Kunststoff-Wissen für die additive Fertigung

Unter dem Begriff Additive Fertigung (AF), der im Englischen als Additive Manufacturing (AM) bezeichnet wird, versteht man Fertigungsverfahren, die schichtweise mittels Materialaufbringung und -anhäufung dreidimensionale Bauteile erzeugen. Zeitweise wurden für diese Art der Bauteilerzeugung auch die Begriffe Rapid Prototyping (RP) und Generative Fertigung (GF) genutzt. Umgangssprachlich ist der Begriff 3D-Druck oder 3D Printing in Verwendung. Beim Vergleich der Begriffe Rapid Prototyping und Additive Fertigung wird deutlich, wie sich die Verfahren insbesondere hinsichtlich ihres Einsatzspektrums über die Zeit entwickelt haben. In der Anfangsphase der digitalen additiven Fertigung ermöglichten die ersten Systeme anhand von Datensätzen die direkte - und im Vergleich zu der klassischen Herstellung schnelle - Fertigung von Prototypen oder Musterteilen. Durch den Einsatz additiver Fertigung können Produktentwicklungen verbessert bzw. verkürzt werden. Durch die Verbesserung und Neuentwicklung von Verfahren und Systemen nahm der Anteil direkt produzierter Bauteile und Produkte mittels additiver Fertigung zu. Diese Entwicklung initiierte auch die nötige Entwicklung oder Adaption neuer Werkstoffe für die verschiedenen Verfahren der additiven Fertigung. Anfang der 1990er-Jahre kamen die ersten kommerziellen thermoplastbasierten additiven Systeme der Verfahrensgruppen Extrusion und Sintern auf den Markt.

Polymere sind chemische Verbindungen, die aus einer Kette von Molekülen aufgebaut sind. Sie setzen sich aus gleichen oder gleichartigen Einheiten, den sogenannten Monomeren, zusammen (Bonnet 2009). Künstlich hergestellte Polymere, umgangssprachlich häufig auch Plastik oder Kunststoffe genannt, spielen eine große Rolle in der additiven Fertigung (3D-Druck). Die weite Verbreitung von Polymeren in einer Vielzahl technischer und nichttechnischer Anwendungen sowie deren einfache Verarbeitung haben eine Reihe an unterschiedlichen Druckmethoden hervorgebracht. Kunststoffe (Plastik) stellen mit Bezug auf das verbrauchte Volumen den größten und am stärksten wachsenden Markt für 3D-Druckmaterialien dar. Unter Plastik werden alle thermoplastisch verarbeitbaren Kunststoffe zusammengefasst (Bild 2.1).

Thermoplaste sind Kunststoffe, die durch Erwärmen auf Temperaturen oberhalb ihres Schmelzpunkts erweichen und dann fließfähig werden. Dieses Verhalten wird in der additiven Fertigung technisch dazu genutzt, Thermoplaste durch ein schichtweises Schmelzeablageverfahren wie Fused Layer Modeling (FLM) oder Selektives Lasersintern (SLS) in das gewünschte Bauteil zu verarbeiten. Der Schmelzpunkt bzw. die Erweichungstemperatur von Thermoplasten liegt per Definition deutlich oberhalb ihrer Gebrauchstemperatur. Nach Abkühlung unterhalb der Schmelztemperatur verfestigt sich das gedruckte Bauteil und ist gebrauchsfähig.

Im industriellen Umfeld wird immer noch intensiv diskutiert, inwiefern der 3D-Druck wirtschaftlich und gesellschaftlich sinnvoll genutzt werden kann. Reichen die oft zitierten Vorteile des 3D-Drucks in technischen Anwendungen bereits aus, um ihn in größerem Umfang als neue Standard-Fertigungstechnologie zu etablieren? Zu diesen Vorteilen zählen unter anderem folgende: