3D-Druck

Der 3D-Druck funktioniert ähnlich wie der Digitaldruck auf Papier, jedoch müssen die Daten mit spezieller CAD-Software hergestellt werden. Übliche Formate sind STL (Standard Triangulation Language), VRML (Virtual Reality Modeling Language) und X3D (Extensible 3D). Die Drucker können bis zu 450 dpi exakt verarbeiten und eignen sich auch zur Herstellung kleinster Werkstücke. Unterschiedliche Technologien für die Schmelz- und Härtungsprozesse von flüssigen Materialien und Pulvern wurden seit Mitte der 1980er entwickelt.

Die Anwendungsgebiete von 3D-Druckern sind vielfältig. Individuelle Einzelfertigungen können ohne aufwendige Vorbereitung und Formen hergestellt und problemlos reproduziert werden. Das spart Kosten für industrielle und technische Werkstücke und eröffnet neue Möglichkeiten in der Medizin und in der Kunst.

Verfahren des 3D-Drucks

Stereolithographie (SLA) und Digital Light Processing (DLP)

Das älteste Verfahren für den 3D-Druck ist die 1986 von Charles W. Hull patentierte Stereolithographie. In diesem Verfahren werden flüssige Epoxid-Harze (EP-Harze) und andere Photopolymere mithilfe eines UV-Lasers ausgehärtet. Beim Digital Light Processing wird ein DLP-Projektor als Lichtquelle verwendet. Der flüssige Werkstoff befindet sich in einem Bad und wird Schicht für Schicht fixiert, während eine Hebebühne unterhalb des Beckens sich entsprechend senkt. Viele Modelle sind mit einem Rakel ausgestattet, der das Material nach dem Absenken schnell und gleichmäßig verteilt. Sobald alle Schichten aufgetragen sind, kann das fertige Werkstück aus dem Beckenboden entnommen werden.

Für Überhänge müssen bei der Konstruktion des Modells Stützelemente einberechnet werden, was die Vorbereitung kompliziert macht und in neueren Verfahren vereinfacht wurde. Die Standardschichtstärke beträgt 0,05–0,25 mm; in der Medizin werden außerdem Geräte zur Mikrostereolithografie mit bis zu 1 Mikrometer dünnen Schichten genutzt. Weil mit Stereolithografie hergestellte Objekte vergleichsweise spröde sind, wird das Verfahren heute meist zur Herstellung von Modellen und Prototypen genutzt.

Selektives Lasersintern (SLS) und selekties Laserschmelzen (SLM)

Beim Lasersintern wird das pulverförmige Grundmaterial wie bei der Stereolithographie mit einem Laser bestrahlt und kurz vor den Schmelzpunkt gebracht. Metalle, Kunststoffe und Keramiken sind übliche Werkstoffe für dieses Verfahren. Zum Schmelzen wird kein UV-Licht, sondern CO2-Laser, Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser genutzt. Wie bei der Stereolithographie wird das Material Schicht für Schicht in einem Becken verteilt und an formgebenden Stellen ausgehärtet. Die Grundplatte senkt sich entsprechend ab und neues Material wird eingelassen und mit einem Rakel gleichmäßig verteilt. Zwei gegeneinander laufende Hebebühnen kommen bei dem Verfahren zum Einsatz - der Werkstoff wird mit einer Hebefunktion in das Becken eingelassen, während sich der Drucktisch mit dem fertigen Objekt auf der anderen Seite absenkt.

Die Schichtstärke liegt zwischen 15 und 500 µm - die hohe Dichte verleiht den Werkgegenständen nahezu die gleichen Eigenschaften wie dem ursprünglichen Baustoff und macht Stützvorrichtungen überflüssig. Das Verfahren ist sehr zeitaufwendig und kann je nach Komplexität des gewünschten Werkstückes mehrere Tage in Anspruch nehmen. Mit dem selektiven Lasersintern hergestellte Bauteile sind sehr dicht und besonders resistent gegen Licht und chemische Zersetzung und werden deshalb oft in der Raumfahrt und in der Industrie genutzt. Denkbar für die Verarbeitung sind Aluminium, Schwermetalle, Keramik und Legierungen aus Edelmetallen, Nickel oder Kupfer.

Fused Deposition Modeling/Schmelzschichtverfahren (FDM)

Der durch das Unternehmen Stratasys geschützte Begriff Fused Deposition Modeling bezeichnet ein 3D-Druckverfahren, bei dem der Werkstoff nicht in einem Becken geschichtet wird, sondern über einen speziellen Druckkopf (Extruder) in Schichten aufgezogen und verschmolzen wird. Das Material wird in Fäden über eine Spule am Extruder eingezogen, erhitzt und auf 0,025 bis 1,25 mm Schichtdicke gepresst. Bei Hohlkörpern und feinen Gegenständen wird eine Wandstärke von 0,2 mm vorausgesetzt, dafür sind Überhänge leicht zu produzieren und setzen bei Überhängen bis zu einem Winkel von ca. 45° keine Stützvorrichtungen voraus.

Das Verfahren eignet sich für unterschiedlichste Formwachse und thermoplastische Elastomere aller Art. Der Werkstoff wird zu 100 % verwertet, weshalb sich das Verfahren vorallem für die Verarbeitung von raren Stoffen eignet. In neueren Verfahren arbeitet die Extruder-Drüse punktuell statt in Fadenschichten, wodurch eine noch höhere Genauigkeit und dünnere Schichtstärken erreicht werden können.

Multi Jet Modeling (MJM)

Die moderne Kombination beider Arten von 3D-Druckern arbeitet parallel mit Laser und Extruder. Das flüssige Material wird über eine Drüse auf dem Druckraster platziert und sofort verschmolzen und ausgehärtet. Auch komplizierte Formen und Überhänge sind so leicht produzierbar. Durch den Einsatz mehrerer Drüsen können unterschiedliche Materialfarben und Materialien ohne Narbe verbunden werden. Besonders vorteilhaft ist das Multi Jet Modeling Verfahren deshalb in der Automobilindustrie und in der Raumfahrt, da Bauteile mit besonderen Eigenschaften und hoher Belastbarkeit geschaffen werden können.

3D-Siebdruck

Parallel zum Fused Deposition Modeling Model wurde das 2D-Siebdruckverfahren für dreidimensionale Werkstücke weiterentwicket. Der 3D-Siebdruck funktioniert ähnlich wie das selektive Lasersintern, jedoch werden die einzelnen Schichten des Objekts als feste Platten aufeinandergelegt und in einem zweiten Arbeitsschritt gesintert. Das Verfahren ist weniger kostenaufwendig und der Fertigungsprozess nimmt weniger Zeit ein, jedoch ist die Design-Freiheit im Vergleich zu anderen Druckverfahren eingeschränkt.

Forschung und Literatur zum 3D-Druck

Die Anwendungsgebiete von 3D-Druck in der Forschung und Entwicklung sind zallos. Seit der kommerziellen Verbreitung von FabLabs weltweit werden regelmäßig neue Publikationen und Patente in verschiedenen Forschungsbereichen erstellt. 2018 publizierte die Queen Mary University London in Zusammenarbeit mit der Nanyang Technological University in Singapur und der University of Oxford Studien zu einer neuen Druckmethode zur Formung biologischer Strukturen mithilfe von organischem Material in einer Nährflüssigkeit. Ihre Ergebnisse präsentieren sie im 2018 erschienenen Werk Advanced functional Materials (WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim). Im Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) wird am 3D-gedruckten Enzymen geforscht, die chemische Stoffe umwandeln können. 2016 wurde in der Fachzeitschrift Nature Communications eine Studie des Instituts zu 3D-gedruckten Enzymstrukturen veröffentlicht, die Methan in Methanol umwandeln.

Auch in Deutschland beteiligen sich viele Institute an der Erorschung und Entwicklung der relativ neuen Technik. Die Arbeitsgruppe „Biobasierte Biologische Werkstoffe“ der Hochschule Bremen präsentierte 2018 einen leistungsstarken baumwollfaserverstärkten Kunststoff, für den alte Kleidung reclyclet wird. Magazine wie 3D-grenzenlos und das 3D-Druck-Magazin informieren regelmäßig über die wichtigsten Neuheiten und Technologien auf dem Markt.