Auf einen Blick: Stratasys SAF™ powder bed fusion (PBF) verwendet ein Infrarot-Absorptionsmittel und Wärme, um Polymerpulver zu isotropen, hochpräzisen Teilen zu verschmelzen, die effizientes Nesting, schnelle Zyklen, recycelbare Materialien und skalierbare Produktion in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, dem Gesundheitswesen und anderen Bereichen ermöglichen.
Wenn Sie das Thema 3D-Druck verwirrend oder überwältigend finden, sind Sie nicht allein. Es gibt viel zu beachten. Aber je mehr Sie lernen, desto klarer wird das Bild. Ein guter Ausgangspunkt ist es, sich mit den verschiedenen Technologien der additiven Fertigung (AM) – den 3D-Druckverfahren – vertraut zu machen, die auf dem Markt erhältlich sind. Um Ihnen dabei zu helfen, befasst sich dieser Beitrag näher mit einer dieser Technologien – der powder bed fusion –, damit Sie besser verstehen, wie sie eingesetzt wird, wo sie geeignet ist und wann Sie sie in Betracht ziehen sollten.
Der powder bed fusion 3D-Druck ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem pulverförmiges Material mithilfe einer Hochenergiequelle wie einem Laser oder Elektronenstrahl Schicht für Schicht selektiv geschmolzen und verschmolzen wird, wodurch dreidimensionale Objekte entstehen. Bei diesem Verfahren werden Teile auf der Grundlage eines digitalen Entwurfs aus einem Bett aus fein pulverförmigem Material aufgebaut. Das ungenutzte Pulver, das jedes Teil umgibt, dient als natürliche Stütze, sodass komplexe Geometrien ohne zusätzliche Gerüste (außer bei Metall) hergestellt werden können.
Das powder bed fusion-Verfahren lässt sich anhand der verwendeten Wärmequelle in mehrere große Kategorien unterteilen:
Alle Verfahren basieren auf dem Grundprinzip, Teile aus einem Pulverbett aufzubauen, aber der Schmelzmechanismus und die geeigneten Materialien variieren, was sich auf ihre idealen Anwendungsfälle auswirkt. Obwohl Metall einen großen Anteil am PBF-Markt hat, konzentriert sich dieser Blogbeitrag speziell auf den Polymer-PBF-3D-Druck.
Der powder bed fusion-Prozess lässt sich in eine Reihe präziser Schritte unterteilen. Zunächst wird eine dünne Schicht vorgewärmtes Pulver auf der Bauplattform verteilt. Anschließend schmilzt eine Wärmeenergiequelle das Pulver entsprechend dem Querschnitt des digitalen Modells selektiv. Sobald eine Schicht geschmolzen ist, senkt sich die Bauplattform leicht ab, und eine neue Schicht vorgewärmtes Pulver wird hinzugefügt und geschmolzen.
Dieser schichtweise Ansatz wird fortgesetzt, bis die Teile vollständig geformt sind. Nach Abschluss des Bauvorgangs kühlen die Teile im Pulverbett ab. Nach dem Abkühlen wird das verbleibende lose Pulver entfernt, das häufig für zukünftige Drucke wiederverwendet wird. Je nach Designanforderungen können zusätzliche Nachbearbeitungsschritte wie Perlstrahlen, Färben oder Dampfglätten erforderlich sein.
Ein Aspekt, der sich auf Pulverbettschmelzmaterialien auswirkt, ist ihre letztendliche Zersetzung. Durch den Druckprozess verschlechtern sich die thermischen Eigenschaften des Materials. Daher muss beim PBF-Verfahren das verwendete Pulver mit einer Mischung aus neuem Pulver aufgefrischt werden, wobei die Menge von den Fähigkeiten der jeweiligen Pulverbettschmelztechnologien und des verwendeten Druckers abhängt. Das unbrauchbare Pulver wird zu einem Abfallprodukt des Prozesses.
Wie andere Formen des 3D-Drucks bietet auch das PBF-Verfahren nahezu unbegrenzte Gestaltungsfreiheit sowie Zeit- und Kosteneinsparungen im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden. Es gibt jedoch einige Merkmale, die es von anderen additiven Fertigungsverfahren unterscheiden:
Ein weiterer Vorteil des Pulverbett-3D-Drucks, der manchmal übersehen wird, ist seine Fähigkeit, nahezu isotrope Teile herzustellen – Teile mit gleichbleibenden mechanischen Eigenschaften in alle Richtungen. Dies ist vorteilhaft für kritische, tragfähige Funktionskomponenten. Im Gegensatz dazu erzeugen einige andere AM-Verfahren anisotrope Teile, bei denen sich Eigenschaften wie die Stabilität / Festigkeit entlang der Bauachsen unterscheiden. Dies führt zu Schwankungen in den mechanischen Eigenschaften entlang der Geometrie des Teils, z. B. ist es in einer Richtung robuster und in einer anderen weniger robust.
Im Gegensatz zu vielen anderen 3D-Druckverfahren werden Polymer-PBF-Teile aus Thermoplasten hergestellt, die von Natur aus recycelbar sind, was die Verfahren nachhaltiger macht, was besonders wichtig ist, da der 3D-Druck zunehmend in der Serienfertigung eingesetzt wird.
Aufgrund der Vorteile, die das Pulverbettdruckverfahren bietet, findet es in praktisch jeder Branche Anwendung, die in irgendeiner Form mit der Fertigung zu tun hat.
Trotz seiner Robustheit gibt es beim 3D-Druck mit powder bed fusion einige Aspekte zu beachten, die eine sorgfältige Bewertung erfordern.
Die Kosten für die Ausrüstung gehören zu den höchsten unter den additiven Technologien.
Die Materialauswahl wird zwar immer größer, aber andere Polymer-AM-Technologien bieten mehr Optionen.
Je nach Anwendungsbereich sind andere Formen der additiven Fertigung wie FDM®, PolyJet™ oder P3™ DLP möglicherweise besser geeignet, da sie nicht die gleichen Anforderungen an die Einrichtung und Umgebung stellen. Diese Technologien bieten auch eine größere Auswahl an Materialien.
Obwohl es die PBF-Additivtechnologie bereits seit etwa 40 Jahren gibt, ist sie nicht stehen geblieben, und neue Entwicklungen erweitern kontinuierlich ihre Möglichkeiten.
Zusammen machen diese Innovationen die powder bed fusion zugänglicher, effizienter und leistungsfähiger.
Stratasys bringt sein AM-Know-how in die pulverbasierte Fusion ein, und zwar durch seine SAF® Selective Absorption Fusion®-Technologie, die derzeit im H350™ Pulverbett-3D-Drucker zum Einsatz kommt. Die SAF-Technologie nutzt ein infrarotabsorbierendes Mittel, das von industriellen Druckköpfen und Infrarot-Wärmelampen aufgebracht wird, um Polymerpulver selektiv zu verschmelzen.
Die Innovation hinter dem H350-Drucker und der SAF-Technologie wurde entwickelt, um die Mängel bestehender PBF-Optionen für Polymere zu beheben, und bietet Herstellern mehrere wichtige Vorteile gegenüber den derzeit auf dem Markt erhältlichen PBF-Optionen.
Eines der Designziele der SAF-Technologie war es, den Einsatz der additiven Fertigung in Produktionsumgebungen zu ermöglichen, insbesondere für Endbauteile mit erhöhtem Volumen, bei gleichzeitiger Minimierung der Betriebskosten und Rationalisierung der Arbeitsabläufe. Noch wichtiger war jedoch, dass die SAF-Technologie entwickelt wurde, um die aktuelle Polymer-PBF-Technologie zu verbessern.
Zu den Highlights, mit denen der H350-3D-Drucker und die SAF-Technologie die Schwachstellen des aktuellen Pulverbett-3D-Drucks beheben, gehören:
Der H350-Drucker verwendet einen patentierten unidirektionalen Druckmodus im Gegensatz zu einem bidirektionalen Verfahren, das bei Konkurrenzsystemen zum Einsatz kommt. Darüber hinaus verwendet der H350-Drucker eine hochauflösende Wärmebildkamera, die 100-mal genauer ist als andere Systeme. Diese Kombination sorgt für eine gleichmäßige Temperaturregelung über das gesamte Druckbett, was zu präzisen Teilen während des gesamten Druckvorgangs und einer hohen Ausbeute führt.
Der H350-Drucker erreicht eine Verschachtelungsdichte von bis zu 43 % bei praktisch null Materialverschwendung. Andere derzeit verfügbare Systeme der powder bed fusion erreichen eine Dichte von etwa 10 % bis 12 %. Der H350-Drucker verbraucht außerdem weniger Verbrauchsmaterialien. Diese Faktoren führen zusammen zu niedrigeren Betriebskosten und einem höheren Durchsatz, wodurch die Kosten pro Teil sinken.
Die GrabCAD Print Pro™-Software kann ohne zusätzliche Kosten automatische Bauberichte mit Rückverfolgbarkeit der Aufträge erstellen, was mit Konkurrenzsystemen nicht möglich ist. Die Druckeinstellungen sind ebenfalls anpassbar, sodass Sie sie nach Bedarf an verschiedene Anwendungen anpassen können.
Der H350-Drucker hat die niedrigsten Energiekosten pro Kilogramm gedruckter Teile in seiner Klasse, basierend auf Back-to-Back-Tests mit der Konkurrenz. Er hat auch eine geringere Stellfläche, sodass zwei Drucker auf dem gleichen Platz wie ein Konkurrenzsystem installiert werden können. Geringerer Platzbedarf bedeutet weniger Aufwand für die Temperatur- und Feuchtigkeitskontrolle, was zu einem insgesamt geringeren CO2-Fußabdruck der Technologie beiträgt.
Das Zubehör PowderEase™ T1 optimiert die Pulverhandhabung durch automatisiertes Ausbrechen, Entnehmen von Teilen und Dosieren des Pulvers. Dadurch wird der Arbeitsaufwand für die Bearbeitung der Teile nach dem Druck erheblich reduziert, sodass sich die Kunden auf andere Aufgaben konzentrieren können. Außerdem werden die Sicherheit und Effizienz am Arbeitsplatz verbessert, da die manuelle Pulverhandhabung reduziert, die Staubbelastung begrenzt und ungenutztes Pulver effizienter zurückgewonnen wird.
Zusätzlich zu diesen Vorteilen ist SAF ReLife PA12 eine herausragende Nachhaltigkeitsinnovation der SAF-Technologie. Diese Funktion ermöglicht es, das gebrauchte PA12-Abfallpulver aus SAF und anderen pulverbasierten Technologien im H350-3D-Drucker wiederzuverwenden. Dieser umweltbewusste Ansatz kann die CO2-Emissionen um bis zu 90 % reduzieren und Abfall effektiv in Wert umwandeln.
Die SAF PBF-Technologie nutzt derzeit drei Arten von Pulverbett-Fusionspolymeren:
Als Referenz können PBF-Prozesse außerhalb der SAF-Technologie dieselben Materialien sowie weitere Materialien verwenden, darunter:
Wenn Ihnen aufgefallen ist, dass der Pulverbett-Druck weniger Materialien bietet als andere additive Technologien, dann liegt Ihre Wahrnehmung richtig. Der Hauptgrund dafür liegt in den Herausforderungen, die bestimmte Polymere bei der Umwandlung in Pulverform mit sich bringen. Nicht alle Kunststoffe verfügen über die ausgewogenen thermischen Eigenschaften, die für die Pulverisierung erforderlich sind. Allerdings können die mit Polymer-PBF verwendeten Materialien auf Nylonbasis viele Anwendungen abdecken. Darüber hinaus wird die Entwicklung von mit Nylon basierten, kohlefaserverstärkten oder glasgefüllten Verbundmaterialien / Verbundwerkstoffen fortgesetzt, wodurch sich weitere Optionen ergeben.
Während Stratasys die SAF-Technologie anbietet, spielen auch andere Pulverbettfusionsverfahren eine wichtige Rolle in der additiven Fertigung.
Jede Technologie hat ihre Stabilität / Festigkeit, aber die Stratasys SAF-Plattform zeichnet sich durch ihre Effizienz, Wiederholbarkeit und Wirtschaftlichkeit aus.
Beim powder bed fusion werden die Partikel auf eine Temperatur knapp unterhalb ihres Schmelzpunktes vorgewärmt. Anschließend wird selektiv zusätzliche Wärme zugeführt, um die Partikel in den Bereichen zu schmelzen, in denen die hergestellten Teile entstehen sollen. Diese Partikel verschmelzen miteinander und verfestigen sich später zu den hergestellten Teilen.
Verfärbungen sind häufig auf eine thermische Zersetzung des Pulvers zurückzuführen, insbesondere wenn wiederverwendetes Pulver während des Druckvorgangs längerer Hitze ausgesetzt ist. Dies kann sowohl die Ästhetik als auch die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen.
Ja, Materialien wie Rilsan® PA11 sind biobasiert und biokompatibel, sodass sie für medizinische Anwendungen wie Orthesen und Prothesen geeignet sind. PA12-Varianten in medizinischer Qualität sind ebenfalls für den Hautkontakt und die begrenzte interne Verwendung zertifiziert.
A11 ist duktiler, besser schlagfest und hat eine größere Bruchdehnung. PA12 hingegen ist steifer, hat eine ausgezeichnete Dimensionsstabilität und bietet engere Toleranzen.
Das hängt von der jeweils verwendeten Technologie ab. Bei jedem Zyklus wird das Pulver Hitze und Sauerstoff ausgesetzt, wodurch seine chemische Struktur und Druckbarkeit beeinträchtigt werden. Die meisten Systeme empfehlen eine Auffrischungsrate – das Hinzufügen von 20–50 % neuem Pulver –, um die Qualität wiederverwendeter Chargen aufrechtzuerhalten. Dank der schonenden Temperaturregelung der SAF-Technologie kann jedoch das gesamte Pulver ohne Abfall (abgesehen von dem Pulver, das beim Reinigungsprozess verloren geht) verwendet werden.
Häufige Anzeichen sind eine schlechte Schichtverteilung, uneinheitliche Stabilität / Festigkeit der Teile, erhöhte Brüchigkeit und sichtbare Oberflächenfehler. Wiederholte Verwendung führt auch zu einer Erhöhung der Partikelgröße und Oxidation, wodurch die Fusionsleistung verringert wird.
Nein. Das umgebende, nicht verschmolzene Pulver stützt Überhänge und komplexe Merkmale und ermöglicht so die Erstellung komplizierter Geometrien ohne physische Stützstrukturen. Dies vereinfacht das Design und die Nachbearbeitung.
Ja, Polypropylen, das eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme und eine gute chemische Beständigkeit aufweist, kann zur Herstellung wasser- und luftdichter Teile verwendet werden.
Als Pionier im Bereich der additiven Fertigung hat Stratasys die powder bed fusion neu definiert. Die SAF-Technologie und der 3D-Drucker H350 wurden entwickelt, um den Polymer-PBF-Prozess auf ein neues Leistungsniveau zu heben, das Herstellern gegenüber dem Status quo greifbare Vorteile bietet. Kosteneffizienz, ein optimierter Workflow und Nachhaltigkeitsmerkmale machen die SAF-Technologie und den H350-Drucker zur optimalen Wahl für den powder bed fusion 3D-Druck.
Weitere Informationen finden Sie auf der SAF-Technologie-Webseite.
Wenn Sie sich eingehender mit der Auswahl einer 3D-Drucktechnologie befassen möchten, lesen Sie unseren 3D-Druck-Leitfaden für Einkäufer. Er bietet einen umfassenden Überblick über jede Stratasys-Technologie, ihre Einsatzbereiche und wichtige Überlegungen, die Sie berücksichtigen sollten.
