Der 3D-Laserdruck hat die computergestützte Fertigung revolutioniert. Der Prozess erlaubt es, komplexe Komponenten mit engeren Toleranzen und einem höheren Präzisionsgrad herzustellen. Dadurch wird eine Vielzahl spezieller Formen möglich.
3D-Laserdruck: Der Prozess
Der Prozess beginnt mit dem Entwurf eines 3D-CAD-Modells. Eine spezielle System-Software unterteilt das CAD-Modell numerisch in mehrere finite Schichten. Für jede geschnittene Schicht wird ein Laserscan-Pfad kalkuliert. Dieser definiert sowohl die Konturabgrenzung als auch eine Art Füllsequenz mithilfe eines Rastermusters.
Ein Laserstrahl erzeugt jede nachfolgende Schicht abschnittsweise durch das Schmelzen eines Pulverbettes. Nach jeder geformten Schicht verteilt ein Wischer das Pulver gleichmässig. Dieser Prozess wird mehrfach wiederholt. Die geschmolzenen Partikel verschmelzen und erstarren schliesslich, sodass die jeweilige Komponente Schicht für Schicht entsteht.
Metal Additive Manufacturing und Metallzusatzproduktion (AM)
Metallzusatzproduktion ist eine innovative Technik. Sie fertigt kompakte Teile direkt aus 3D-CAD-Daten. Dabei werden feine Schichten aus Metallpulver mithilfe eines fokussierten Laserstrahls miteinander verschmolzen. Die Pulverbettfusion ermöglicht so schwierige Designs und Geometrien, die mit herkömmlichen Produktionstechniken möglicherweise nicht hergestellt werden können. Dieser Prozess kommt in einer Vielzahl von Anwendungen und Industrien zum Einsatz. Ein Beispiel ist der 3D-Laserdruck metallener Zahnimplantate, die so entworfen sind, dass sie Form und Dichte des Originalzahns nachbilden. Dies ermöglicht eine höhere Biostabilität.
Komplexe Designs im 3D-Laserdruck
Ein Vorteil beim 3D-Metalldruck ist, dass das Produkt oder Profil komplex in CAD entworfen und anschliessend an den 3D-Laserdrucker übertragen werden kann. Darüber hinaus werden Komponenten für die Bio-Chirurgie benötigt. Beispiele hierfür sind künstliche Hüften oder komplexe Schädel- und Gesichtsimplantate nach Verletzungen. Der Schädel wird zunächst gescannt, um die Symmetrie sicherzustellen. Anschliessend können die betroffenen Knochen durch 3D-Lasermetalldruck präzise reproduziert werden.
Verringerte Fertigungszeit und Kosten
Dieser Prozess reduziert Produktionszeiten und Kosten. Die Objekte können mit hoher Präzision und sehr engen Toleranzen bei Formen und Winkeln gefertigt werden. Ihre Herstellung wäre ansonsten äusserst schwierig, wenn nicht sogar unmöglich oder unverhältnismässig teuer, würde man nicht auf den Einsatz von computergestützten Fertigungstechnologien zurückgreifen.
Vermeiden von Werkzeug- und Rüstaufwand
3D-Laserdruck macht Werkzeuge überflüssig, die konstruktionsbedingt Schwächen oder Unregelmässigkeiten verursachen können. Zudem erlaubt der 3D-Laserdruck kleine Änderungen an den CAD-Daten. Dadurch können Teile schnell neu produziert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Prozess ungesintertes Material recyceln und für die Herstellung weiterer Komponenten wiederverwenden kann. Es ist zudem möglich, den Firmennamen oder eine ID-Nummer auf dem Bauteil anzubringen. Dadurch kann das Teil später korrekt identifiziert werden. Dies ist besonders wichtig bei Luftfahrt- oder Kraftfahrzeugteilen, bei denen die Rückverfolgbarkeit entscheidend ist.
Flexibilität im Design
Einer der nützlichsten Vorteile des 3D-Lasermetalldrucks ist die grössere Flexibilität, die er bei nachfolgenden Entwürfen bietet. Änderungen können dadurch schnell und einfach umgesetzt werden. Sobald ein Prototyp vorliegt, können Hersteller Teile und Komponenten schneller produzieren. Mithilfe derselben Daten und 3D-Scans lassen sich weitere Komponenten wesentlich schneller herstellen.
Metall-Warmstrangpressen
Eine Plattform hält die Bauteile während des Produktionsprozesses in Position und leitet Wärme und Spannungen ab. Stützstrukturen für komplexe Designs halten das Metallpulver an seinem Platz, während es verflüssigt wird, damit die Form bis zum Aushärten des Bauteils erhalten bleibt. Nach dem Aushärten der Komponente können diese Stützstrukturen entfernt werden.
Vielfalt von Metallen
Beim 3D-Laserdruck kann eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien verwendet werden. Dazu zählen Edelstahl ebenso wie Maraging-Stahl oder Edelmetalle. Auch Kobalt-Chrom, Titan, nickelbasierte Legierungen oder Aluminium können eingesetzt werden. Das bedeutet, dass die Anwendungsbereiche solcher Komponenten äusserst vielfältig sind.
So können Komponenten für verschiedene Anwendungen und Industrien hergestellt werden. Neben der Rüstungsindustrie gehören dazu auch die Medizin, die Luftfahrt- und Automobilindustrie. Auch Schmuckdesigner, Architekten und Hersteller setzen im 3D-Laserdruck gefertigte Komponenten ein.
Derzeitige Grenzen beim 3D-Laserdruck
Die Technologie selbst ist noch ziemlich teuer. Einerseits sind die Investitionskosten sehr hoch und andererseits ist die Produktivität niedrig. Bei der Herstellung von Einzelkomponenten stellt dies kein Problem dar. Für eine industrialisierte Massenfertigung ist die Technologie jedoch noch zu teuer.
Auch die Gesamtgrösse ist begrenzt. Mit 3D-Laserdruck können nur kleine Profile hergestellt werden, die in einen virtuellen Würfel mit einer Kantenlänge von achtzig Millimetern passen. Längere Profile sind derzeit noch nicht realistisch.
Alles in allem ist der 3D-Laserdruck die ideale Lösung für kleine, komplexe Komponenten. Für Profile aus Aluminium, Titan oder Edelstahl Strangpressen ist erforderlich.