{"id":145,"date":"2018-05-16T09:28:02","date_gmt":"2018-05-16T07:28:02","guid":{"rendered":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/?p=145"},"modified":"2021-11-28T20:40:27","modified_gmt":"2021-11-28T19:40:27","slug":"toene-aus-dem-3d-drucker","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/blogs.uni-bremen.de\/scienceblog\/2018\/05\/16\/toene-aus-dem-3d-drucker\/","title":{"rendered":"T\u00f6ne aus dem 3D-Drucker"},"content":{"rendered":"

von Inga Meyenborg<\/a><\/em><\/p>\n

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Abb.: Copyright \u00a9 Z<\/i><\/b>Morph3D 2019 \/ Pixabay<\/span><\/p>\n

Das Foto einer Trillerpfeife kann sich jeder mit einem klassischen Tintenstrahldrucker zuhause ausdrucken. Doch T\u00f6ne lassen sich diesem Abbild nicht entlocken. Das bleibt alleine der eigenen Phantasie \u00fcberlassen. Um ein dreidimensionales, funktionst\u00fcchtiges Produkt zu erstellen, wird ein anderer Druckprozess ben\u00f6tigt.<\/strong><\/p>\n

Auch wer sich nicht mit Ingenieurwissenschaften und Fertigungstechniken besch\u00e4ftigt, hat vermutlich schon mal etwas von \u201e3D-Drucken\u201c oder dem englischen Synonym \u201e3D-Printing\u201c geh\u00f6rt oder gelesen. Doch was genau bedeutet eigentlich \u201e3D-Drucken\u201c?<\/p>\n

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In der Fachsprache ist damit die additive Fertigung gemeint. Diese steht im Kontrast zur konventionellen Fertigung. Bei der konventionellen Herstellung von Bauteilen wird Material umgeformt oder abgetragen. So kann zum Beispiel aus einem flachen Blech eine Edelstahlpfanne geformt oder aus einem massiven Metallblock ein Zahnrad gefr\u00e4st werden. Bei den additiven Verfahren dreht sich dieses Prinzip um: Der Werkstoff wird schichtweise aufgebaut. Es wird von Anfang an nur dort Material aufgetragen, wo es auch n\u00f6tig ist. Dieses Fertigungsprinzip beruht darauf, dass der zu erzeugende K\u00f6rper gedanklich in d\u00fcnne Schichten geschnitten wird. Vorstellen kann man sich das anhand eines wie in Abbildung 1 abgebildeten Skulptur-Puzzles, bei dem eine Figur durch \u00dcbereinanderstapeln von vielen einzelnen, etwa 1,5 mm dicken Scheiben erzeugt wird.<\/p>\n

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Abb. 1: Skulpturen Puzzle von Hasbro [1]<\/span><\/p>\n

Additive Verfahren automatisieren diesen Vorgang. Sie erzeugen die Einzelschichten und f\u00fcgen sie computergesteuert in der richtigen Reihenfolge aufeinander. Es wird somit nur noch eine Computerdatei ben\u00f6tigt, die die Informationen zu der gew\u00fcnschten Form bereitstellt. Die Erzeugung dieser Computerdateien ist in der Industrie schon lange etabliert. F\u00fcr den Schichtaufbau existieren verschiedene additive Fertigungsverfahren, die sich nach ihren physikalischen Prinzipien zur Erzeugung der einzelnen Schichten unterscheiden. Eine Einteilung grenzt die Verfahren zum Beispiel anhand des Aggregatzustands des Ausgangsmaterials ab. So k\u00f6nnen die Schichten aus einem fl\u00fcssigen Material, wie einem Harz, oder aus einem festen Material, wie einem Pulver, entstehen.<\/p>\n

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird das Schlagwort \u201e3D-Drucken\u201c als Oberbegriff f\u00fcr alle additiven Fertigungsverfahren verwendet. Unter Betrachtung der aktuellen Begriffsnormierung ist dies jedoch aus fachlich-systematischer Sicht nicht korrekt [1]. Vielmehr handelt es sich dabei tats\u00e4chlich nur um eines von vielen Verfahren, n\u00e4mlich das Pulver-Bindeverfahren.<\/p>\n

Dieses Verfahren wurde erstmals 1993 in einem Patent des Massachusetts Institute of Technology erw\u00e4hnt. Das Grundprinzip des Pulver-Bindeverfahrens, welches auch unter dem Namen Binder-Jetting bekannt ist, \u00e4hnelt dem Vorgehen von herk\u00f6mmlichen 2D-Druckern, wie beispielsweise dem klassischen Tintenstrahldrucker. Daher wurde in dem Patent die Bezeichnung Three-Dimensional Printing (3D-Drucken) f\u00fcr das Pulver-Bindeverfahren eingef\u00fchrt.<\/p>\n

Statt Tinte wird beim Pulver-Bindeverfahren ein fl\u00fcssiges Bindemittel, eine Art Kleber, verwendet. Dieser wird nicht auf Papier, sondern auf eine d\u00fcnne Pulverschicht aufgedruckt. So verkleben die Pulverteilchen an den gew\u00fcnschten Stellen. Nachdem der Kleber durch eine Lampe getrocknet wurde, wird eine neue Pulverschicht aufgetragen und die n\u00e4chste Kleberschicht gedruckt. Das gedanklich in Scheiben geschnittene Bauteil wird so Schicht f\u00fcr Schicht aufgebaut. Am Ende kann das \u00fcberfl\u00fcssige Pulver mit einem Staubsauger oder Pinsel entfernt werden. Abbildung 2 stellt den Prozess des Pulver-Bindeverfahrens in 7 Schritten dar.<\/p>\n

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Abb. 2: Arbeitsschritte des Binder Jettings (ver\u00e4ndert nach [2])<\/span><\/p>\n

Mit dem Pulver-Bindeverfahren ist es m\u00f6glich, eine gro\u00dfe Vielfalt an Materialien zu verarbeiten. Wichtig ist, dass die Eigenschaften des Bindemittels auf das Pulver abgestimmt sind. Daher gibt es eine weit gef\u00e4cherte Auswahl von Materialien, wie z.B. Sand, Metallpulver oder sogar Lebensmittel. Bei vielen Materialien reicht die Festigkeit des Bauteils durch den getrockneten Binder aus. Bei Metallpulvern ist aufgrund der Materialbeschaffenheit nach der Fertigstellung des Bauteils jedoch noch ein weiterer Prozessschritt n\u00f6tig: Beim sogenannten Sintern wird das Bauteil auf eine Temperatur erw\u00e4rmt, die zwischen 2\/3 bis 4\/5 seiner Schmelztemperatur liegt. Bei Eisenwerkstoffen liegt die Temperatur im Sinterofen beispielsweise bei um die 1200 \u00b0C. So k\u00f6nnen sich die Metallpulverteilchen miteinander verbinden, das Bauteil aber weiterhin seine Form behalten.<\/p>\n

Mit diesem Prozess ist es dann auch m\u00f6glich, ein funktionst\u00fcchtiges Produkt zu generieren. Abbildung 3 zeigt eine mit dem Pulver-Bindeverfahren in einem St\u00fcck hergestellte einsatzf\u00e4hige Trillerpfeife. Der Ring und die nicht sichtbare, tonerzeugende Kugel im Inneren sind schon w\u00e4hrend des Druckprozesses an der richtigen Stelle generiert worden, und mussten nicht im Nachhinein montiert werden. Durch den Gr\u00f6\u00dfenvergleich zum US Penny zeigt sich, wie pr\u00e4zise die Fertigung erfolgen kann.<\/p>\n

\"\"<\/a>Abbildung 3: Trillerpfeife aus Metallpulver, hergestellt in einem St\u00fcck mit dem Pulver-Bindeverfahren, zum Gr\u00f6\u00dfenvergleich ein US Penny [3]<\/span><\/p>\n

Das Schlagwort \u201e3D-Druck\u201c wird sich vermutlich weiterhin im allgemeinen Sprachgebrauch als Oberbegriff f\u00fcr alle additiven Fertigungsprozesse durchsetzen. Trotzdem bleibt festzuhalten, dass es sich dabei genaugenommen nur um das Pulver-Bindeverfahren handelt. Mit diesem Verfahren ist es nicht nur m\u00f6glich ein Abbild, sondern aus vielen einzelnen Metallpulverschichten zum Beispiel ein kleines funktionsf\u00e4higes Instrument entstehen kann.<\/p>\n

Wer sich weitergehend f\u00fcr das Thema interessiert, der findet insbesondere im Standardwerk \u201eAdditive Fertigungsverfahren – Additive Manufacturing und 3D-Drucken f\u00fcr Prototyping \u2013 Tooling \u2013 Produktion\u201c von Andreas Gebhardt aus dem Hanser Verlag anschauliche Informationen zu den einzelnen Verfahren.<\/p>\n

An der Universit\u00e4t Bremen findet Forschung zum Pulver-Bindeverfahren beispielsweise am Fraunhofer IFAM statt [4].<\/p>\n

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Referenzen:<\/h1>\n

[1]\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0\u00a0 Verein Deutscher Ingenieure, \u201eVDI-Richtlinie: VDI 3405 Additive Fertigungsverfahren – Grundlagen, Begriffe, Verfahrensbeschreibungen\u201c. Dez-2014.<\/p>\n

[1]\u00a0 A. Gebhardt, Generative Fertigungsverfahren: additive Manufacturing und 3D-Drucken f\u00fcr Prototyping – Tooling – Produktion<\/em>, 5., Neu bearbeitete und erweiterte Auflage. M\u00fcnchen: Hanser, 2016.<\/p>\n

[2]\u00a0 Davidvx, English: 3D-Printingprocess<\/em>. 2015.<\/p>\n

[3]\u00a0 Fabbaloo, \u201eWho Is H\u00f6gan\u00e4s and How Did They Make This Amazing Metal 3D Printer?\u201c, Fabbaloo<\/em>. [Online]. Verf\u00fcgbar unter: http:\/\/www.fabbaloo.com\/blog\/2016\/7\/7\/who-is-hgans-and-how-did-they-make-this-amazing-metal-3d-printer. [Zugegriffen: 07-Feb-2018].<\/p>\n

[4]\u00a0 \u201eAdditive Manufacturing – Fraunhofer IFAM\u201c, Fraunhofer-Institut f\u00fcr Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM<\/em>. [Online]. Verf\u00fcgbar unter: https:\/\/www.ifam.fraunhofer.de\/de\/Forschung\/additive_manufacturing.html. [Zugegriffen: 14-Feb-2018].<\/p>\n

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Titelbild: Pixabay, Copyright \u00a9 ZMorph3D 2019, URL: https:\/\/pixabay.com\/de\/photos\/drucker-technologie-3d-drucker-4348150\/<\/a> [letzter Aufruf: 28. Nov 2021]<\/span><\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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