Additive Manufacturing oder 3D-Druck sorgt für Kostenreduzierung, Zeitersparnis und sprengt die Grenzen des Herstellungsprozesses für die Produktentwicklung. Von Konzeptmodellen und funktionalen Prototypen bei der schnellen Prototypenerstellung bis hin zu Spannvorrichtungen, Vorrichtungen oder selbst funktionsbereiten Modellen im Herstellungsprozess bietet 3D-Druck-Technologie flexible Lösungen für eine breite Palette von Anwendungen.
In den letzten Jahren wurden hochauflösende 3D-Drucker immer erschwinglicher, benutzerfreundlicher und zuverlässiger. Infolgedessen erschließt sich diese Technologie einer immer größeren Anzahl von Unternehmen, jedoch bietet die Auswahl der geeigneten Lösung angesichts konkurrierender Verfahren für den 3D-Druck einige Hürden.
Welche Technologie eignet sich für Ihre spezielle Anwendung? Welche Materialien stehen zur Verfügung? Welche Ausrüstung und Schulung steht für den Einstieg zur Verfügung? Und was ist mit den Kosten und der Investitionsrentabilität der einzelnen Verfahren?
In diesem Artikel beleuchten wir die heute drei etabliertesten Technologien für den 3D-Druck von Kunststoffen: Schmelzschichtung (FDM), Stereolithografie (SLA) sowie selektives Lasersintern (SLS).
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Wie eine Desktop-3D-Drucktechnologie auswählen?
Haben Sie Schwierigkeiten, die beste 3D-Drucktechnologie für Ihre Bedürfnisse zu finden? In diesem Video-Guide auf Englisch vergleichen wir FDM-, SLA- und SLS-Technologien unter Berücksichtigung gängiger Kaufüberlegungen.
Fused Deposition Modeling (FDM)
Die Schmelzschichtung ist das am weitesten verbreitetste Verfahren des 3D-Drucks auf Verbraucherebene, getragen durch das Auftreten von 3D-Druck auf Hobbyniveau. FDM 3D-Drucker erzeugen Teile durch das Schmelzen und Extrudieren von thermoplastischen Filamenten, bei dem eine Druckdüse Schicht um Schicht im Aufbaubereich aufträgt.
FDM arbeitet mit einer Reihe von Standard-Thermoplasten, wie ABS, PLA und deren unterschiedlichen Mischungen. Dieses Verfahren eignet sich gut für Proof-of-Concept-Modelle sowie schnelle und kostengünstige Protypenerstellung einfacher Bauteile, sowie von Teilen, die in der Regel maschinengefertigt werden.
FDM-Teile neigen zu sichtbaren Schichtlinien und weisen gegebenenfalls Ungenauigkeiten in Bereichen komplexer Eigenschaften auf. Dieses Beispiel wurde auf einen Stratasys uPrint Industrie-FMD 3D-Drucker mit auflösbaren Stützen gedruckt (Gerät ab 15.900 USD).
FDM bietet die niedrigste Auflösung und Genauigkeit im Vergleich zu SLA und SLS und stellt keine ideale Option für den Druck von komplexen Designs oder Teilen mit komplizierten Eigenschaften dar. Oberflächen mit höherer Qualität lassen sich gegebenenfalls durch chemische und mechanische Polierprozesse erzielen. Industrielle FDM 3D-Drucker setzen auflösbare Stützen zur Milderung einiger dieser Probleme ein und bieten eine breite Palette von technischen Thermoplasten, dies jedoch zu einem hohen Preis.
FDM-Drucker haben im Vergleich zu SLA-Druckern (rechts) mit komplexen Designs oder Teilen mit komplizierten Merkmalen zu kämpfen (links).
Stereolithografie (SLA)
Stereolithografie war die weltweit erste 3D-Druck-Technologie und wurde Anfang der 1970er Jahre erfunden, sie zählt auch heute noch zu den beliebtesten Technologien für Profis. SLA setzt einen Laser zur Härtung von flüssigem Harz in einem Verfahren ein, das Photopolymerisation genannt wird.
Sehen Sie, wie Stereolithographie funktioniert.
SLA-Teile bieten die höchste Auflösung und Genauigkeit, deutlichsten Details und glatteste Oberflächenbeschaffenheit aller 3D-Druck-Technologien, jedoch liegt der wesentliche Vorteile von SLA in der Vielseitigkeit. Materialhersteller erschufen innovative SLA-Harzformulierungen mit einer breiten Palette optischer, mechanischer und thermischer Eigenschaften, die mit den Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten übereinstimmen.
SLA-Teile verfügen über scharfe Kanten, eine glatte Oberfläche und minimal sichtbare Schichtlinien. Dieses Musterteil wurde auf einem Formlabs Form 2 Desktop SLA 3D-Drucker gedruckt (Gerät ab 3.750 USD).
SLA stellt eine gute Option für hochgradig detaillierte Prototypen dar, die enge Toleranzen und glatte Oberflächen erfordern, wie Formen, Muster und Funktionsteile. Dieses 3D-Druckverfahren wird weit verbreitet in den unterschiedlichsten Branchen eingesetzt, darunter technisches und Produktdesign, Fertigung, Zahnmedizin, Schmuck, Modellbau und Bildung.
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Selective Laser Sintering (SLS)
Selektives Lasersintern ist die am häufigsten eingesetzte 3D-Drucktechnologie für industrielle Anwendungen.
SLS 3D-Drucker setzen einen leistungsstarken Laser zur Verschmelzung kleiner Partikel aus Polymerpulver ein. Das nicht verschmolzene Pulver stützt das Druckteil während des Drucks und macht eigens dafür vorgesehene Stützstrukturen überflüssig. Dadurch eignet sich SLS ideal für komplexe Strukturen, darunter Innenraumeigenschaften, Unterschnitte, dünne Wände und negative Eigenschaften. Mit SLS-Drucktechnologie erstellte Teile weisen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften bei einer Stabilität auf, die derjenigen von Spritzteilen ähnelt.
SLS-Teile verfügen über eine leicht raue Oberflächenbeschaffenheit, die nahezu keinerlei sichtbare Schichtlinien hat. Dieses Musterteil wurde auf einem Formlabs Fuse 1 Benchtop SLS 3D-Drucker gedruckt.
Das am häufigsten für das selektive Lasersintern eingesetzte Material ist Nylon, ein beliebtes technisches Thermoplast mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften. Nylon ist ein leichtgewichtiges, robustes und flexibles Material, das ebenfalls hohe Stabilität gegenüber Einwirkungen, Chemikalien, Hitze, UV-Licht, Wasser und Schmutz aufweist.
Die Kombination aus niedrigen Teilekosten, hoher Produktivität und etablierten Materialien macht SLS as Druckverfahren zu einer beliebten Wahl bei Technikern im Einsatz bei funktionalen Prototypen sowie zu einer kosteneffizienten Alternative beim Spritzguss von begrenzten Stückzahlen oder der Herstellung von Brücken.
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Vergleich zwischen FDM-, SLA- und SLS-Technologie
Jede 3D-Druck-Technologie verfügt über ihre eigenen Stärken, Schwächen und Anforderungen und eignet sich für unterschiedliche Anwendungen und Geschäftsbereiche. Die nachfolgende Tabelle fasst einige wesentliche Merkmale und Unterschiede der 3D-Druckverfahren zusammen.
| Fused Deposition Modeling (FDM) | Stereolithografie (SLA) | Selektives Lasersintern (SLS) | |
|---|---|---|---|
| Auflösung | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Genauigkeit | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Oberfläche | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Durchsatz | ★★★★☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Komplexe Designs | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Benutzerfreundlichkeit | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ |
| Vorteile | Schnell Kosteneffizient im Bereich Maschinen und Materialie | ausgezeichnetes Kosten-Nutzen-Verhältnis hohe Präzision glatte Oberflächenbeschaffenheit breites Spektrum funktionaler Anwendungen | robuste funktionale Teile Gestaltungsfreiheit keine Stützstrukturen erforderlich |
| Nachteile | geringe Präzision geringe Auflösung begrenzte Design-Kompatibilität | Durchschnittliches Druckvolumen Sensibel gegenüber langer Belichtung mit UV-Licht | Raue Oberflächenbeschaffenheit Eingeschränkte Materialoptionen |
| Anwendungen | Kostengünstige und schnelle Prototypenerstellung Grundlegende Proof-of-Concept-Modelle | Funktionales Prototyping Dentale Anwendungen Schmuck-Prototyping und -guss Modellbau | Funktionales Prototyping funktionales Prototyping Kleinserien-, Übergangs- und Einzelfertigung |
| Druckvolumen | Bis zu 300 x 300 x 600 mm (Desktop 3D-Drucker) | Bis zu 145 x 145 x 175 mm (Desktop 3D-Drucker) | Bis zu 165 x 165 x 300 mm (Benchtop 3D-Drucke) |
| Materialien | Standard-Thermoplaste, wie ABS, PLA und ihre unterschiedlichen Mischungen. | Unterschiedliche Harze (Duroplaste). Standard-, technische (ABS-, PP-ähnliche, flexible, wärmebeständige), gießbare, Dental- und medizinische Materialien (Biokompatible). | Technische Thermoplaste. Nylon 11, Nylon 12 und deren Verbundwerkstoffe. |
| Training | Geringfügige Schulung bei Einrichtung, Maschinenbetrieb und Nachbearbeitung, moderate Schulung für Wartung. | Plug and Play. Geringfügige Schulung bei Einrichtung, Wartung, Maschinenbetrieb und Nachbearbeitung. | Moderate Schulung bei Einrichtung, Wartung, Maschinenbetrieb und Nachbearbeitung. |
| Anlagenanforderungen | Klimatisiertes Umfeld oder bevorzugt kundenseitige Belüftung für Desktopgeräte. | Desktopgeräte eignen sich für eine Büroumgebung. | Workshopumgebung mit gemäßigtem Platzbedarf für Benchtopsysteme. |
| Zusatzeinrichtung | System zur Entfernung von Stützen für Maschinen mit auflösbaren Stützen (optional automatisiert), Nachbearbeitungstools. | Nachhärtestation, Spülstation (optional automatisiert), Nachbearbeitungstools. | Spülstation (optional automatisiert), Nachbearbeitungstools. Nachbearbeitungsstation für die Reinigung von Teilen und die Materialrückgewinnung. |
Sehen Sie sich unser Webinar an für Einzelheiten über den Vergleich von FDM-, SLA- und SLS-Technologien und deren Anwendungen.
Kosten und Investitionsrentabilität
Letztendlich sollten Sie die 3D-Druck-Technologie wählen, die für Ihr Geschäft am besten geeignet ist. In den vergangenen Jahren war ein erheblicher Preisverfall zu beobachten und heute sind 3D-Drucker aller drei Technologien in kompakten und erschwinglichen Systemen erhältlich.
Die Berechnung der Kosten endet nicht mit den im Vorfeld geleisteten Gerätekosten. Material- und Arbeitskosten haben in Abhängigkeit Ihrer Anwendungs- und Produktionsanforderungen einen wesentlichen Einfluss auf die Teilekosten.
Nachfolgend eine detaillierte Aufschlüsselung nach Technologie:
| Fused Deposition Modeling (FDM) | Stereolithografie (SLA) | Selektives Lasersintern (SLS) | |
|---|---|---|---|
| Gerätekosten | Desktop 3D-Drucker im mittleren Preisbereich beginnen bei 2.000 USD und industrielle Systeme sind ab 15.000 USD erhältlich. | Professionelle Desktop 3D-Drucker beginnen bei 3.500 USD und industrielle Großmaschinen sind ab 80.000 USD erhältlich. | Industrielle Benchtop-Systeme beginnen bei 18.500 USD und traditionelle industrielle SLS-3D-Drucker sind ab 100.000 USD erhältlich. |
| Materialkosten | 50-150 USD/kg für die meisten Standard- und technischen Filamente sowie 100-200 kg für Stützmaterialien. | 149-200 USD/l für die meisten Standard- und technischen Harze. | 100 USD/kg für Nylon. SLS erfordert keinerlei Stützstrukturen und nicht verschmolzenes Pulver kann erneut verwendet werden, was sich positiv auf die Materialkosten auswirkt. |
| Arbeitseinsatz | Manuelle Entfernung der Stützen (lässt sich überwiegend für automatische industrielle Systeme mit auflösbaren Stützen einsetzen). Erfordert langwierige Nachbearbeitung für hochwertige Oberflächen. | Spülen und Nachhärten (lassen sich beide überwiegend automatisieren). Einfache Nachbearbeitung zur Entfernung von Stützmarkierungen. | Einfache Reinigung zur Entfernung von überschüssigem Pulver. |
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Erfahren Sie mehr über 3D-Druck
Prototyp eines Skibrillenrahmens, der mit FDM-, SLA- und SLS-Technologie gedruckt wurde (von links nach rechts).
Wir hoffen, dass dieser Artikel Ihnen bei der gezielten Auswahl der besten 3D-Druck-Technologie für Ihre Anwendung geholfen hat.
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