen von 260 – 300 °C, was für 3D-Druck-Anwendungen recht hoch ist. Trotz seiner natürlichen Transparenz kann PC bei Bedarf gefärbt werden. Wie ABS benötigt es ein Thermo-Druckbett, um Haftung sicherzustellen und die Gefahr des Materialverzugs zu verringern.

Fazit

Bei all den Fortschritten, die in den letzten 30 Jahren erzielt wurden, stellt der 3D-Druck immer noch eher eine Nischen- als eine Mainstreamtechnologie in der Fertigungsindustrie dar. Kawola erklärt uns die Stellung der additiven Fertigung im allgemeinen Branchenkontext, indem er die zwei gängigen Extreme des Produktionsspektrums aufzeigt:

„Auf der einen Seite haben wir zum Beispiel die Herstellung von Legosteinen, die für etwa einen halben Cent pro Stück gefertigt werden können“, sagt er. „Diese Kosten wird man mit dem 3D-Druck niemals schlagen können, zumindest nicht, solange ich noch lebe. Wendet man den 3D-Druck jedoch im Bereich der Zahnlabore an, wo alle Druckanwendungen Einzelanfertigungen sind, sieht es ganz anders aus. Die größte Chance für den 3D-Druck in der Produktion liegt also in diesem niederschwelligen Bereich, überall dort, wo nur Volumina von 100 oder 1.000 Stück gedruckt werden müssen.“

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