Ob in der Industrie, der Forschung oder im privaten Haushalt: 3D-Druck lässt Ideen Wirklichkeit werden und gibt uns schon heute einen Vorgeschmack auf das, was in Zukunft noch alles möglich sein wird. Kaum zu glauben, aber wahr: Die Geschichte des 3D-Drucks begann schon in den 80er Jahren: 1987 brachte Chuck Hall den ersten 3D-Drucker auf den Markt. Heute kommt die Technologie beispielsweise bei der Fertigung sehr kleiner Bauteile oder Teilen mit einer komplexen Geometrie zum Einsatz. Aber auch die Forschung und die Medizin profitieren von der Möglichkeit, Prototypen, Modelle und Werkzeuge mittels 3D-Druck herzustellen.
In diesem Beitrag widmen wir uns Schicht für Schicht den Grundlagen des 3D-Drucks.
Inhaltsverzeichnis:
Was ist 3D-Druck?
3D-Druck ist ein Verfahren zur werkzeug- und formlosen Fertigung dreidimensionaler Objekte. Der Aufbau erfolgt additiv: flüssige oder feste Werkstoffe, sogenannte Filamente, werden Schicht für Schicht aufgetragen. Dabei macht man sich chemische sowie physikalische Härtungs- und Schmelzprozesse zu Nutze.
3D-Druck gehört zu den digitalen Produktionsverfahren, weil ein Computer die Steuerung des Konstruktionssystems übernimmt. Auch die Vorlage für die Fertigung sind digitale Modelldaten des zu fertigenden physischen Objekts.
Im Vergleich zu anderen Verfahren, wie dem in der Produktion verbreiteten Spritzgussverfahren, entfällt beim 3D-Druck die Notwendigkeit vorgefertigter Formen. Ein 3D-Drucker kann daher problemlos für die Fertigung verschiedener Teile verwendet werden.
Das Prinzip ist bei allen 3D-Druckern das gleiche. Die Unterschiede ergeben sich in erster Linie aus den verschiedenen Druckverfahren und den dafür benötigten Werkstoffen. Daher gilt es vor dem Kauf eines 3D-Druckers zu entscheiden, was hergestellt werden soll und welche Eigenschaften die gefertigten Teile haben sollen. Auch die Art der Nachbearbeitung ist abhängig vom jeweiligen Druckverfahren.
3D-Druckverfahren
Mit Pulver, flüssigen oder geschmolzenen Materialien: Es gibt verschiedene Verfahren zur additiven Fertigung, welche die Eigenschaften des 3D-Objektes beeinflussen.
SLS
Selektives Lasersintern kommt im Gegensatz zu anderen Verfahren ohne Stützkonstruktionen aus – das verwendete Polymerpulver ist selbst der Träger. Das Pulver wird in einem Behälter bis knapp unter seinen Schmelzpunkt erhitzt. Ein so genannter Auftragsschieber trägt die erste Pulverschicht dann auf die Grundfläche auf. Anschließend fährt ein CO2-Laser die Fläche ab und sintert die Pulverpartikel: er bindet sie zusammen. Die Rohlingplattform bewegt sich eine Ebene nach unten und die nächste Schicht wird aufgetragen.
Das fertige Teil befindet sich dann in einem Behälter umgeben von ungesintertem Pulver. Bevor das Werkstück entnommen und von überflüssigem Pulver befreit werden kann, muss der Behälter abkühlen.
SLS-Werkstücke haben nahezu isotrope mechanische Eigenschaften. Daher eignen sie sich besonders für Prototypen und Funktionsteile. In dem pulvergefüllten Behälter können außerdem mehrere Teile innerhalb eines Produktionsablaufs hergestellt werden.
SLM
Selektives Laserschmelzen ist ein SLS-ähnliches additives Verfahren, bei dem das Material in Pulverform schichtweise auf eine Grundfläche aufgetragen wird. Das Pulver wird durch den Laser lokal umgeschmolzen, sodass sich beim Erhärten eine feste Materialschicht bildet. Der Vorgang wird bis zur Fertigstellung des Objektes wiederholt.
Verwendete Werkstoffe sind beispielsweise Keramik, Aluminium, Titan, Edelmetall- und Kupferlegierungen. Das selektive Laserschmelzen lässt großen Gestaltungsfreiraum im Hinblick auf die Geometrie des zu fertigenden Werkstücks. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit des Leichtbaus mit porösen Strukturen.
SLA
Stereolithographie gehört zu den ältesten patentierten 3D-Druckverfahren. Resin, ein lichtaushärtendes Kunstharz, wird in ein Becken gegossen und von einem Laser ausgehärtet. Dann folgt die nächste Schicht. Der Vorgang wird bis zur Fertigstellung wiederholt. Das fertige Werkstück muss anschließend noch einmal komplett aushärten, z.B. in einem UV-Licht-Schrank.
3D-Objekte auf Stereolithographie-Basis ermöglichen Werkstücke mit hoher Genauigkeit und komplexen Details. Sie sind als visuelle, nicht aber als funktionale Prototypen geeignet, denn sie sind spröder und lichtempfindlicher als durch andere Verfahren hergestellte Werkstücke. Die Anwendungsbereiche sind daher begrenzt. Andererseits erlaubt verschiedene Spezialmaterialien eine Vielzahl an Realisierungen. Das Verfahren findet vor allem Anwendung in der Herstellung von Architekturmodellen sowie Prototypen für den Maschinenbau und die Medizin.
FDM / FFF
Die Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling oder Fused Filament Fabrication) gehört zu den bekanntesten Verfahren zum schichtweisen Aufbau eines 3D-Objektes aus geschmolzenem Metall oder Kunststoff. Das Prinzip ist vergleichbar mit der Funktionsweise einer Heißklebepistole: Das Filament wird in Form eines Thermoplastfadens im Druckkopf erhitzt und durch eine Düse aufgetragen. Ist eine Schicht fertig, wird die Rohlingplattform nach unten gefahren und anschließend die nächste Ebene aufgetragen.
Das Verfahren eignet sich zur Fertigung von Hohl- und Vollkörpern. Je nach Bauteil sind Stützkonstruktionen notwendig, die im Anschluss entfernt werden müssen. FDM bzw. FFF eignet sich für die schnelle und kostengünstige Herstellung von Prototypen. Im Vergleich zu anderen Verfahren sind Auflösung und Maßhaltigkeit hier geringer. Um die sichtbaren Schichtlinien zu entfernen, ist eine Nachbearbeitung nötig.
Sonstige
Neben den genannten, häufig eingesetzten Druckverfahren gibt es weitere auf Resin-Basis wie DLP (Digital Light Processing). Dabei kommt ein so genannter DLP-Projektor zum Einsatz, er projiziert die aktuell zu druckende Schicht auf eine Pixelleinwand. Bei jeder Schicht wird nur der jeweils notwendige Bereich beleuchtet. Beim LCD-Druck werden eine UV-Lichtquelle und ein LCD-Bildschirm verwendet. Indem Resin, also lichtempfindliches, flüssiges Harz, verarbeitet wird, ergibt sich die Möglichkeit zur Fertigung transparenter Modelle mit komplexer Formgebung.
3D-Druckmaterialien
Die meisten 3D-Drucker arbeiten mit einem Werkstoff bzw. einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Das spezielle 3D-Druckmaterial bezeichnet man als Filament, da es wie ein dünner, kontinuierlich in gleicher Stärke verlaufender Faden eingesetzt wird.
Es gibt eine ganze Fülle an Materialien für den 3D-Druck, darunter Kunstharze, diverse Kunststoffe, Keramik, Glas, speziell aufbereitete Metalle und sogar Lebensmittel.
Die Palette wird sukzessive um Spezialmaterialien und Verbundwerkstoffe mit besonderen Eigenschaften wie Wärmebeständigkeit, Festigkeit und Biokompatibilität erweitert. Sogar leucht- oder leitfähiges Filament, Holz-, Marmor- oder Filamente in Metall-Optik und in RAL-Farben sind inzwischen auf dem Markt.
ABS
Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer ist ein besonders schlagfester Standardkunststoff, der vor allem in der Industrie, u.a. bei der Herstellung von Haushaltsprodukten, zum Einsatz kommt. Er ist langlebiger, fester und hitzebeständiger als beispielsweise PLA, muss aber auf einer beheizten Druckplatte aufgebaut werden, weil er sich beim Abkühlen etwas zusammenzieht.
Nylon
Polyamid (PA) oder Nylon gehört zu den Kunststoffen und besitzt ausgezeichnete mechanische Eigenschaften für funktionale Anwendungen. Außerdem punktet er durch hohe chemische Beständigkeit und Abriebfestigkeit.
PEEK
Polyetheretherketon ist ein Kunststoff mit besonders guten thermoisolierenden Eigenschaften. Findet ausschließlich in Hochtemperatur Druckern Verwendung und hält stärkster Belastung stand.
PETG
Polyethylenterephthalat ist ein Kunststoff mit hoher Beständigkeit gegenüber Feuchtigkeit und Chemikalien. Er ist außerdem einfach zu bedrucken und besonders schlagfest. PETG gilt als eine Art Hybrid mit den Vorteilen von PLA und ABS.
PLA
Polylactic acid ist ein harter, geruchloser Biokunststoff. Er gehört aufgrund seines relativ günstigen Preises und seiner einfachen Handhabung zu den am häufigsten verwendeten Druckkunststoffen. Er eignet sich für funktionale Modelle, die keinen hohen Temperaturen standhalten müssen.
ULTEM
ULTEM, auch PEI, ist ein technischer Thermoplast. Er ist besonders beständig gegenüber Wärme, Feuer und Chemikalien und verfügt über gute mechanische Eigenschaften.
Anwendungsbereiche im 3D-Druck
Von A wie Architektur bis Z wie Zahntechnik: Den Möglichkeiten des 3D-Drucks sind kaum Grenzen gesetzt. Typische Anwendungsbereiche sind neben Industrie, Bauwesen, Forschung und Medizin auch der Kunst- und Unterhaltungsbereich. Inzwischen gibt es viele Privatanwender, die den 3D-Druck für den Modellbau und die Herstellung von Spielzeugen oder Schmuck für sich entdeckt haben.
Effizient ist 3D-Druck vor allem dort, wo es komplexe geometrische Teile in kleiner Stückzahl herzustellen gilt oder ein hoher Individualisierungsgrad gefragt ist. So werden klassische Fertigungsverfahren um 3D-Druck ergänzt oder vollständig durch ihn ersetzt. Branchen wie die Luft- und Raumfahrt sind sogar auf den 3D-Druck als Standard zur Herstellung von Prototypen umgestiegen.
Bauteilanforderungen können sehr viel individueller und innovativer umgesetzt werden als mit konventionellen Techniken. Auch in Sachen grüner Technologie ist 3D-Druck auf dem Vormarsch, spart die bedarfsgerechte Fertigung von Werkstücken doch mehr Zeit und Ressourcen als herkömmliche Technologien. 3D-Druck reduziert zusätzlich die Abfallproduktion, da genau das Material verwendet wird, das gebraucht wird. Modelle, Prototypen und Bauteile werden nach Bedarf, “on demand”, gedruckt. Die Bevorratung von Ersatzteilen ist damit überflüssig.
So wird 3D-Druck den modernen Anforderungen an Wirtschaftlichkeit und Qualität bei gleichzeitiger Ressourcenschonung gerecht – und das zahlt sich aus!
FAQ
Was ist mit 3D-Druck alles möglich?
3D-Druck erlaubt dank des additiven Prinzips die Fertigung von Gegenständen mit komplexer Geometrie, die mit keinem anderen Verfahren hergestellt werden können. Außerdem erlaubt 3D-Druck einen hohen Grad der Individualisierung. Statt serienmäßig baugleiche Teile herzustellen, können die Modelle an die verschiedensten Anforderungen angepasst werden. Vor allem für die Erstellung von Prototypen hat sich der 3D-Druck als kostengünstiges, effizientes und schnelles Medium bewährt, das insgesamt den Entwurfszyklus optimiert.
Was ist ein 3D-Drucker einfach erklärt?
3D-Drucker funktionieren alle nach dem gleichen Prinzip: durch schichtweises Hinzufügen von Material wird aus einer rein digitalen Vorlage ein reales 3D-Objekt geschaffen. Man spricht von diesem Verfahren auch als additiver Fertigung. Anders als bei herkömmlichen Produktionsverfahren sind für den 3D-Druck weder Werkzeuge noch vorgefertigte Formen notwendig. Beim schichtweisen Aufbau kommen je nach Material und Druckverfahren zusätzlich chemische wie physikalische Schmelz- und Härtungsprozesse ins Spiel. Die Steuerung der Konstruktionseinheit des Druckers erfolgt über den Computer.
Was braucht man, um 3D zu drucken?
Für 3D-Drucke braucht es spezielle Geräte. Die Entscheidung für den passenden 3D-Drucker sollte auf Grundlage dieser Fragen getroffen werden: Welche Materialeigenschaften sollen die fertigen Objekte erfüllen? Welche funktionalen und optischen Anforderungen gibt es? Welche Funktionen im Druckprozess sind bei der Anwendung besonders wichtig?
In Abhängigkeit von Drucker und Druckverfahren sind die entsprechenden Druckmaterialien, Filamente, auszuwählen. Kunststoffe sind mit den meisten Druckern kompatibel, gefolgt von Metallen. Filamente kommen nicht nur in unterschiedlichen Materialien mit verschiedenen Eigenschaften, sondern auch in vielen verschiedenen Farben.
Dann benötigt der 3D-Drucker eine digitale Datei mit Informationen über das 3D-Objekt (z.B. eine CAD-Datei) und die einzelnen zu druckenden Schichten (Layer). Inzwischen gibt es Online-Plattformen, Repository genannt, die Vorlagen in entsprechenden Dateiformaten zur Verfügung stellen.
Wer vorhandene Objekte in Daten umwandeln und dann mit dem 3D-Drucker realisieren will, kann sich zusätzlich einen 3D-Scanner zulegen. Die gescannten Daten werden damit in das für den Druck benötigte Format umgewandelt.
Was kann man mit einem 3D-Drucker machen?
Schmuck, Spielzeug, Ersatzteile, funktionelle Prototypen, visuelle Modelle, Werkzeugteile – der Kreativität sind kaum Grenzen gesetzt. Das additive Fertigungsverfahren erlaubt es, sogar Formen darzustellen, die mit herkömmlichen Produktionsverfahren nur schwer oder nicht realisierbar sind.
Wie funktioniert 3D-Druck?
Flüssiges oder festes Material wird Schicht für Schicht aufgetragen, um so auf Basis digitaler Daten ein dreidimensionales Objekt zu realisieren.
