Carbon zeigt die Zukunft der industriellen Massenfertigung

Bevor wir uns der Königsdisziplin des 3D-Drucks zuwenden, lohnt es sich, die Continuous Liquid Interface Production (CLIP) des Herstellers Carbon anzuschauen. Diese 2014 patentierte Technik zeigt eindrucksvoll, wie die Zukunft vor unseren Augen entsteht. Ähnelt die Technik auf den ersten Blick vom Aufbau her noch der Stereolithographie, so erstaunt die Geschwindigkeit, in der die Werkstücke dem Harz entwachsen.

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Innerhalb von nur wenigen Sekunden entstehen Werkstücke, die sonst gut und gerne eine Stunde und mehr auf einem schnellen gewöhnlichen SLA-Drucker benötigen. Nimmt man ein Werkstück in die Hand, fällt auf, dass dieses makellos wirkt. Von den für den 3D-Druck so charakteristischen Schichten ist nichts zu erkennen.

Der Trick hier ist, dass die CLIP-Technologie wirklich auf Schichten im klassischen Sinne verzichten kann oder, wenn man so will, die Schichten nur so hoch wie ein Molekül sind. Erreicht wird dies durch eine zusätzliche Membran am Boden der Druckwanne. Neben der Belichtung kann so auch der Sauerstoff, der beim Aushärten zur Verfügung steht, kontrolliert und justiert werden, sodass das Werkstück der Grenzschicht zwischen sauerstoffreichem und sauerstoffarmem Harz kontinuierlich wachsen kann.

Leider kann man kein Gerät mit dieser Technik käuflich erwerben. Carbon bietet ausschließlich ein Mietmodell zu seinen Geräten an. Kostenpunkt für die größeren Geräte ist ein mittlerer fünfstelliger Betrag im Monat. Es gibt inzwischen jedoch auch ein kleines Einsteigergerät, das für 25.000 US-Dollar im Jahr angeboten wird.

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Eine genauere wirtschaftliche Betrachtung können wir an dieser Stelle nicht geben, aber wenn man sich nach einer ernsthaften Alternative zu klassischen Massenfertigungsverfahren wie Spritzguss umsehen möchte, sollte man sich mit der CLIP-Technik auseinandersetzen. Als prominentes Beispiel versucht das Unternehmen Adidas seit vier Jahren, derart 3D-gedruckte Zwischensohlen in Laufschuhen im Markt zu etablieren.

  • Shining3Ds AccuFab-L4K ist ein hochwertiger Desktop-SLA-Drucker mit DLP-Technologie. Schön zu erkennen sind die Stützstrukturen, die das eigentliche Werkstück schräg zur Druckplatte halten. Ein typisches Bild für einen SLA-Drucker. (Bild: Elias Dinter)
  • Der Formlabs Fuse 1 ist nach mehrjähriger Verzögerung nun auf dem Markt erhältlich. Er gehört zu den günstigsten SLS-Druckern für Polyamide. (Bild: Elias Dinter)
  • Mit dem Fuse Sift bietet Formlabs auch die passende Aufbereitungsstation an. Hier können die Bauteile vom losen Pulver gereinigt werden, welches von der Anlage abgesaugt und durchsiebt wird. (Bild: Elias Dinter)
  • Das überschüssige Pulver wird zur erneuten Benutzung mit frischem Pulver in einem bestimmten Verhältnis ergänzt. Der Behälter wird anschließend manuell seitlich eingehakt und von der Maschine durch Rotation gleichmäßig vermischt. Die fertige Mischung steht nun für einen neuen Druck bereit. (Bild: Elias Dinter)
  • Der Formlabs Form 3L ist einer der größeren SLA-Drucker auf dem Markt. Er wird auch zusammen mit einer Wasch-Station und einer UV-Belichtungs-Station zum gleichmäßigen Aushärten der Werkstücke angeboten. (Bild: Elias Dinter)
  • Wie Carbon versucht sich auch Formlabs an Schuhsohlen. (Bild: Elias Dinter)
  • Das Kinderlaufrad hat Formlabs-CEO Maxim Lobovsky designt und aus zwei Teilen in einem Druckvorgang auf dem Form 3L hergestellt. Durch eine Simulation der dynamischen Belastung konnte der Rahmen hinsichtlich Gewicht und Materialverbrauch optimiert werden, sodass auch das verwendete Kunstharz der Energie eines Kindes standhält. Das ausgestellte Laufrad ist eine Kopie des Originals, das Lobovskys Kleinkind täglich mit Begeisterung verwendet, wie der Vater stolz auf dem Handyvideo beweist. (Bild: E
  • Ein bunter Mix aus SLA- und SLS-Drucken. Ob High Heels oder das Brillengestell aus dem Sinter-Drucker oder doch lieber das flexible Brillengestell aus Kunstharz? Das Rad vereint festes und elastisches Kunstharz. Highlight auf dem Tisch ist der bewegliche Handschuh, der aus einem Stück mit funktionierenden Gelenken im SLS-Verfahren gedruckt wurde.
Wie Carbon versucht sich auch Formlabs an Schuhsohlen. (Bild: Elias Dinter)

Freiheit in Form und Material: SLS-Druck

Denkt man an ein ideales 3D-Druckverfahren, kommt man am Selektivem Lasersintern nicht vorbei. Es vereint so viele positive Eigenschaften, die man gemeinhin mit dem 3D-Druck assoziiert, dass man diese Technik mit Recht als die Königsdisziplin der additiven Fertigung ansehen kann. Sie funktioniert mit einer Vielzahl an Materialien und kann jegliche Form an Geometrien ohne Kompromisse oder zusätzlichen Aufwand drucken. Werkstücke können sogar gedruckt eine Festigkeit erreichen, als wenn man sie aus einem Block des gleichen Materials fräsen würde.

Allerdings ist der SLS-Druck auch bis heute die mit Abstand komplexeste Drucktechnik, was sich sowohl im Preis niederschlägt, als auch bei der Auswahl an Geräten und den zusätzlichen Ressourcen, die man für den Betrieb eines solchen Gerätes einplanen muss.

Pulver wird zu einem Bauteil verschmolzen

Beim SLS-Verfahren wird ein feines Pulver im Bauraum erhitzt, das zuvor von einer Walze zu einer wenige Mikrometer dicken Schicht ausgerollt wurde. Die Temperatur des Bauraums darf nur wenige Grad unter der Schmelztemperatur des Trägermaterials liegen und alles eingebrachte Pulver muss entsprechend vollständig aufgeheizt sein.

Sobald die Zieltemperatur erreicht wird, kann mit dem eigentlichen Sinter-Prozess begonnen werden, also dem Verschmelzen des Materials zu einem festen Werkstück. Hierfür wird ein Laser verwendet, um die Temperatur um die wenigen Grad Celsius punktuell zu erhöhen, damit das Material verschmilzt. Es eignen sich je nach verwendetem Material klassische CO2-Laser oder moderne Halbleiterlaser. Als Wellenspektrum des Lasers haben sich nicht zuletzt aus Kostengründen in den letzten Jahren Infrarotlaser in der Industrie etabliert, auch wenn Laser mit kurzen Wellenlängen Vorteile bei der Auflösung und Materialdurchdringung haben.

Das Werkstück wird schichtweise aufgebaut, wobei nach jedem Sintern eine neue Lage an Trägermaterial mit der Walze über die bereits verfestigte Schicht aufgetragen wird. An den Bereichen, die zuvor nicht gesintert werden mussten, wird ebenfalls eine neue Pulverschicht aufgelegt, sodass letztendlich ein quaderförmiger Block aus gepresstem Pulver entsteht, in dessen Innerem das verfestigte Bauteil eingeschlossen ist.

Mechanische Teile direkt aus dem Drucker

Dieses Vorgehen hat den Vorteil, dass beim Aufbau jeder einzelnen Schicht an jedem Ort stets eine Unterlage entweder aus festem oder losem Pulver besteht, sodass an jeder Stelle ein Untergrund vorhanden ist, auf dem der Sinter-Prozess aufbauen kann. So besteht kein Bedarf an Stützstrukturen und es können auch in sich verschachtelte Geometrien ohne Probleme gedruckt werden.

  • Shining3Ds AccuFab-L4K ist ein hochwertiger Desktop-SLA-Drucker mit DLP-Technologie. Schön zu erkennen sind die Stützstrukturen, die das eigentliche Werkstück schräg zur Druckplatte halten. Ein typisches Bild für einen SLA-Drucker. (Bild: Elias Dinter)
  • Der Formlabs Fuse 1 ist nach mehrjähriger Verzögerung nun auf dem Markt erhältlich. Er gehört zu den günstigsten SLS-Druckern für Polyamide. (Bild: Elias Dinter)
  • Mit dem Fuse Sift bietet Formlabs auch die passende Aufbereitungsstation an. Hier können die Bauteile vom losen Pulver gereinigt werden, welches von der Anlage abgesaugt und durchsiebt wird. (Bild: Elias Dinter)
  • Das überschüssige Pulver wird zur erneuten Benutzung mit frischem Pulver in einem bestimmten Verhältnis ergänzt. Der Behälter wird anschließend manuell seitlich eingehakt und von der Maschine durch Rotation gleichmäßig vermischt. Die fertige Mischung steht nun für einen neuen Druck bereit. (Bild: Elias Dinter)
  • Der Formlabs Form 3L ist einer der größeren SLA-Drucker auf dem Markt. Er wird auch zusammen mit einer Wasch-Station und einer UV-Belichtungs-Station zum gleichmäßigen Aushärten der Werkstücke angeboten. (Bild: Elias Dinter)
  • Wie Carbon versucht sich auch Formlabs an Schuhsohlen. (Bild: Elias Dinter)
  • Das Kinderlaufrad hat Formlabs-CEO Maxim Lobovsky designt und aus zwei Teilen in einem Druckvorgang auf dem Form 3L hergestellt. Durch eine Simulation der dynamischen Belastung konnte der Rahmen hinsichtlich Gewicht und Materialverbrauch optimiert werden, sodass auch das verwendete Kunstharz der Energie eines Kindes standhält. Das ausgestellte Laufrad ist eine Kopie des Originals, das Lobovskys Kleinkind täglich mit Begeisterung verwendet, wie der Vater stolz auf dem Handyvideo beweist. (Bild: E
  • Ein bunter Mix aus SLA- und SLS-Drucken. Ob High Heels oder das Brillengestell aus dem Sinter-Drucker oder doch lieber das flexible Brillengestell aus Kunstharz? Das Rad vereint festes und elastisches Kunstharz. Highlight auf dem Tisch ist der bewegliche Handschuh, der aus einem Stück mit funktionierenden Gelenken im SLS-Verfahren gedruckt wurde.
Ein bunter Mix aus SLA- und SLS-Drucken. Ob High Heels oder das Brillengestell aus dem Sinter-Drucker oder doch lieber das flexible Brillengestell aus Kunstharz? Das Rad vereint festes und elastisches Kunstharz. Highlight auf dem Tisch ist der bewegliche Handschuh, der aus einem Stück mit funktionierenden Gelenken im SLS-Verfahren gedruckt wurde.

Beispiele hierfür sind Objekte wie etwa eine Kugel, die in einem Quader eingeschlossen ist, Ketten mit geschlossenen Kettengliedern, oder ein Stab aus mehreren ineinander liegenden Elementen, der sich teleskopartig ausziehen und wieder zusammenschieben lässt. Am beeindruckendsten sind aber sicher ganze Objekte mit Gelenken und Scharnieren, etwa eine Roboterhand, bei der jedes einzelne Teil perfekt ineinandergreift und das so als ein fertiges Bauteil in einem Stück voll funktionsfähig ausgedruckt werden kann. Dies kann keine andere Technik am Markt.

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 SLA-Druck - im goldenen KäfigSLS-Drucken bleibt ein aufwendiger Prozess 
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derdiedas 06. Dez 2021 / Themenstart

Deshalb habe ich mir einen Ultraschallreiniger gekauft (3L), der ist mit Isophropanol...

PULVERMEISTER 30. Nov 2021 / Themenstart

Wir haben dazu inzwischen die 4te Iteration auf der Formnext in Frankfurt präsentiert...

Garbagecollect 30. Nov 2021 / Themenstart

Heute und morgen gibt es die Digital Days der Formnext. Ist natürlich kein Ersatz die...

ashahaghdsa 30. Nov 2021 / Themenstart

Ich sehe Patente auch sehr zwiegespalten. Zum einen soll jemand, der sich was großartiges...

ashahaghdsa 30. Nov 2021 / Themenstart

Evtl. würde ich das Werbevideo dann gegen den TED Talk tauschen oder so. Weil da sieht es...

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