3D-Druck

Die Welt des Druckens hat durch die Entwicklung des 3D-Drucks einen riesigen Satz nach vorn gemacht. Das 3D-Druckverfahren bildet einen Meilenstein, welcher für verschiedenste Unternehmen von großer Bedeutung ist. Alle Anbieter beziehungsweise Hersteller von Ersatzteilen, Kleinserien oder auch Prototypen können diese schneller und unkomplizierter herstellen, sodass sich Unternehmensprozesse durch das 3D-Druckverfahren enorm verschnellert und vereinfacht haben. Was man genau unter dem 3D-Druck versteht, wo dessen Ursprünge liegen, welche verschiedenen Verfahren es gibt und worin dabei die Vorteile liegen, erfahren Sie bei print24!

Definition des 3D-Drucks

Der 3D-Druck wird auch additive oder generative Fertigung genannt. Die Idee, die diesem Fertigungsverfahren zugrunde liegt, besteht darin, ein numerisches in ein dreidimensionales Modell umzuwandeln. Er gehört darüber hinaus zu den urformenden Fertigungsverfahren, das heißt, dass aus einem formlosen ein fester Körper hergestellt wird. Der Körper besitzt eine geometrisch definierte Form. Zusammengefasst bedeutet das also: Der 3D-Druck ist die Erzeugung von physischen Objekten aus digitalen Dateien. Die digitalen Daten werden durch die CAD Modellierung, Daten aus 3D-Scannern oder 3D-Modellierung generiert, wobei der 3D-Drucker diese nicht direkt auslesen kann. Speziell dafür ist wiederum eine Software notwendig, welche durch den „G-Code“ die geometrische Form in die Maschinensprache des Druckers übersetzt. Die Software nennt sich „Slicer“, welche das 3D-Objekt in einzelne Schichten aufteilt. Schicht für Schicht wird daraufhin das Objekt aufgebaut/gedruckt, daher hat es auch die Bezeichnung additive Fertigung. Gegensatz dazu bildet die substraktive Fertigung, bei der aus bestehenden Objekten Material herausgenommen wird. Der Ausdruck bei einem 3D-Drucker ist dreidimensional, das Objekt besitzt also eine vorher definierte Breite, Länge und Höhe. Dementsprechend arbeitet der 3D-Drucker neben den zwei üblichen horizontalen Achsen (X- und Y-Achse) auch mit einer vertikalen Achse (Z-Achse). 

Der Aufbau und die Funktion eines 3D-Druckers

Unter den 3D-Druckern können offene und geschlossene Drucker, Komplettgeräte sowie Bausätze unterschieden werden. Während die meisten vollständig geliefert werden, müssen Bausätze erst selbst montiert werden. Komplettgeräte sind meist teurer als Bausätze, dafür ersparen Sie sich die Montage. Beim geschlossenen 3D-Drucker ist der Bauraum geschlossen. Je nachdem, an welchem Ort der Einsatz des Druckers erfolgen soll, kann eine offene oder geschlossene Variante gewählt werden. Grundsätzlich besteht ein 3D-Drucker aus einem Druck-/Heizbett, Stützstruktur, Druckobjekt, Düse (Nozzle), Stützmaterial und Druckmaterial. Die Bauweise kann sich innerhalb einer Technologie allerdings etwas unterscheiden. Gemäß dem genannten Aufbau funktioniert ein 3D-Drucker folgendermaßen: Zuerst wärmt sich das Heizbett und die Düse auf. Anschließend fährt das Heizbett zum Druckkopf hoch. Daraufhin wird geschmolzenes Filament (spezielle Kunststoffe, Metalle oder andere Materialien) auf das Heizbett aufgetragen, bis die erste Schicht fertig ist. Nach Vollendung der ersten Schicht fährt das Heizbett einen Weg von einer Schichthöhe herunter, wobei hier in Mikrometer gemessen wird. Die zweite Filament-Schicht wird auf die vorherige aufgetragen und mit dieser verschmolzen. Gibt es Stellen mit Überhang, ist es möglich, eine Stützstruktur aus demselben Material oder einem anderen zu nutzen, wobei sich das alternative Material im Wasser oder auch einer anderen Lösung auflösen lassen sollte. Der letzte Schritt wird so lange wiederholt, bis das 3D-Objekt fertiggestellt ist. 

Arten von 3D-Druckverfahren

Im Folgenden sollen die gängigsten 3D-Druckverfahren vorgestellt werden. Neben den dabei genannten, gibt es aber noch viele weitere Varianten. Grundsätzlich können folgende 3D-Druckverfahren unterschieden werden:

• Selective Laser Melting (SLM)/Selective Laser Sintering (SLS)
• Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
• Fused Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF)
• Stereolithographie (STL/SLA)
• Laserauftragsschweißen
• Film Transfer Imaging (FTI)
• Digital Light Processing (DLP)
• Multi Jet-Modeling / Poly Jet-Modeling

Beim Verfahren des Selective Laser Melting (selektives Laserschmelzen) wird ein Metall aufgetragen, welches aus einem Pulver besteht und vom Laser geschmolzen. Daraufhin wird das gewünschte Druckobjekt um die Schichtdicke herabgesenkt, erneut Pulver aufgetragen und verschmolzen. Der 3D-Druck erfolgt innerhalb einer Schutzatmosphäre, es können Metalle, Kunststoffe, Sand oder Keramiken verarbeitet werden. Beim selektiven Lasersintern (SLS) wird im Gegensatz dazu nicht reines Metallpulver genutzt, sondern ein Binder hinzugefügt. Das Spezialpulver wird zudem nur teilweise aufgeschmolzen, wodurch das Material verklebt. Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird ebenfalls Pulver genutzt und wie beim selektiven Laserschmelzen verarbeitet, nur dass ein Elektronenstrahl anstelle des Lasers verwendet wird. Eine magnetisch gelagerte Feder positioniert und lenkt diesen. 

Bei der Anwendung des Fused Deposition Modeling/Fused Filament Fabrication (FDM/FFF) wird ein spezieller Kunststoff zunächst erhitzt und anschließend das 3D-Objekt in Bahnen gedruckt. Dabei erfolgt die Beförderung des Filaments über eine Spule auf die Düse, von dort wird es auf die Bauplatte aufgetragen, wo es direkt erstarrt. Da die Oberfläche des Objekts nach der Fertigung oftmals etwas rau ist, muss diese nachbearbeitet werden. Das Ergebnis der Präzisionsarbeit ist zufriedenstellend. Die Aushärtung von flüssigem Kunststoff mit Hilfe von UV-Licht erfolgt beim Verfahren der Stereolithographie (STL/SLA). Das 3D-Objekt wird in einem Bad aus Flüssigkunststoff hergestellt, wobei ein Laser genutzt wird, um die einzelnen Schichten zu härten. Eventuell genutzte Stützkonstruktionen entfernt man nach der Fertigstellung und das 3D-Objekt wird ausgehärtet. Die Modelle besitzen eine sehr hohe Genauigkeit. Beim Laserauftragsschweißen wird ein Dioden- oder auch Faserlaser genutzt. Er trägt unter Zuhilfenahme einer Düse ein Metallpulver oder Metalldraht auf dem Werkstück auf. Bei der Verwendung des Pulvers arbeitet der 3D-Drucker vollautomatisch, wodurch er sich für den Einsatz zur Bauteilreparatur oder Prototypfertigung eignet. 

Der Auftrag eines dünnen Materialfilms auf einer Transportfolie wird beim Film Transfer Imaging (FTI) durchgeführt. Die Schichten entstehen dabei durch Beleuchtung, woraufhin das Werkstück angehoben und dann ein neuer Film aufgetragen wird. Dieser Ablauf erfolgt bis zur Fertigstellung des 3D-Objekts, welches eine sehr hohe Genauigkeit besitzt. Lichtempfindliche Kunststoffe werden beim FTI als Filament eingesetzt. Beim Digital Light Processing (DLP) entsteht das 3D-Objekt aus einem Kunststoffbad. Das Verfahren ist eine Mischung aus STL- und FTI-3D-Druck-Technologie, wobei die FTI-Technik wie beim FTI genutzt wird. Das Multi Jet-Modeling/Poly Jet-Modeling nutzt dagegen eine Technik, die dem des Tintenstrahldruckers ähnelt. Dabei sind mehrere Düsen an einem Druckkopf befestigt, welcher dann das 3D-Modell Schicht für Schicht druckt. Die Modelle zeichnen sich durch eine sehr hohe Detailgenauigkeit aus und als Filamente dienen UV-empfindliche Photopolymere, welche mit Licht ausgehärtet werden. 

Die Materialien für 3D-Druckverfahren

Aufgrund des Fortschritts der Technik musste während der Jahre das Material für den 3D-Druck immer wieder an diese angepasst werden. Die wichtigsten spezialisierten Materialien wie Kunststoffe oder Metalle stellen wir Ihnen im Folgenden vor:

Kunststoffe für den 3D-Druck

PLA (Polyactide) gehört zu den beliebtesten Werkstoffen für den 3D-Druck. Die synthetischen Polymere gehören zu den Polyestern, werden unteranderem aus Maisstärke, also regenerativen Ressourcen gewonnen und sind biokompatibel sowie recycelbar. PLA kann schon bei geringen Schmelztemperaturen von 70 °C verarbeitet werden und bleibt auch beim Abkühlen in der Regel formstabil. Diese beiden Eigenschaften machen PLA sowohl für private als auch professionelle Anwender attraktiv. PLA ist mittlerweile in vielen verschiedenen Farben erhältlich. Einzig nachteilig am Material ist, dass es nur wenig belastbar und hitzebeständig ist, sodass es für die Fertigung von hochbeanspruchten Bauteilen nicht geeignet ist. 

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) steht an zweiter Stelle der am meisten verwendeten Kunststoffwerkstoffe im 3D-Druck und gehört ebenfalls zu den synthetischen Polymeren. Es wird aus Acrylnitril, 1.3 Butadien und Styrol hergestellt. Vorteilhafte Eigenschaften sind die Festigkeit, Steifigkeit und Zähigkeit des Materials. Es kann für das Prototyping und die Fertigung von Endprodukten eingesetzt werden. ABS wird bei 220 bis 250 °C gedruckt und sollte in einem beheizten Druckraum oder Druckbett gedruckt werden. In diesem können die gefertigten Objekte abkühlen und Verformungen vermieden werden. ABS ist wie PLA in unterschiedlichen Farben erhältlich und relativ günstig, aufgrund der hohen Temperaturen beim 3D-Druck aber bei Privatanwendern weniger beliebt. Ebenso besitzt es keine ausreichende Witterungsbeständigkeit. 

PEEK (Polyetheretherkton) sind synthetische Polymere aus der Gruppe der Polyetherkethone. Mit ihnen lassen sich stark belastbare und temperaturbeständige Objekte drucken. Sie sind darüber hinaus biokompatibel und auch chemieresistent. Das Thermoplast PEEK ist ca. 70 % leichter als Metalle mit ähnlichen Eigenschaften, dafür besitzt es aber eine vergleichbare mechanische und thermische Stabilität. Der Automotive-Bereich, die Chemieindustrie, Luft- und Raumfahrt nutzen PEEK deshalb bevorzugt. Es wird bei 360 bis 380 °C gedruckt und ist deshalb für den Privatgebrauch wenig geeignet. 

HIPS (High Impact Polystyrene) gehört ebenso zu den thermoplastischen Polymeren und wird durch die Polymerisation von Polybutadien zu Polysterol hergestellt. Es weist eine hohe Schlagzähigkeit und Härte auf und kann in Chemikalien gelöst werden. So eignet es sich besonders als Stütz- oder Supportmaterial für andere Polymere. Es wird chemisch entfernt, sodass auch strenge Toleranzen bei den gefertigten Bauteilen eingehalten werden können.

PA (Nylon/Polyamid) weist eine hohe Zugfestigkeit aus, schmilzt bei 250 °C und ist nicht giftig. Die mit Nylon erzeugten 3D-Objekte sind zäh und beschädigungsresistent. Nylon wird von den meisten gängigen Chemikalien nicht beschädigt und ist kostengünstig. Nachteilig an diesem Material ist allerdings, dass es sich aufgrund der hohen Schmelztemperaturen kaum für den Privatgebrauch eignet und sowohl ein beheiztes Druckbett als auch Weißleim benötigt, sodass es während des 3D-Drucks am Druckbett haftet. 

PET (Polyethylenterephthalat) kennen die meisten vermutlich von Getränkeflaschen. Hier verbirgt sich auch der Vorteil, denn PET ist lebensmittelecht und für Verpackungen nutzbar. Da beim Schmelzvorgang zudem keine Dämpfe entstehen, wird beim 3D-Druck mit PET auch kein beheizter Druckraum benötigt. Das macht die Anwendung im Privatbereich beliebt. 3D-Objekte aus PET sind relativ robust aber auch gleichzeitig flexibel. 

PETG (PET mit Glykol) erreicht durch die Modifikation mit Glykol eine hohe Transparenz des Werkstoffes. Ebenfalls verbessern sich dadurch die Druckeigenschaften. Dadurch wird eine niedrigere Schmelztemperatur und geringere Kristallisation erreicht. PETG kann schneller als PET extrudiert werden und ist witterungsbeständig. Deshalb wird es oft für Gartenmöbel und -geräte sowie Vasen genutzt. 

Metalle für den 3D-Druck

Neben den genannten Kunststoffen können auch Metalle im 3D-Druck verwendet werden. 

Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierungen überzeugen im 3D-Druck mit ihrer Festigkeit sowie guten thermischen Eigenschaften. Darüber hinaus sind die 3D-Objekte leicht und können flexibel nachbearbeitet werden. Die Automobil-, Raum- und Luftfahrtindustrie profitiert von der Anwendung von Aluminiumlegionen, es werden Motorteile, Gehäuse, Formen, Prototypen, Luftkanäle und vieles mehr im 3D-Druck hergestellt. 

Titanium beziehungsweise Titaniumlegierungen gehören zu den bekanntesten im 3D-Druck mit Metallen. Es weist herausragende mechanische Eigenschaften auf und gleichzeitig ein nur geringes, spezifisches Gewicht. Das Material ist korrosionsbeständig und kann in vielen Umgebungen mit hohen technischen Anforderungen wie der Luftfahrt genutzt werden. Medizinische Geräte, Ersatzteile, Funktionsprototypen oder Endverbrauchsteile sind dabei die häufigsten 3D-Objekte aus Titaniumlegierungen. 

Als weiteres Metall im 3D-Druck wird Edelstahl/Edelstahllegierung genutzt. Es ist kohlenstoffarm und sehr korrosionsbeständig. Entsprechend gefertigte Bauteile weisen zudem eine hervorragende Festigkeit, gute thermische Eigenschaften und eine hohe Duktilität auf. Der 3D-Druck mit Edelstahl wird bevorzugt für Maschinenkomponenten oder lebensmittelsichere Anwendungen genutzt.

Neben den Kunststoffen und Metallen gehören Keramik, Sand, Beton und Glas ebenfalls zu den verwendeten Materialien beim 3D-Druck.

Die Geschichte des 3D-Drucks – wer erfand den 3D-Drucker?

Die Geschichte des 3D-Drucks geht bis ins 19. Jahrhundert zurück. So erfand der Franzose François Willème, welcher seinerseits als Fotograf und Bildhauer arbeitete, 1859 eine Apparatur, welche es ermöglichte, ein 3D-Modell unter Zuhilfenahme mehrerer Kameras zu erstellen. 1892 meldete der Österreicher Joseph E. Blanther ein Patent zur Herstellung von Relief-Landkarten an. Für die Herstellung dieser wurden damals noch Wachsplatten laminiert und die gewünschte Form aus diesen herausgeschnitten sowie aufeinander geklebt. Dadurch entstand durch mehrere Schichten die 3D-Landkarte. 

Nachdem der 3D-Druck im 20. Jahrhundert über mehrere Jahrzehnte keine weitere bekannte Entwicklung verzeichnete, meldete 1980 schließlich der japanische Erfinder Hideo Kodama ein weiteres Patent an: In diesem beschrieb er, wie ein Photopolymermaterial unter der Nutzung von UV-Licht aushärtet und auf diese Weise Schicht für Schicht ein Modell entsteht, was dem Prinzip der Stereolithographie gleichkommt. Da er aufgrund finanzieller Schwierigkeiten die Patentanmeldung nicht weiterbezahlen konnte, verlor er an Bekanntheit. Die Franzosen Alain le Méhauté, Olivier de Witte und Jean-Claude André versuchten 1884 ein Patent für das Verfahren zu erhalten, bei dem eine Flüssigkeit mit einer Lichtquelle gehärtet wird. Dies nannten sie ebenfalls Stereolithographie. Das angeschriebene Forschungsinstitut konnte aber das Potenzial der Erfindung nicht erkennen und stoppte das Vorhaben. Schließlich war es der US-Amerikaner Chuck W. Hull, welcher drei Wochen später ein Patent anmeldete. Dieser hatte schon 1981 die Stereolithographie erfunden, welche 1983 erstmals praktisch umgesetzt wurde. 1985 war dann das erste 3D-Konstruktionsprogramm erhältlich und 1986 gründete er das heute weltweit bekannte Unternehmen 3D Systems. 1988 war der erste 3D-Drucker (SLA-1 Maschine) auf dem Markt. 

Im Jahr 1992 wurde dann die erste selektive Lasersinter-Maschine im Unternehme DTM produziert, welche gemäß dem Verfahren Pulver mit Laserlicht bestrahlte. Es folgte ein 3D-Drucker von Z Corp, welche das Binder-Jetting-Verfahren anwendete. Bis Ende der 90er Jahre konnten dann neben Kunststoffen auch Metalle verarbeitet werden und es wurden weitere CAD-Programme herausgebracht. Während der 2000er Jahre gewann die additive Fertigung an Aufschwung, welche gerade in der Medizin etabliert wurde. Dabei wurde zum ersten Mal einem Menschen ein 3D-gedrucktes Organ implantiert. Die 2000er waren von weiteren Entwicklungen geprägt. So konnten nun 3D-Drucker Teile für weitere 3D-Drucker herstellen und sie hielten am Arbeitsplatz Einzug. Ab 2010 konnten die neuen Modelle auch Automobil-Prototypen drucken, es entstanden 3D-Lebensmittel-Drucker, erste 3D-gedruckte Bauteile für Raumstationen sowie Kiefer- und Knochenprothesen. Ebenso profitierten kleine und mittelständige Unternehmen vom 3D-Druck, die dadurch Prototypen preisgünstiger herstellen konnten. Das produktivste additive Kunststoff-Produktionsverfahren bildet derzeit das Multi Jet Fusion Verfahren, wobei die entstehenden Objekte über eine homogene Oberfläche verfügen und eine fast porenfreie Materialdichte besitzen. 

Was bringt nun die Zukunft? Sehr wahrscheinlich wird sich die Technologie des 3D-Drucks hin zur Serienproduktion entwickeln, da immer mehr Materialien in kürzerer Zeit und qualitativ hochwertig gedruckt werden können. 

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