3D- und Digitaldruck sind bahnbrechende Technologien mit dem Potenzial, die Welt von Produktdesign, Rapid Prototyping und industrieller Fertigung grundlegend zu verändern. Um das enorme Potenzial dieser Technologien auszuschöpfen, müssen jedoch erst innovative und vielseitigere Druckmaterialien entwickelt werden. Die Experten von Covestro arbeiten daran.
„Die auf dem Markt verfügbaren Lösungen ermöglichen bislang lediglich die additive Fertigung von Komponenten mit begrenzten Eigenschaften. Das wollen wir ändern.“
Thomas Büsgen, Senior Project Manager 3D Printing Technology bei Covestro

Nie dagewesene Präzision und Flexibilität sind die Kennzeichen von Digital- und 3D-Druck (Letzterer wird auch additive Fertigung genannt). Diese Technologien erlauben die schnelle und effiziente Anpassung von Produkten an die Bedürfnisse von Kunden bezüglich Form und Farbe. Auch die individuelle Modifikation von mechanischen Eigenschaften, wie z. B. Härtegrad oder Oberflächenstruktur, wird zunehmend zur Möglichkeit.

Oft fehlt es noch an geeigneten Druckmaterialien, mit denen sich die gewünschten Eigenschaften im fertigen Produkt umsetzen lassen. Ein kurzer Blick auf die Zahlen erklärt diesen Mangel: Während für die herkömmlichen Fertigung ca. 3.000 verschiedene Werkstoffe zur Verfügung stehen, hat die additive Fertigung lediglich Zugriff auf 30 Materialien zur Auswahl. Covestro arbeitet eng mit anderen Vorreitern aus verschiedenen Branchen zusammen, um die Werkstoffbasis für Digital- und 3D-Druck zu erweitern. Somit überbrücken wir mithilfe unserer Expertise die noch immer bestehende Kluft zwischen innovativen Druckmethoden und deren Anwendung in der Serienfertigung.

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Unser Beitrag zu innovativen Drucktechnologien

3D-Druck

Dieses Fertigungsverfahren ist längst kein „Hype“ mehr, sondern findet in einigen Industriezweigen zunehmend Anwendung: von der schnellen Konstruktion von Prototypen oder der Produktion von hochwertigen Einzelteilen in den Bereichen Luft- und Raumfahrt bis hin zu Entwicklungen in Bereichen wie Mobilität, Biomedizin oder auch bei Kleidung und Accessoires. Geht es jedoch um die Serienproduktion funktioneller Komponenten, gilt die Technologie noch immer als zu teuer. Zudem stehen weiterhin zu wenige Werkstoffe zur Verfügung. Produktdesigner sind daher weiter auf der Suche nach einem vielseitigen Werkstoffmix, der die benötigten Eigenschaften eines 3D-Druckobjekts liefern kann, etwa hinsichtlich des Härtegrads oder der Flexibilität, Transparenz oder Wärmeformbeständigkeit.

Genau daran arbeitet Covestro derzeit. In unseren Laboren, wie etwa dem in unserem Stammwerk in Leverkusen, testen wir gemeinsam mit unseren Kunden und Partnern die Eignung von Werkstoffen für alle existierenden 3D-Drucktechniken. Und unsere Anstrengungen tragen bereits Früchte. Ein Beispiel hierfür ist die Entwicklung von Thermoplastischem Polyurethan (TPU) für das so genannte Lasersintern. Das ist eine Drucktechnologie, mit deren Hilfe Komponenten mit komplexen, individuellen Geometrien aus einer extrem dünnen Schicht aus Kunststoffpulver hergestellt werden können. Die bislang einzige Schwäche: Für eine Serienfertigung von hochwertigen Einzelteilen gab es bisher nur einen Werkstofftypen, und dieser Werkstoff eignete sich nicht für elastische Komponenten. Ein von Covestro entwickeltes, innovatives Pulver aus TPU bietet hierfür jetzt die Lösung. Dank der langen Molekülketten von Polyurethan eignet sich das Pulver perfekt für das Sintern von Objekten, die gleichzeitig widerstandsfähig und flexibel sein sollen.

Digitaldruck

Der Digitaldruck öffnet Herstellern von Lacken und Klebstoffen in diversen Branchen ausgezeichnete Chancen. So könnten mithilfe der Technologie beispielsweise individuelle Oberflächendesigns für Schuhe oder personalisierte Lackierungen für Autos realisiert werden. Neben diesen kundenbezogenen Vorteilen bietet der Direktdruck auch viele Vorteile für Sicherheit und Effizienz in der Fertigung. Da die Beschichtung tropfenweise aufgetragen wird, kann das mechanische Verhalten des Endergebnisses an jedem Punkt auf der Oberfläche angepasst werden. Der vollautomatisierte Arbeitsprozess liefert Ergebnisse von beständiger Qualität, ohne dass Ressourcen verschwendet werden.

Wie beim 3D-Druck mangelt es auch beim Direktdruck an der Verfügbarkeit leistungsfähiger Fertigungswerkstoffe. Und wie beim 3D-Druck arbeiten die Forscher bei Covestro bereits an künftigen Optionen.

Alle Details und Informationen zum Thema 3D-Druck

Wie wird der 3D-Druck durchgeführt?

Mit 3D-Druckern wird die Herstellung von plastischen Gegenständen in einem additiven Herstellungsverfahren ermöglicht. Hierzu werden zuvor am PC Entwürfe als CAD-Dateien erstellt. Für die Fertigung der plastischen Gegenstände kann verschiedenes 3D- Drucker-Material verwendet werden. Filamente werden hierbei derzeit am häufigsten eingesetzt. Filamente sind thermoplastische Kunststoffe, welche sich bei Erhitzung verflüssigen und neu formen lassen. Im Herstellungsprozess erhitzt der 3D-Drucker den Kunststoff von speziellen Filamentrollen und schichtet anschließend das Material zum gewünschten Modell auf.

Das 3D-Druckverfahren mit dem Thermoplast-Kunststoff Polyurethan (TPU), welcher eigens von Covestro für komplexere Druckverfahren und -Technologien weiterentwickelt wurde, ermöglicht eine präzise Steuerung und bessere Kontrolle im 3D-Herstellungsprozess. Das daraus neu geformte Material überzeugt nicht nur mit einer guten Festigkeit und Robustheit, sondern punktet gleichzeitig mit geringem Gewicht und Elastizität.

Der 3D-Druck wird ebenso als “Additive Manufacturing” oder auch “Additive Fertigung” bezeichnet.

Welche Kunststoffe werden beim 3D-Druck verwendet?

Die gängigsten Kunststoffe sind PLA, ABS, HIPS, PHA, PEEK, PETG, PEI/ULTEM sowie Polyamid. PLA und ABS Kunststoffe gelten mit ihren Eigenschaften als Favoriten.

Für den 3D-Druck bietet der Markt mittlerweile eine große Auswahl an Filamenten an. Dies sind Kunststoffe, welche in ihren Eigenschaften wie Farbe, Stabilität, Hitzebeständigkeit oder Stärke sehr unterschiedlich und auch vielseitig sind. Das Wort Filament hat lateinischen Ursprung und wird aus dem Begriff "Filamentum" abgeleitet, was so viel wie “Fadenwerk” bedeutet.

Kunststoff zählt im 3D-Druck Verfahren als das am häufigsten verwendete Material und wird mit innovativen Technologien im Herstellungsprozess gerne von Designern, der Schuhindustrie und auch im Maschinenbau genutzt. Hier kommt thermoplastischer Kunststoff vor allem für Bauteil-Anfertigungen zum Einsatz.

PLA (Polylactide) ist vor allem im privaten Sektor ein oft genutztes Kunststoff-Material, basierend auf Milchsäure. Das PLA-Granulat zeichnet sich durch eine leichte Handhabung aus und muss vor dem Druck hoch erhitzt werden. Im Anschluss kann es dann schichtweise auf die Druckfläche herausgepresst und aufgetragen werden.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymere) ist ebenso ein thermoplastischer Kunststoff, der hauptsächlich für den 3D-Druck in den Bereichen der Chemie-, Fahrzeug-, Elektro- oder aber auch in der Spielzeugindustrie eingesetzt wird. Aus Erdöl hergestellt, weist ABS eine hohe Widerstandsfähigkeit sowie Hitzebeständigkeit auf. Zudem ist es vergleichsweise elastisch und somit auch weniger spröde.

Welche Materialien kann man 3D drucken?

Außer Kunststoff eignen sich Lebensmittel, Metalle, Gips, Keramik und Glas sowie verschiedene weitere Materialien für den 3D-Druck und unterschiedliche Drucktechniken. Letztendlich hängt das von der Frage ab, was man genau herstellen möchte.

Im Sektor der Lebensmittelindustrie werden beispielsweise Gummibärchen mit einem 3D-Druck gefertigt. Auch pürierte Mahlzeiten für ältere und bedürftige Menschen können mithilfe dieser Technik wieder in eine feste Form gebracht werden.

Metalle wie Gold, Aluminium, Silber, Platin, Kupfer, Stahl, Messing und Titan haben einen besonderen Stellenwert im 3D-Druckverfahren. Vor allem Aluminium und Stahl gehören zu den meist verwendeten Metallarten. Unternehmen aus der Luftfahrt-, Raumfahrt- und Autoindustrie schätzen die Leichtigkeit und auch Festigkeit des Metalls. Stahl wiederum bietet in der Herstellung gute mechanische Eigenschaften und wird deshalb gerne wegen der glatten Oberflächenstruktur eingesetzt.

Welche Arten von 3D-Druck gibt es?

Eine präzise Kategorisierung der verschiedenen Arten von 3D-Druckern ist letztendlich vom verwendeten Material und dem damit benötigten Druckverfahren abhängig. Folgende 3D-Drucker-Arten gibt es:

  • Extrusion
  • Jetting
  • Pulver
  • Resin
  • Spezial

Verschiedene 3D-Druckverfahren sind mittlerweile nicht nur in der Forschung und Industrie weitestgehend etabliert:

  • Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
  • selektives Lasersintern (Rapid Prototyp Verfahren)
  • Laserauftragschweißen
  • Stereolithografie/SLA Drucker
  • Film Transfer Imaging (FTI)
  • Digital Light Processing (DLP)