3D-Druck-Technologie ist eine revolutionäre Fertigungstechnologie, die die traditionellen Fertigungsmethoden umstößt. Es handelt sich um eine revolutionäre Fertigungstechnologie¨, auch bekannt als “Additive Fertigung“. Dieser Artikel befasst sich mit verschiedenen Aspekten der 3D-Druck-Materialien und Forschung zur Entwicklung von Materialien und Technologien für den 3D-Druck.
Grundlagen des 3D-Drucks
Die Grundprinzipien des 3D-Drucks sind: digitale Schichtung Laminierung. Physikalische Laminierung, bei der zunächst ein digitales Modell des zu druckenden Objekts erstellt wird und die digitale Schichtung durchgeführt wird, um einen zweidimensionalen Verarbeitungspfad oder eine Spur für jede Schicht zu erhalten. Dann wird ein geeignetes Material ausgewählt und das entsprechende Verfahren auf jede Schicht angewendet. Dann wird ein geeignetes Material und ein entsprechendes Verfahren ausgewählt, und das gedruckte Objekt wird Schicht für Schicht gedruckt, gesteuert durch den oben erwähnten zweidimensionalen digitalen Pfad Schicht für Schicht. Das endgültige Objekt wird kumulativ hergestellt.
Dank ihrer hohen Verarbeitungsflexibilität und der schnellen Reaktion des Marktes hat sich die 3D-Drucktechnologie in den Bereichen industrielle Modellierung, Verpackung, Fertigung, Architektur, Kunst, Medizin, Luft- und Raumfahrt und Film etabliert.
Derzeit gibt es fast 20 verschiedene Verfahren im Bereich des 3D-Drucks, von denen die sechs typischsten und ausgereiftesten Verfahren Stereo-Lithigraphie-Geräte (SLA), Laminated ObjectManufacturing (LOM), Fused Deposition Modeling (FDM), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM) und Three Dimensional Printing and Gluing (3DP) sind.
Obwohl die Prinzipien dieser sechs 3D-Druckverfahren gleich sind, unterscheiden sich ihre jeweiligen Eigenschaften und spezifischen Anwendungen aufgrund der verschiedenen verwendeten Druckmaterialien. Druckmaterialien sind derzeit ein heißes Forschungsthema im 3D-Druck und stellen einen Engpass bei der Weiterentwicklung und Anwendung von 3D-Druckverfahren dar. Das Papier zeigt auch auf, dass Druckmaterialien ein Engpass für die Weiterentwicklung und Anwendung von 3D-Druckverfahren sind.
3D-Drucktechnologien und -materialien
SLA
Das SLA-Verfahren wurde 1984 in den USA von Charles Hull patentiert und von 3D Systems kommerzialisiert. Es gilt heute als eines der am besten erforschten und am frühesten eingesetzten 3D-Druckverfahren der Welt.
Bei den derzeit für dieses Verfahren verfügbaren Materialien handelt es sich hauptsächlich um lichtempfindliche Flüssigharze, d. h. um lichtempfindliche Harze. Diese Art von lichtempfindlichem Harzmaterial besteht hauptsächlich aus Zwitterion, reaktivem Verdünnungsmittel und Initiator.
LOM
Michael Feygin führte 1984 das LOM-Verfahren ein, das für die Herstellung großer Teile, insbesondere für die Automobilindustrie, im Allgemeinen besser geeignet ist als das SLA-Verfahren und heute von den chinesischen 3D-Druckern in der Industrie immer häufiger eingesetzt wird.
Das Druckmaterial im LOM-Verfahren umfasst drei Aspekte, nämlich das Dünnschichtmaterial, das Bindemittel und den Beschichtungsprozess. Das Dünnschichtmaterial kann in Papier, Kunststofffolie, Metallfolie usw. unterteilt werden, wobei es sich derzeit meist um preiswertes Papier handelt. Die Auswahl des Papiermaterials, die Konfiguration des Schmelzklebstoffs und das Beschichtungsverfahren orientieren sich an der Qualität des endgültigen Prototypenteils, wobei die Kosten berücksichtigt werden müssen.
FDM
Am weitesten verbreitet ist das FDM-Verfahren mit dem vom US-Unternehmen Stratasys entwickelten FDM-Fertigungssystem.
Bei den derzeit für dieses Verfahren verfügbaren Materialien handelt es sich hauptsächlich um Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt, die leicht zu schmelzen sind. Das allgemeine Verfahren besteht darin, dass das fadenförmige Material durch die Einzugswalzen in den Das allgemeine Verfahren besteht darin, dass das fadenförmige Material im Hohlraum der Düse durch eine Einzugswalze erhitzt wird.
SLS
Das SLS-Verfahren, auch bekannt als Selected Area Laser Sintering-Verfahren, wurde 1989 von Dechard an der University of Texas in Orting entwickelt. Auf der Grundlage dieses Materials wurde in derselben Kategorie wie das SLS-Verfahren auch das Direkte Metall-Laser-Sintern (DMLS) eingeführt.
Bei den im SLS-Verfahren verwendeten Materialien handelt es sich um verschiedene Arten von Pulvern wie Nylonpulver, nylonbeschichtetes Glaspulver, Polycarbonatpulver, Polyamidpulver, Wachspulver, Metallpulver (das nach dem Druck häufig erneut gesintert und verkupfert wird), mit wärmehärtendem Harz beschichteter feiner Sand, wachsumhülltes Keramikpulver und wachsumhülltes Metall
Was die Werkstoffe betrifft, so können mit dem SLS-Verfahren nicht nur Werkstoffe mit niedrigem Schmelzpunkt wie Paraffin und Kunststoffe, sondern auch Metalle einschließlich Edelstahl und sogar hochschmelzende Werkstoffe wie Keramik direkt geformt werden. Mit dem SLS-Verfahren können nicht nur Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt wie Paraffin und Kunststoffe, sondern auch Metalle wie Edelstahl und sogar Materialien mit hohem Schmelzpunkt wie Keramik geformt werden. Die Möglichkeit, Teile oder Komponenten mit hoher Festigkeit und Härte aus Metall oder Keramik zu drucken, ist einer der Gründe, warum sich das SLS-Verfahren in der Industrie immer mehr durchsetzt. Dies ist der Hauptgrund, warum das SLS-Verfahren so viel Aufmerksamkeit erregt und die vielversprechendsten Anwendungen in der Industrie hat. Das ist der Hauptgrund, warum das SLS-Verfahren so viel Aufmerksamkeit erregt und die vielversprechendsten Anwendungen hat.
slm
Als Reaktion auf die oben genannten Nachteile des SLS-Verfahrens schlug das Fraunholfer-Institut in Deutschland 1995 die SLM-Technologie vor, die ebenfalls das diskrete Stapel-Plus-Prinzip verwendet. Dieses Verfahren hat nicht nur die Vorteile des SLS-Verfahrens, sondern weist auch eine hohe Dichte des geformten Metalls und gute mechanische Eigenschaften auf. Das Verfahren bietet nicht nur die Vorteile von SLS, sondern auch eine hohe Dichte des geformten Metalls und gute mechanische Eigenschaften. Es hat eine Revolution in der Herstellung komplexer Metallteile ausgelöst.
Das SLM-Materialsortiment umfasst Eisenbasislegierungen, Nickelbasislegierungen, Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen.
Legierungen auf Eisenbasis spielen eine wichtige Rolle in der Technik, weshalb die SLM-Umformung von Eisenpulvern auf Fe-Basis am häufigsten und intensivsten untersucht wurde.
3DP
Die 3DP-Technologie und -Ausrüstung wurde vom Massachusetts Institute of Technology (MIT) in den USA entwickelt. Dabei werden hauptsächlich pulverförmige Materialien wie Keramik-, Metall- und Kunststoffpulver verwendet, die durch eine Düse mit einem Klebstoff gespritzt werden, um den Querschnitt des Teils auf das Material zu drucken.
Diese Pulver werden mit einer Düse aufgesprüht, die den Ausschnitt des Teils auf das Pulvermaterial druckt. Das Druckverfahren ähnelt dem Farbdruck auf Papier und kann durch den Aufbau eines dreifarbigen Bindemittel- und Düsensystems für farbigen dreidimensionalen Druck erreicht werden. Der 3D-Druck von keramischen Gegenständen hat bereits zahlreiche Anwendungen gefunden. Dieses Verfahren ist nach SLA, LOM, SLS und FDM eines der vielversprechendsten 3D-Druckverfahren, da es zunehmend für die Konstruktion von biologischen Tissue-Engineering-Strukturen eingesetzt wird¨”.
Derzeit werden im Bereich des 3D-Drucks sechs 3D-Druckverfahren eingesetzt. Die im System weit verbreiteten Druckmaterialien bestehen aus vier Haupttypen: flüssige lichtempfindliche Harzmaterialien, dünne Materialien (Papier, Kunststofffolie), Filamente mit niedrigem Schmelzpunkt und Pulvermaterialien. Metalle und Legierungen, Keramiken, etc.
Aus den Eigenschaften des 3D-Drucks, kombiniert mit verschiedenen Anwendungsanforderungen, die Entwicklung neuer Druckmaterialien, insbesondere Nano-Materialien, inhomogene Materialien, Verbundwerkstoffe, die schwer durch andere Methoden zu produzieren sind, direkten Druck zu produzieren hochdichten Metallteile von Legierungsmaterialien, funktionale Gradient Materialien, biologische Materialien, etc. wird die Entwicklungsrichtung von 3D-Druck-Materialien sein, um die Qualität kontinuierlich zu verbessern; darüber hinaus, um die Serialisierung von 3D-Druck-Materialien, Standardisierung, grün und Umweltschutz von 3D-Druck-Materialien zu fördern, und mit dem Konzept der “3D-Druck +”, um kontinuierlich die Die eingehende Integration von 3D-Druck-Technologie mit traditionellen Fertigungsindustrien wird Die Entwicklungsrichtung für die kontinuierliche Erweiterung der Produktion von 3D-Druck-Materialien.
Weitere häufig gestellte Fragen: 3D-Drucktechnologie und Materialien
1) Welches 3D-Druckverfahren sollte ich für funktionale Metallteile wählen?
- Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Elektronenstrahlschmelzen (EBM) für nahezu volldichte, hochfeste Bauteile aus Ti-6Al-4V, IN718 und AlSi10Mg. SLS/DMLS eignet sich für bestimmte Metall-Polymer-Verbundwerkstoffe oder Rohlinge, die später gesintert werden.
2) Worin besteht der praktische Unterschied zwischen SLS und SLM?
- Beim SLS-Verfahren erfolgt das Sintern in der Regel ohne vollständiges Schmelzen, wodurch der Einsatz von Polymeren und bestimmten Metall-Bindemittel-Mischungen möglich ist; beim SLM-Verfahren wird das Metallpulver vollständig geschmolzen, um eine höhere Dichte und mechanische Eigenschaften zu erzielen, die nach der Nachbearbeitung mit denen von Schmiedeteilen vergleichbar sind.
3) Wie kann ich Materialien für FDM, SLA und SLS miteinander vergleichen?
- FDM: Thermoplaste (PLA, ABS, PC, PA-CF) mit guter Zähigkeit und hitzebeständigen Typen; SLA: Photopolymere mit hervorragender Auflösung und Oberflächenqualität, jedoch empfindlich gegenüber UV-Strahlung und Kriechen; SLS: Nylon (PA11/PA12), TPU, gefülltes PA für feste, nahezu isotrope Bauteile ohne Stützstrukturen.
4) Welche Nachbearbeitungsschritte verbessern die Leistung am meisten?
- Für Metalle: Wärmebehandlung, HIP, Zerspanung, Kugelstrahlen, Oberflächenbearbeitung, Beschichtungen. Für Polymere/Harze: thermisches Glühen, UV-Nachhärtung (SLA/DLP), Strahlverfahren, Färben, Imprägnierung/Versiegelung.
5) Wie sollten Pulver und Harze gelagert werden, um die Qualität zu gewährleisten?
- Halten Sie Pulver trocken und inert (≤25% relative Luftfeuchtigkeit), protokollieren Sie die Wiederverwendungszyklen und sieben Sie das Pulver zwischen den Druckvorgängen; lagern Sie Harze in lichtundurchlässigen Behältern bei der empfohlenen Temperatur, vermeiden Sie den Kontakt mit Feuchtigkeit und befolgen Sie die Anforderungen zur Rückverfolgbarkeit der Chargen gemäß ISO/ASTM 52907/52931.
Branchentrends 2025: 3D-Drucktechnologie und -Materialien
- Metalle in großem Maßstab: Mehr Serienfertigung mittels SLM/EBM mit digitalen Materialpässen, die Pulverchargen mit der Prozessüberwachung verknüpfen.
- Hochtemperaturpolymere: PEKK/PEEK, PPSU und neue flammhemmende Werkstoffe für die Innenausstattung in der Luft- und Raumfahrt sowie im Schienenverkehr.
- Kupfer und Aluminium: Eine verbesserte Laserabsorption erweitert die LPBF-Anwendung von CuCr1Zr und mit Sc modifiziertem Aluminium für das Wärmemanagement.
- Wachstum im Keramikbereich: Ausweitung der DLP/SLA-Keramikproduktion (Aluminiumoxid/Zirkonoxid) für den Dentalbereich und die Halbleiterindustrie.
- Nachhaltigkeit: Die Wiederverwendung von Pulver und Polymeren im geschlossenen Kreislauf sowie Umweltproduktdeklarationen (EPDs) werden in Ausschreibungen zunehmend gefordert.
Überblick 2025: Prozess- und Material-Benchmarks (unverbindlich)
| Prozess | Typische Werkstoffe | Wichtige Kennzahl für 2025 (ggf. nachbearbeiten) | 2023 | 2024 | 2025 seit Jahresbeginn |
|---|---|---|---|---|---|
| SLM-/LPBF-Metalle | Ti-6Al-4V, IN718, AlSi10Mg, CuCr1Zr | Relative Dichte (%) | 99.5–99.8 | 99.6–99.9 | 99,7–~100 |
| SLM-/LPBF-Metalle | Ti-6Al-4V | HCF-Ermüdungsgrenze (MPa, geschliffen, R=0,1) | 380–430 | 420–470 | 450–500 |
| SLS-Polymere | PA12, PA11, TPU | Anteil an recycelten Materialien in Produktionschargen (%) | 30–40 | 40–50 | 45–60 |
| SLA-/DLP-Harze | Robust/Hochtemperaturbeständig/keramikverstärkt | XY-Auflösung (µm) | 80–120 | 70–100 | 50–80 |
| FDM/FFF | PEKK/PEEK, CF-PA, PC | HDT bei 0,45 MPa (°C) | 150–160 | 160–170 | 165–180 |
Quellen:
- Normen ISO/ASTM 52900/52904/52907/52931: https://www.iso.org
- ASTM F2924 (Ti-6Al-4V), F3055 (IN718), F3301/F3302 AM-Verfahren: https://www.astm.org
- NIST AM-Bench und Ressourcen zur Messtechnik: https://www.nist.gov/ambench
- SAE/AMS-Spezifikationen für AM-Werkstoffe und -Verfahren: https://www.sae.org
Aktuelle Forschungsfälle
Fallstudie 1: Skalierung von LPBF-Kupferkühlkörpern für die Leistungselektronik (2025)
Hintergrund: Ein Elektronik-OEM benötigte Kühlkörper mit höherer thermischer Leistung für SiC-Wechselrichter.
Lösung: Einsatz von LPBF-CuCr1Zr mit Lasern hoher Absorptionsfähigkeit; Optimierung der Gitter-Pin-Fins sowie Post-HIP-Behandlung und Alterung; Einführung eines digitalen Materialpasses, der die Pulverwerte O/N/H mit der Überwachung des Schmelzbads verknüpft.
Ergebnisse: Wärmewiderstand −18% im Vergleich zum bearbeiteten Referenzmaterial; Erstdurchlaufausbeute +12%; Porosität <0,1% (CT), Leitfähigkeit 85–90% IACS nach HT.
Fallstudie 2: DLP-Zirkoniumdioxid-Zahngerüste mit schnelleren Sinterzyklen (2024)
Hintergrund: Ein Dentallabor wollte die Durchlaufzeit verkürzen und dabei die Transluzenz und Festigkeit beibehalten.
Lösung: Umstellung auf eine DLP-Aufschlämmung mit hohem Feststoffanteil und einen verkürzten zweistufigen Sinterprozess mit kontrollierter Aufheiz- und Haltephase; Einführung einer Inline-Überwachung der Viskosität und des Feststoffgehalts.
Ergebnisse: Zweiachsige Biegefestigkeit +8% (auf ~950 MPa); Transluzenz blieb erhalten; Durchsatz +25% ohne Anstieg des Ausschusses.
Expertenmeinungen
- Prof. Amy J. Clarke, Professorin für Metallurgie an der Colorado School of Mines
- “Digitale Pässe, die die Herkunft des Pulvers und In-situ-Signaturen mit den Materialeigenschaften verknüpfen, beschleunigen die Qualifizierung sicherheitskritischer AM-Teile.”
- Dr. Brandon A. Lane, Messtechniker für additive Fertigung, NIST
- “Die schichtweise Überwachung erkennt nun zuverlässig Anzeichen für Porosität, wodurch Korrekturmaßnahmen ergriffen werden können, die die Streuung der Materialeigenschaften verringern.”
- Dr. Martina Zimmermann, Leiterin AM-Materialien, Sandvik Additive Manufacturing
- “Dank der Fortschritte bei der Absorptionsfähigkeit von Aluminium und Kupfer werden nun Konzepte für das Wärmemanagement möglich, die vor zwei Jahren noch undurchführbar waren.”
Praktische Werkzeuge und Ressourcen
- ISO/ASTM AM-Normenbibliothek (Konstruktion, Verfahren, Werkstoffe): https://www.iso.org
- ASTM AM-Werkstoffspezifikationen und Prüfverfahren: https://www.astm.org
- NIST AM-Bench-Datensätze und bewährte Verfahren: https://www.nist.gov/ambench
- Senvol-Datenbank für Maschinen-Werkstoff-Zuordnungen und zulässige Werte: https://senvol.com
- Materialdatenverwaltung (Ansys Granta MI) und Simulation (Ansys, Simufact Additive)
- OEM-Anwendungshinweise und Konstruktionsleitfäden (EOS, 3D Systems, Stratasys, HP, Renishaw)
Letzte Aktualisierung: 2025-08-25
Änderungsprotokoll: 5 themenspezifische FAQs hinzugefügt; eine Tabelle mit Benchmarks für 2025 samt Quellenangaben erstellt; zwei aktuelle Fallstudien aufgenommen; Expertenmeinungen bereitgestellt; praktische Tools und Ressourcen zusammengestellt
Nächster Überprüfungstermin & Auslöser: 01.02.2026 oder früher, falls die ISO/ASTM/SAE-Normen aktualisiert werden, große Erstausrüster neue Hochtemperaturpolymere oder Kupfer-/Aluminiumsorten auf den Markt bringen oder die Einführung des digitalen Passes die Qualifizierungsverfahren wesentlich verändert**
