3D-Drucker

Bei einem 3D-Drucker handelt es sich um eine Maschine, die mithilfe einer Computersoftware sowie eines virtuellen 3D-Modells einen realen dreidimensionalen Körper erschaffen kann. Das Funktionsprinzip der meisten 3D Drucker kann stark vereinfacht an dem Beispiel einer automatischen Heißklebepistole erklärt werden, die ebenfalls durch das schichtweise Auftragen von Klebstoff ein ganzes Objekt aufbaut. Dieses sogenannte additive Verfahren stellt einen Umbruch bei den Fertigungsverfahren dar.

Im industriellen 3D-Druck werden Kunststoffe wie ABS, PS, PLA oder Nylon sowie Metall oder sogar Keramik verarbeitet. Häufig werden diese Drucker für die Herstellung von Modellen oder Prototypen genutzt. Privatanwender verwenden die Geräte auch für die Herstellung von kleineren Bauteilen, Werkstücken, Schmuckstücken und Design-Objekten.

Aufbau und Arten

Auch wenn unterschiedliche Druckverfahren zum Einsatz kommen, ähneln sich die Produktionsabläufe beim 3D-Druck sehr. In der Regel arbeiten die Geräte schichtweise. Deshalb haben die meisten Druckgeräte im unteren Bereich eine Arbeitsplatte. Je nach verwendetem Druckmaterial ist diese kalt oder erwärmt. Je nach Drucktechnik ist das Druckmaterial bereits geschmolzen oder wird erhitzt. Jetzt tragen Düsen oder Spritzen das Material schichtweise auf, bis das Objekt fertiggestellt ist. Die Druckdauer wird dabei vom Gerät sowie vom Umfang bzw. der Komplexität des Objektes beeinflusst und kann mehrere Stunden umfassen.

Die aktuellen 3D-Druckverfahren ähneln sich zwar in ihrem Aufbau, können jedoch darüber hinaus in ihren Arbeitsprozessen unterschieden werden:

• Der zuvor beschriebene 3D-Druck mit geschmolzenen Materialien wie Kunststoffen wird in der industriellen Fertigung mit FFF (Fused Filament Fabrication) bzw. FDM (Fused Deposition Modeling) abgekürzt und gehört zu den populärsten Methoden.
• 3DP - Pulverdruck: Das Druckgerät verfügt über einen oder mehrere Druckköpfe, die wie beim handelsüblichen Tintenstrahldrucker anstelle der Tinte flüssigen Klebstoff als Bindemittel auf eine Schicht aus Pulver auftragen. Das Druckobjekt besteht nach Fertigung aus zusammengeklebten Pulverkomponenten.
• SLS - Selektives Laserschmelzen: Auch hier wird Pulver als Druckmaterial genutzt, das jedoch nicht mit Kleber verbunden wird, sondern durch einen Laser unter Schutzatmosphäre miteinander verschmolzen wird. Bei diesem Verfahren können neben Kunststoffen auch Keramiken, Metalle und Sand verarbeitet werden.
• EBM/EBAM - Elektronenstrahlschmelzen: Bei diesem Verfahren werden pulverförmige Metalle von einem Elektronenstrahl verschmolzen. Dieser Prozess erfolgt in einem Vakuum, um das Objekt vor Sauerstoff-Einschlüssen zu schützen. Mit dieser Technik können besonders feste und komplexe Metallobjekte hergestellt werden.
• STL/SLA - Stereolithografie: Bei der Stereolithografie wird mit flüssigen Materialien gedruckt. Basis bildet ein flüssiges Photopolymer, das erst nach einer Belichtungszeit erstarrt. Die einzelnen Layer des Objektes werden von einem Laser projiziert. Dies geschieht in einem Bad aus Basismonomeren. Nach jedem Arbeitsschritt wird das Modell in das Bad abgesenkt, um die nächste Schicht bearbeiten zu können. Der Laser fährt dann wieder über die auszuhärtenden Flächen. Wird zur Aushärtung ein DLP-Projektor genutzt, wird diese Drucktechnik als DLP (Digital Light Processing) bezeichnet.
• MJM - Multi oder Polyjet Modeling: Bei dieser Drucktechnik wird ein lichtempfindlicher Kunststoff in flüssiger Konsistenz von einem Druckkopf aufgetragen und mittels einer integrierten Lichtquelle unmittelbar ausgehärtet.
• FTI - Film Transfer Imaging: Beim Film Transfer Verfahren wird ein lichtempfindlicher Kunststoff in flüssiger Konsistenz von einer Transportfolie auf eine Plattform aufgetragen und durch einen Projektor ausgehärtet.

Funktionsweise

Anders als beispielsweise bei einer CNC Fräse, die Material von einem Werkstück abträgt, wird beim 3D-Druck das dreidimensionale Werkstück aufgebaut. Der 3D-Druck ist also ein additives Verfahren.

Ein 3D-Drucker kann mit einem Industrieroboter verglichen werden. Auch der Drucker führt konkrete Befehle aus, die ihm von einem Computer übermittelt werden. Damit ein dreidimensionaler Gegenstand gedruckt werden kann, bedarf es eines Entwurfes. In der Regel wird zu diesem Zweck eine digitale Software, wie etwa ein CAD-Programm (Computer Aided Design), oder ein anderes Programm zur Erstellung animierter Modelle genutzt. Diese Software erstellt dann eine virtuelle Blaupause des Objekts und unterteilt es in Schichten. Diese digitalen Querschnitte werden während des Druckens übereinandergelegt. Schicht für Schicht reproduziert das Druckgerät so den vorab erstellten Entwurf.

Nachdem die Entwurfsdatei an den Drucker gesendet wurde, muss das Druckmaterial gewählt werden. Je nach Drucker und seiner Funktionsweise kann dafür auf Kunststoff, Metall, Papier, Kautschuk, Keramik, Glas oder polyurethanähnliche Materialien zurückgegriffen werden, wobei laufend neue geeignete Materialien hinzukommen.

So wie ein herkömmlicher Drucker Tinte und Farbe auf Papier spritzt, um die Vorlage nachzubilden, spritzt, presst oder sprüht das 3D-Druckgerät das gewählte Material auf eine Platte und baut Schicht für Schicht das dreidimensionale Druckobjekt auf. Die Schichten werden sukzessive übereinandergelegt und automatisch miteinander verbunden. Im Durchschnitt sind die einzelnen Schichten 0,1 Millimeter dick. Hochentwickelte 3D-Druckgeräte können mit 0,016 Millimeter noch dünnere Schichten erzeugen.

Geschichte

Im Jahr 1982 beschrieb Hideo Kodama vom japanischen Nagoya Municipal Industrial Research Institute als erster die Herstellung eines gedruckten Festkörpers. Zwei Jahre später baute Charles W. Hull von der in South Carolina, USA, ansässigen 3D Systems Corporation den ersten funktionierenden 3D Drucker. Die Drucke in 3D waren zu Beginn sehr teuer und eigneten sich kaum für die kommerzielle Anwendung. Erst Anfang des 21. Jahrhunderts sanken die Kosten für das additive Verfahren, sodass die Druckgeräte erschwinglicher und damit auch für die breite Öffentlichkeit interessant wurden.

Einsatzgebiete

In der Produktion werden 3D-Druckverfahren für viele Branchen und Anwendungen genutzt. Dies gilt insbesondere in den Bereichen Architektur, Luft- und Raumfahrt, Bauwesen, Automobildesign, Industriedesign, Maschinenbau sowie für militärische Zwecke. Auch für Mode, Schmuck, Schuhe sowie in der Medizin- und Dentaltechnik finden 3D-Druckobjekte Verwendung. Mittlerweile sind 3D-Drucktechniken nicht mehr nur der Industrie vorbehalten, sondern werden auch von Privatanwendern genutzt.

Gegenwärtig treibt insbesondere die Formel-1, die auf passgenaue Lösungen nach einer Deformation von Fahrzeug-Bauteilen angewiesen ist, die Entwicklungen der 3D-Drucktechniken voran. Auch die NASA forscht in diesem Gebiet mit Nachdruck, um Ersatzteile zukünftig direkt innerhalb der sich im Weltraum befindlichen Raumstation anfertigen zu können und dadurch Platz und Gewicht zu sparen.

Neuheiten & Forschung

An kaum einer Technik wird so viel geforscht und entwickelt wie in der 3D-Drucktechnik. So beschäftigen sich aktuell verschiedene Forschungsinstitute und Unternehmen mit der Entwicklung von 3D-Druckgeräten für den Hausgebrauch. RepRap arbeitet beispielsweise an einer freien Hardware für einen Replikator, der seine eigenen Bau- und Ersatzteile selbst ausdrucken kann.

Das Tec-Institut für technische Innovationen testet im Auftrag von Unternehmen und Herstellern verschiedene 3D-Druckgeräte nach allen für Privatanwender wichtigen Kriterien. Hierzu gehören die Qualität der Druckerzeugnisse, die Verwendung verschiedener Druckmaterialien und die Bedienerfreundlichkeit für Endverbraucher.

In Amsterdam findet seit 2017 ein Demonstrationsprojekt statt, in dem ein ganzes Grachtenhaus aus überdimensionalen Legosteinen aus dem 3D-Drucker gebaut wird. Hierdurch sollen die Einsatzmöglichkeiten der Drucktechnik im Bauwesen unter Beweis gestellt werden.

Wissenschaftlern der australischen University of Wollongong ist es 2017 gelungen, mit einem 3D-Druck gehirnähnliches Gewebe nachzubilden. Noch weiter geht die australische Forschungseinrichtung CSIRO, die an der additiven Fertigung von Lebensmitteln arbeitet.

Hersteller

Zu den bekanntesten Herstellern und Marken von 3D-Druckgeräten gehören

• Membino GmbH
• Reprap Austria
• DWS
• InssTek Inc.
• ReaLizer
• Voxeljet
• Portabee
• Nano Dimension
• Stratasys
• SLM Solutions

Literatur

Mehrere anerkannte Werke aus der Literatur beschäftigen sich intensiv mit 3D-Druckgeräten und deren Technik. Hierzu gehören insbesondere:

• Wirtschaftliche Fertigung mit Rapid-Technologien/Anwender Leitfaden zur Auswahl geeigneter Verfahren von Michael F. Zäh
• Generative Fertigungsverfahren/Rapid Prototyping/Rapid Tooling/Rapid Manufacturing von Andreas Gebhardt
• Generative Fertigung mit Kunststoffen/Konzeption und Konstruktion für Selektives Lasersintern von J. Breuninger, S. Rommel, A. Verl, R. Becker und A. Wolf (Fraunhofer/robomotion)

Weiterführende Links

• Themenportal für Additive Fertigung
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