3D-Drucker. Technischer Hintergrund, aktuelle Möglichkeiten, Chancen und Risiken


Studienarbeit, 2020

48 Seiten, Note: 1,3

Anonym


Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abkürzungsverzeichnis

1 Einleitung
1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit
1.2 Aufbau und Limitation der Arbeit
1.3 Definition und Geschichte

2 Druckverfahren
2.1 Druck mit Pulver
2.1.1 Selektives Lasersintern / Selective Laser Sintering
2.1.2 Binder Jetting
2.1.3 Multi Jet Fusion
2.2 Druck mit geschmolzenen Materialien
2.2.1 Fused Deposition Modelling/Schmelzschichtung
2.2.2 Selective Laser Melting und Direct Metal Laser Sintering
2.3 Druck mit flüssigen Materialien
2.3.1 Stereolithografie
2.3.2 Digital Light Processing
2.3.3 Polyjet Verfahren
2.4 Verwendbare Materialien und Druckvorlagen

3 Aktuelle Einsatzgebiete sowie zukünftige Möglichkeiten
3.1 Argumente für den Einsatz der 3D-Drucktechnologie
3.2 Industrie
3.3 Medizin
3.4 Produkte des täglichen Bedarfs

4 Aktuelle Problemstellungen
4.1 Waffen
4.2 Produkthaftung

5 Fazit

6 Quellenverzeichnis

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1: EY´s Global 3D Printing Report 2019

Abbildung 2: Additive Fertigungsmethoden

Abbildung 3: Anwendung von 3D-Druck und Zukunftspläne nach Branchen

Abbildung 4: Allianz Risk Barometer 2020 – Top 10 Threats

Abbildung 5: Umfrage zur privaten Nutzung von 3D-Druckern

Abbildung 6: Meistgenutzte 3D-Druck-Technologien im Jahr 2018

Abbildung 7: Prinzip des 3D-Drucks im Fused Deposition Modelling

Abbildung 8: Sinterverfahren (SLS)

Abbildung 9: Binder Jetting

Abbildung 10: Schaubild zur Multi Jet Fusion-Technologie

Abbildung 11: Fused Deposition Modelling

Abbildung 12: Lasersintern / Laserschmelzen – Prinzipdarstellung

Abbildung 13: Stereolithografie

Abbildung 14: Schematischer Aufbau beim DLP-Verfahren

Abbildung 15: Polyjet Verfahren

Abbildung 16: Meistgenutzte Materialien beim 3D-Druck

Abbildung 17: Verriegelungswellen des A350

Abbildung 18: Prognose zur Kostenentwicklung in der additiven Metallfertigung

Abbildung 19: Hüftgelenkimplantat

Abbildung 20: Forscher drucken Prototyp von Herz

Abbildung 21: Der größte 3D-Drucker der Welt

Abbildung 22: Woran scheitert die Einführung von 3D-Druck

Abbildung 23: Liberator“-Pistole aus einem 3D-Drucker

Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1 Einleitung

Der bei dem Industrieversicherungsmakler XY tätige Verfasser dieser Studienarbeit hat für die Ausarbeitung der Studienarbeit das Thema „3D-Druck“ ausgewählt, weil die 3D-Technologie den Arbeitsalltag zunehmend beeinflusst. Immer mehr Kunden setzen die 3D-Drucktechnologie zur Fertigung ihrer Produkte ein. Die zunehmende Beliebtheit dieser Technologie wird auch im Rahmen einer globalen Umfrage des Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsunternehmens Ernst & Young aus dem Jahr 2016 deutlich. Die 900 befragten Unternehmen aus 13 Ländern und neun Branchen gaben darin nicht nur den Umfang der derzeitigen Erfahrung mit der Technologie an, sondern auch inwieweit sie die Benutzung der Technologie in der Zukunft möglicherweise ausweiten könnten. Die Ergebnisse der Umfrage können der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1: EY´s Global 3D Printing Report 20191

Es lässt sich erkennen, dass die befragten Unternehmen das zukünftige Potenzial der Technologie vor allem in den Bereichen Ersatzteilherstellung, Produktion sowie Wartung und Instandhaltung sehen.

Auch eine steigende Anzahl von XY-Kunden nutzt die 3D-Drucktechnologie zur Produkterstellung. Dies wird auch anhand der in Deutschland steigenden Anzahl von verkauften Industriedruckern deutlich. Die Anzahl der verkauften Drucker kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2: Additive Fertigungsmethoden2

Produzierende Unternehmen aus den Bereichen Automobil, Transport und Logistik sowie Industrie und Medizin stellen die Mehrheit der Kunden im Kundenportfolio von XY dar. Viele dieser Kunden sind verunsichert, ob der Versicherungsschutz auch die Produkte umfasst, die im Rahmen der 3D-Drucktechnologie hergestellt werden. Dies stellt den Verfasser der vorliegenden Studienarbeit vor große Herausforderungen. Zum einen müssen bestehende Versicherungskonzepte entsprechend überprüft werden, zum anderen stellen viele Kunden Fragen zur 3D-Drucktechnologie und beziehen XY in oftmals komplexe Sachverhalte z.B. zu bestimmten Fertigungsverfahren mit ein. Der aktuelle Nutzungsgrad der Technologie sowie die für die Zukunft geplante Nutzung in Prozent aufgeschlüsselt nach Branche kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 3: Anwendung von 3D-Druck und Zukunftspläne nach Branchen3

Anhand dieser Abbildung lässt sich erkennen, dass es sich bei der 3D-Drucktechnologie um eine immer beliebtere Methode zur Fertigung von Produkten handelt. Derartige Trends müssen in der Versicherungsbranche rechtzeitig erkannt und verstanden werden, um den Kunden optimal beraten und betreuen zu können. Auch im aktuellen Risk Report der Allianz Global Corporate & Specialty, einem der weltgrößten Versicherungskonzerne, wird die 3D-Druck-Technologie als wesentlicher Faktor aufgeführt. Die Allianz Global Corporate & Specialty prüft die versicherungstechnischen Risiken für Unternehmen und erstellt darüber auf Basis von Umfragen einen jährlichen Report, das sog. Allianz Risk Barometer. In diesem wird die Bedrohung durch neuartige Technologien, zu der auch 3D-Druck gerechnet wird, unter Punkt Nr.9 als eines der größten Risiken für Unternehmen identifiziert. Eine Übersicht zu den ermittelten Risiken kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 4: Allianz Risk Barometer 2020 – Top 10 Threats4

Diese ermittelten Risiken gilt es als Industrieversicherungsmakler angemessen zu versichern. Insbesondere die Tatsache, dass die Technologie bereits heute intensiv genutzt wird, macht es notwendig, die 3D-Drucktechnologie genau zu kennen. Auch im privaten Bereich werden 3D-Drucker immer beliebter. Viele Fachleute gehen davon aus, dass in Zukunft in jedem Haushalt ein 3D-Drucker vorhanden sein wird. Daraus ergibt sich eine gesteigerte Nachfrage nach Versicherungsschutz, beispielsweise gegen Schäden verursacht durch Feuer oder Kurzschluss. Anhand der nachstehenden Abbildung können die Ergebnisse einer Umfrage zur privaten Nutzung von 3D-Druckern entnommen werden. Darin wurde den Nutzern die Frage gestellt, ob diese schon einmal einen Gegenstand selbst gedruckt oder drucken lassen haben und wenn ja welchen. Auch an dieser Abbildung lässt sich erkennen, dass das Interesse an der 3D-Drucktechnologie stark zunimmt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 5: Umfrage zur privaten Nutzung von 3D-Druckern5

Für XY ist es also essenziell, den aktuellen Stand der 3D-Drucktechnologie genau zu kennen. Werden diese Technologie, ihre Stärken und Schwächen und die zukünftigen Möglichkeiten richtig eingeschätzt, ergeben sich für XY viele Vorteile. Die Kunden, welche die Technologie bereits heute nutzen oder über eine künftige Nutzung nachdenken, können kompetenter beraten werden. Dies führt zu einer Stärkung der Kundenverbindung. Durch die richtige Positionierung am Versicherungsmarkt kann XY einen Wettbewerbsvorsprung erhalten und sich von Mitbewerbern im Bereich 3D-Druck abheben. Es besteht außerdem die Möglichkeit, eigene Versicherungsprodukte, zugeschnitten auf das Risiko „3D-Druck“ vorzeitig zu entwickeln und damit in diesem Segment tätigte Kunden direkt anzusprechen. Durch die rechtzeitige Wahrnehmung des sich in der Zukunft noch verstärkenden Trends „3D-Druck“ kann XY in der nahen Zukunft Marktanteile sichern, neue Kunden gewinnen, bestehende Kundenverbindungen stärken, sich von Konkurrenten abheben und sich am Markt als Spezialist für Versicherungsschutz rund um das Thema „3D-Druck“ positionieren.

1.1 Problemstellung und Ziel der Arbeit

Die Erkenntnis über „3D-Druck“ seitens der Versicherer führt dazu, dass 3D-Druck spezifische Versicherungsprodukte entwickelt werden, die es hinsichtlich der Qualität und möglicher Mehrwerte für die eigenen Kunden zu bewerten gilt. Auch eigene Versicherungsprodukte müssen aufgrund dieser Technologie hinterfragt und überarbeitet werden. Zu diesem Zweck werden der technische Hintergrund, aktuelle Fertigungsverfahren, mögliche Druckmaterialien und die derzeitigen und zukünftig eventuell Möglichkeiten der Technologie erläutert. Abschließend soll dem Leser ein Ausblick über die derzeitigen Problemstellungen der Technologie verschafft werden. Als Versicherungsmakler ist es essenziell, die vom Kunden eingesetzten Fertigungsverfahren sowie die damit hergestellten Produkte genauestens zu kennen, um Kunden in Versicherungsfragen optimal beraten und betreuen zu können. Ziel dieser Studienarbeit ist es daher, einen Überblick über das Thema „3D-Druck“ zu verschaffen und sowohl die aktuellen und zukünftigen Möglichkeiten der Technologie als auch die damit verbundenen Chancen und Risiken darzustellen.

1.2 Aufbau und Limitation der Arbeit

Die vorliegende Studienarbeit folgt im Aufbau der Zielsetzung und wird in fünf Kapitel gegliedert. Zuerst wird der Begriff „3D-Druck“ definiert sowie dessen Entstehung und Geschichte erläutert. Im zweiten Kapitel werden die aktuell gängigsten Druckverfahren dargestellt. Aufgrund der stetigen Neuentwicklung von Verfahren, kann die Darstellung nicht als allumfassend betrachtet werden.6 In diesem Kapitel sollen Begriffe voneinander abgegrenzt werden, die teilweise patentiert sind, jedoch dasselbe Verfahren beschreiben. Ziel dieses Kapitel ist es, dem Leser den aktuellen Stand der Technologie sowie die Stärken und Schwächen der jeweiligen Druckverfahren zu vermitteln. Des Weiteren werden die generellen Vorteile der 3D-Drucktechnologie dargestellt und die aktuellen sowie zukünftigen Möglichkeiten in ausgewählten Branchen erläutert. Abschließend werden aktuelle Probleme der Technologie behandelt. Damit sollen dem Leser die vielfältigen Einsatzmöglichkeiten der Technologie aufgezeigt werden. Sowohl bei den Anwendungsbeispielen und Druckverfahren als auch bei den aktuellen Problemen der Technologie beschränken sich die in den vorliegenden Studienarbeit vorgestellten Themen aufgrund des inhaltlichen Umfangs auf ausgewählte Bereiche. Die Studienarbeit endet mit einem Fazit im fünften Kapitel.

1.3 Definition und Geschichte

3D-Druck ist ein Oberbegriff für Fertigungsverfahren auf Basis von digitalen Vorlagen, mit denen durch das Auftragen und Verbinden von mehreren Materialschichten dreidimensionale Gegenstände hergestellt werden können. 3D-Druck wird auch als additive Fertigung bezeichnet.7 Hinsichtlich der Geschichte des 3D-Drucks lassen sich unterschiedliche, nicht einheitliche Darstellungen finden. In der Mehrzahl der Quellen wird die Erfindung des 3D-Drucks Charles Hull zugeschrieben. Dieser erfand im Jahr 1983 die Stereolithografie und gründete seine eigene Firma, die noch heute im 3D-Bereich tätig ist.8 Im Oktober 1986 wurde das Selective Laser Sintering-Verfahren von Carl R. Deckard, Joseph J. Beaman und James F. Darrah patentiert.9 Beide Patente sind mittlerweile abgelaufen. Im Oktober 1990 wurde durch das Unternehmen „Stratasys“ ein weiteres Patent angemeldet, in welchem auch der geschützte Begriff „Fused Deposition Modeling“ verwendet wurde.10 Der Patentschutz zum Selective Laser Sintering ist im Jahr 2014 ausgelaufen.11 Mit dem Ende des Patentschutzes wurde die Entwicklung der Technologie beschleunigt und zahlreiche neue Verfahren wurden zur Fertigung von Produkten verwendet. Diese Entwicklungen werden in den folgenden Kapiteln beschrieben.

2 Druckverfahren

Die im Folgenden erläuterten acht Druckverfahren werden anhand des Aggregatzustandes der einsetzbaren Druckmittel in Druckverfahren mit pulvrigen, geschmolzenen und flüssigen Materialien kategorisiert. Druck mit gasförmigen Materialien anhand des Laser Chemical Vapor Deposition Verfahrens ist ebenfalls möglich. Dieses Druckverfahren ist in der nachstehenden Abbildung nicht enthalten, da es nur selten verwendet wird. Aus diesem Grund wird dieses Verfahren im Folgenden nicht behandelt. Dabei soll auch auf die jeweiligen Stärken und Schwächen des Druckverfahrens eingegangen werden.

Aufgrund des inhaltlichen Umfangs können nicht alle aktuellen Druckverfahren beschrieben werden. Der Verfasser der vorliegenden Studienarbeit beschränkt sich daher auf die im Jahr 2018 acht meistgenutzten Druckverfahren. Diese können der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 6: Meistgenutzte 3D-Druck-Technologien im Jahr 20186

Vorab wird zum besseren Verständnis die grundsätzliche Funktionsweise eine 3D-Druckers in den Worten des Verfassers der vorliegenden Studienarbeit erläutert. Um einen 3D-Drucker verwenden zu können, werden neben dem Drucker eine digitale Druckvorlage, Drucksoftware und Druckmaterial benötigt. Hierbei kann aus einer Vielzahl von Druckern in verschiedenen Größen, Qualitätsstufen und Preisklassen gewählt werden.

Es gibt eine große Auswahl von Industriedruckern bis hin zu Druckern für den privaten Gebrauch. Diese sind unterschiedlichen Preis- und Qualitätsklassen verfügbar. Die digitale Druckvorlage wird bei allen nachstehend beschriebenen Druckverfahren in Form einer Datei, wobei es eine Vielzahl möglicher Dateiformat gibt, in den Drucker geladen. Der Transfer der Vorlage zum Drucker erfolgt per Kabel oder digital.12 Druckvorlagen können selbst erzeugt, gekauft oder kostenfrei aus dem Internet heruntergeladen werden. Es gibt eine große Anzahl an verschiedenen Druckmaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften, welche unter Kapitel 3 näher beleuchtet werden. Der Drucker an sich besteht immer aus einer Plattform, auf welcher der Druck ausgeführt wird. Diese ist beweglich und wird automatisch abgesenkt, sobald eine weitere Materialschicht aufgetragen werden soll. Des Weiteren ist eine beheizbare Düse am Drucker befestigt, welche das Druckmaterial erhitzt und auf der Plattform verteilt.13 Diese grundsätzliche Funktionsweise bzw. der Grundaufbau eines 3D-Druckers kann anhand des Fused Deposition Modelling am einfachsten beschrieben werden. Die grafische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 7: Prinzip des 3D-Drucks im Fused Deposition Modelling14

Die im Folgenden beschriebenen Verfahren folgen zwar dem geschilderten Prinzip, weisen jedoch gleichzeitig einige Unterschiede auf. So wird bei einigen Verfahren das Ausgangsmaterial nicht in fester, sondern in flüssiger Form verwendet. Auch bei der Beschaffenheit der Düsen oder der Anwendung der Druckplattform gibt es Unterschiede, welche im Folgenden erläutert werden.

Die Druckverfahren werden zum besseren Verständnis nur in ihren Grundzügen aus neutraler Sicht erläutert. Ein Kostenvergleich der jeweiligen Verfahren sowie der Vergleich der je nach Verfahren oftmals notwendigen Vor- und Nachbehandlung des Druckmaterials erfolgt im Rahmen der vorliegenden Studienarbeit nicht. Ziel dieser Schilderungen ist es, die bekanntesten Druckverfahren zu kennen und zu verstehen, um Kunden kompetent beraten zu können.

2.1 Druck mit Pulver

2.1.1 Selektives Lasersintern / Selective Laser Sintering

Das Druckmaterial in Form von Pulver wird über einen oder mehrere Druckköpfe anhand eines Lasers erhitzt und verschmolzen. Dieser Arbeitsschritt kann beliebig oft wiederholt werden, um mehrere Schichten übereinander zu legen und so Objekte zu drucken. Auch Metalle oder Sand können neben Kunststoffen als Druckmaterial verwendet werden.15 Der technische Ablauf des Verfahrens kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 8: Sinterverfahren16

Das selektive Laserschmelzen ist das beliebteste Verfahren zur industriellen Fertigung von Produkten. Dies liegt vor allem daran, dass die erzeugten Produkte eine hohe Robustheit aufweisen und überschüssige Materialien erneut verwendet werden können. Durch die Entfernung des überschüssigen Pulvers wird jedoch die glatte Oberfläche angeraut. Außerdem können nur einfarbige Objekte gedruckt werden.17 Das selektive Laserschmelzen eignet sich auch für den Druck von filigranen Objekten. Stützkonstruktionen sind nicht notwendig, da überschüssiges Pulver, welches im Nachgang entfernt werden kann, die Konstruktion bis zur Aushärtung zusammenhält.18

2.1.2 Binder Jetting

Das Binder Jetting Verfahren wurde am Massachusetts Institute of Technology entwickelt und ähnelt einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker.19 Bei diesem Verfahren wird pulverförmiges Ausgangsmaterial an einigen Stellen mit einem Binder verklebt, um ein fertiges Werkstück zu erzeugen.20 Dabei wird auf eine darunter liegende Druckplattform, die mit Pulver bestückt ist, ein flüssiges Bindemittel zum Verfestigen bzw. Verkleben der Pulverstruktur verwendet. Nach Verfestigung der ersten Schicht senkt sich die Druckplattform ab und die nächste Pulverschicht wird mit Hilfe des Binders verfestigt. Dies wird solange wiederholt bis das gewünschte Druckerzeugnis fertiggestellt ist.21 Überschüssiges Pulver kann erneut verwendet werden, eine Stützkonstruktion ist nicht erforderlich. Allerdings ist das erzeugte Produkt nicht besonders stabil und muss oftmals nachbearbeitet werden, wodurch sich die Größe und Beschaffenheit des Druckstückes verändern kann. Druckmaterial und Bindemittel können aufgrund der hohen Materialvielfalt zwischendurch mit anderen Werkstoffen wie Metall, Sand, Keramik oder Gips ersetzt oder ergänzt werden. Eine Stützkonstruktion wird nicht benötigt, da das Druckobjekt innerhalb eines Pulverbettes gedruckt wird. Auch für das Bindemittel können weitere Stoffe, wie z. B. Kunstharz oder lebende Zellen eingesetzt werden. Der grundsätzliche Aufbau des Verfahrens kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 9: Binder Jetting22

2.1.3 Multi Jet Fusion

Bei diesem pulverbasierten Verfahren wird vollständig auf den Einsatz von Lasern verzichtet.23 Stattdessen wird ein Inkjet-Druckkopf verwendet, der zwei unterschiedliche Binderflüssigkeiten auf der Oberlfäche eines Pulverbettes verteilt. Anhand von Infrarotlampen wird die Druckoberfläche durchgehend belichtet. Der Druckkopf verteilt währenddessen eine wärmeleitende Flüssigkeit auf der Druckoberfläche. Diese Flüssigkeit verschmilzt mit dem Pulver. Der zu verschmelzende Bereich kann durch die Zugabe von wärmehemmender Flüssigkeit bei Bedarf eingegrenzt werden.24 Für dieses Verfahren werden vorwiegend Kunststoffe verwendet, die in vielen Farben erhältlich sind und eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweisen.25 Ein Vorteil dieses Verfahrens ist die hohe Oberflächenqualität der Druckerzeugnisse.26 Der grundsätzliche Aufbau des Verfahrens kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 10: Schaubild zur Multi Jet Fusion-Technologie27

2.2 Druck mit geschmolzenen Materialien

2.2.1 Fused Deposition Modelling/Schmelzschichtung

Dieses Verfahren wird auch als Schmelzschichtverfahren bezeichnet. Aufgrund der günstigen Materialien wird dieses Verfahren vor allem im Privatbereich verwendet.28 Das Druckmaterial wird in einer Düse erhitzt und Schicht für Schicht auf eine Druckplatte aufgetragen. Nachdem die Schicht getrocknet ist, können weitere Schichten aufgetragen werden. Größere oder freischwebende Objekte können nur mit Stützkonstruktionen gedruckt werden, da die Schichten bis zur Trocknung Zeit benötigen. Das Objekt würde ohne Stützkonstruktionen absinken und in der Folge beschädigt werden.29

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 11: Fused Deposition Modelling30

Für die industrielle Fertigung ist dieses Verfahren ebenfalls gut geeignet, da widerstandsfähige Druckerzeugnisse hergestellt werden können. Die erzeugten Objekte können allerdings nur in einer Farbe gedruckt und müssen nachgearbeitet werden.31

2.2.2 Selective Laser Melting und Direct Metal Laser Sintering

Beim selektiven Laserschmelzen wird das zu verarbeitende Material in Form von Metallpulver auf eine Grundplatte aufgebracht und mit einem Laser vollständig verschmolzen. Nachdem das Material erstarrt ist, hat sich eine feste Masse gebildet, auf welche nach Absenken der Druckplatte eine weitere Pulverschicht aufgetragen wird. Dieser Vorgang wird wiederholt bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das selektive Laserschmelzen unterscheidet sich vom Direct Metal Laser Sintering nur insofern, dass das beim selektiven Laserschmelzen verwendete Pulver vollständig geschmolzen wird, während beim selektiven Laserschmelzen das Pulver lediglich verschmolzen wird.32 Bei beiden Verfahren werden aufgrund der erzielbaren Stabilität meistens verschiedene Formen von Metall wie Edelstahl, Aluminium oder Titan verwendet.33

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 12: Lasersintern / Laserschmelzen – Prinzipdarstellung34

2.3 Druck mit flüssigen Materialien

2.3.1 Stereolithografie

Die Stereolithografie ähnelt dem Selective Laser Sintering, jedoch wird bei diesem Verfahren das Druckmaterial in flüssiger Form verwendet.35 Das Druckmaterial wird auf der Druckplatte verteilt. Die Druckplatte wird während des Druckvorgangs in ein Flüssigkeitsbad abgesenkt. Das flüssige Ausgangsmaterial wird während des Absenkens mit einem oberhalb angebrachten Laser verfestigt. Die Platte wird um eine weitere Schichttiefe abgesenkt, wodurch Flüssigkeit nachfließt und der Laser die nächste Schicht aushärten kann.36

Die Druckplatte wird solange in die Flüssigkeit abgesenkt bis alle Schichten durch den Laser verfestigt sind, etwaige nicht verfestigte Flüssigkeit kann für den nächsten Druckvorgang erneut verwendet werden. Bei anderen Modellen wird der Laser nicht oberhalb, sondern unterhalb der Bodenplatte befestigt. Die Bodenplatte wird dann nicht von oben nach unten sondern von unten nach oben bewegt. Ein Vorteil dieser alternativen Bauweise ist die verminderte Verwendung von Flüssigkeit. Die so hergestellten Objekte weisen tendenziell eine höhere Detailtiefe auf. Die Stereolithografie ermöglicht es, detaillierte und komplexe Formen darzustellen. Allerdings müssen dazu Stützkonstruktionen verwendet werden. Es können außerdem nur Kunstoffe und Harze als Ausgangsmaterial genutzt werden. Die erzeugten Objekte müssen nachgearbeitet werden, um die Entfernung von Druckrückständen zu gewährleisten.37 Die nachstehende Abbildung stellt diese Funktionsweise grafisch dar.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 13: Stereolithografie38

2.3.2 Digital Light Processing

Dieses Fertigungsverfahren wurde von dem US-amerikanischen Unternehmen Texas Instruments entwickelt und als Marke registriert.39 Ein Drucker, der dieses Verfahren verwendet, besteht aus einem lichtdurchlässigen Tank, einer höhenverstellbaren Plattform und einer Belichtungseinheit. Zu Beginn wird ein Becken mit flüssigem Spezialkunststoff, dem sogenannten Photopolymer, befüllt. Dieser Werkstoff reagiert auf Lichteinstrahlung und erstarrt nach einer bestimmten Belichtungszeit. Das zu druckende 3D-Modell wird Schicht für Schicht mit Hilfe eines Projektors auf die Oberfläche des flüssigen Kunststoffs projiziert. Durch die Lichteinstrahlung erstarren die Photopolymere ganz oder teilweise.40 Danach wird die verhärtete Schicht durch die höhenverstellbare Plattform nach oben gefahren, wodurch Photopolymer nachfließt. Das nachfließende Photopolymer wird mehrfach erneut belichtet. Das so entstandene Produkt wird nach Fertigstellung aus dem Becken entnommen und in einer Belichtungskammer zur Aushärtung nachbelichtet. Die Auswahl an Materialien sind begrenzt, da nur Materialien verwendet werden können, die unter Lichteinstrahlung aushärten. Auch müssen die erzeugten Druckstücke in der Regel durch Feilen oder mit Schleifpapier nachgearbeitet werden. Das Ausgangsmaterial in Form von Photopolymeren ist im Vergleich zu anderen Werkstoffen teuer.41 Der Aufbau eines Druckers, welcher das Digital Light Processing anwendet, kann der nachstehenden Abbildung entnommen werden.

[...]


1 Karevska, Stefana (2019): EY´s Global 3D Printing Report 2019, Ernst & Young GmbH, S.2, Abrufdatum: 20.01.2020 [online].

2 Richter, Stefan; Wischmann, Steffen (2016): Additive Fertigungsmethoden – Entwicklungstand, Marktperspektiven für den industriellen Einsatz und IKT-spezifische Herausforderungen bei Forschung und Entwicklung, S.16, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

3 Karevska, Stefana (2019): EY´s Global 3D Printing Report 2019, Ernst & Young GmbH, S.5, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

4 Milla, Alejandra Larumbe; Polke-Markmann, Heidi; Vanheyden, Patrik (2019): Allianz Risk Barometer 2020 – Top 10 Threats.

5 Statista GmbH (2020): Haben Sie schon einmal einen Gegenstand drucken lassen oder selbst gedruckt und wenn ja, welchen?, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

6 Statista GmbH (2020): Meistgenutzte 3D-Druck-Technologien im Jahr 2018, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

7 Gartner, Johannes; Sowka, David (2019): Definition Additive Fertigung, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

8 Bandyopadhyay, Amit; Bose, Susmita (2016): Additive Manufacturing, CRC Press Taylor & Francis Group, S.2, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

9 Vgl. Deckard, Carl. R; Beaman, Joseph J.; Darrah, James F. (1990): Method for selective laser sintering with layerwise cross-scanning, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

10 Vgl. Crump, S. Scott (1989): Apparatus and method for creating three-dimensional objects, Abrufdatum: 20.04.2020 [online].

11 Vgl. Fastermann, Petra (2016): 3D-Drucken – Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S.3.

12 Vgl. May, Markus; Zaremba, Johannes (o. A.): Übersicht über die häufigsten 3D-Druck Dateiformate, Abrufdatum: 24.04.2020 [online].

13 Vgl. Womann, Nadine (2014): 3D-Druck, Abrufdatum: 24.04.2020 [online].

14 Womann, Nadine (2014): 3D-Druck, Abrufdatum: 24.04.2020 [online].

15 Vgl. Gebhardt, Andreas; Kessler, Julia; Thurn, Laura (2016): 3D-Drucken – Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM), S.47.

16 Gartner, Johannes; Sowka, David (2019): Die Top Drei 3D-Druckverfahren kurz erklärt, Abrufdatum: 24.04.2020 [online].

17 Reizner, Alexander (2013): Selektives Lasersintern - Vor- und Nachteile, 24.04.2020 [online].

18 König, Peter (2015): Überblick: So arbeiten 3D-Drucker, 24.04.2020 [online].

19 Gibson, Ian; Rosen, David; Stucker, Brent (2015): Additive Manufacturing Technologies, S.205, Abrufdatum: 24.04.2020 [online].

20 Zeyn, Helmut (2017): Industrie 4.0 – Industrialisierung der additiven Fertigung, S.59.

21 Leupold, Andreas; Glossner, Silke (2016): 3D-Druck, Additive Fertigung und Rapid Manufacturing.

22 Reddy, Srinivasulu K.; Dufera Solomon (2019): Additive Manufacturing Technologies, S.97, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

23 Gärtner, Ralf (o. A.): Multi Jet Fusion, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

24 Zeyn, Helmut (2017): Industrie 4.0 – Industrialisierung der additiven Fertigung, S.61.

25 Gärtner, Ralf (o. A.): Multi Jet Fusion, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

26 Strohschein, Fabian (2017): MultiJet-Modeling mit dem HP Jet Fusion, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

27 Strohschein, Fabian (2017): Schaubild zur Multi Jet Fusion-Technologie, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

28 Vgl. Fastermann, Petra (2016): 3D-Drucken – Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S.32.

29 Vgl. Fastermann, Petra (2012): Rapid Prototyping – Eine Zuukunftstechnologie kompakt erklärt, S.120.

30 Grames Emmett (2019): Fused Deposition Modeling – An Introduction, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

31 Reizner, Alexander (2013): Selektives Lasersintern - Vor- und Nachteile, 01.05.2020 [online].

32 Vgl. Fastermann, Petra (2016): 3D-Drucken – Wie die generative Fertigungstechnik funktioniert, S.32.

33 Vgl. Gebhardt, Andreas; Kessler, Julia; Thurn, Laura (2016): 3D-Drucken – Grundlagen und Anwendungen des Additive Manufacturing (AM), S.47.

34 Reinsprecht, Stefan (o. A.): Selektives Laserschmelzen, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

35 Vgl. Gartner, Johannes; Sowka, David (2019):: Teil 2: Übersicht der aktuellen 3D-Druckverfahren, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

36 Vgl. Gebhardt, Andreas; Kessler, Julia; Thurn, Laura (2018): 3D-Printing - Understanding Additive Manufacturing, S.35f.

37 Vgl. Gebhardt, Andreas (1995): Rapid Prototyping: Werkzeuge für die schnelle Produktentwicklung, S.96.

38 Föll, Michael (o. A.): Stereolithografie, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

39 Leupold, Andreas; Glossner, Silke (2016): 3D-Druck, Additive Fertigung und Rapid Manufacturing, S.31.

40 Karahman, Sercan (o. A.): Digital Light Processing, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

41 Karahman, Sercan (o. A.): Digital Light Processing, Abrufdatum: 01.05.2020 [online].

Ende der Leseprobe aus 48 Seiten

Details

Titel
3D-Drucker. Technischer Hintergrund, aktuelle Möglichkeiten, Chancen und Risiken
Hochschule
Steinbeis-Hochschule Berlin
Note
1,3
Jahr
2020
Seiten
48
Katalognummer
V944998
ISBN (eBook)
9783346279781
ISBN (Buch)
9783346279798
Sprache
Deutsch
Schlagworte
3D-Druck, Additive Fertigung, Selektives Laserschmelzen, Selecitive Laser-Sintering, Binder Jetting, Multi Jet Fusion, Fused Deposition Modelling, Selective Laser Melting, Direct Metal Laser Sintering, Stereolithografie, Digital Light Processing, Polyjet Verfahren, 3D Druck
Arbeit zitieren
Anonym, 2020, 3D-Drucker. Technischer Hintergrund, aktuelle Möglichkeiten, Chancen und Risiken, München, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/944998

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