Was ist ein 3D-Drucker?

Die Idee für den 3D-Druck gab es schon in den 1970er Jahren, aber erst in den 80ern legte das damalige Rapid Prototyping den Grundstein dafür. Dieses Verfahren ermöglichte die schnelle Herstellung von Prototypen auf Basis von CAD-Daten (Computer-Aided Design). Aus dem Rapid Prototyping entstand schon bald das Rapid Manufacturing, welches den 3D-Druck tatsächlich verwendbarer Bauteile ermöglichte.

1983 druckte der Amerikaner Charles „Chuck“ Hull erstmals ein 3D-Objekt mit dem Stereolithografie-Verfahren (SLA), welches er sich kurz darauf patentieren ließ. 1986 gründete Hull das Unternehmen 3D Systems und brachte 1987 mit dem „SLA-1“ den ersten 3D-Drucker auf den Markt. 2014 erhielt Charles Hull den Europäischen Erfinderpreis und wurde in die National Inventors Hall of Fame aufgenommen. Er wird noch heute als Erfinder des 3D-Drucks bezeichnet.

Je nach Modell können der Ablauf und die Funktion eines 3D-Druckers unterschiedlich sein. Nachfolgend finden Sie die Funktionsweise eines 3D-Druckers mit additiver Fertigung:

1. Das digitale Modell erstellen

Im ersten Schritt wird mithilfe von CAD-Daten eine digitale 3D-Vorlage eines gewünschten Objekts erstellt. Alternativ können auch Daten für fertige 3D-Modelle aus Online-Bibliotheken heruntergeladen werden.

2. Das Modell für den Druck vorbereiten

Das 3D-Modell wird in eine für den Drucker verständliche Sprache übersetzt, den G-Code. Dabei hilft eine sogenannte „Slicing“-Software, die das Modell in hauchdünne horizontale Schichten zerlegt.

3. Material einlegen

Je nach Druckertyp wird das passende Material in den 3D-Drucker geladen. Das Material ist je nach Modell unterschiedlich. Beim 3D-Drucker mit additiver Fertigung wird häufig Kunststoff-Filament wie PLA verwendet, welches auf Spulen aufgewickelt ist.

Vor dem Drucken muss ein Material eingefüllt werden. Dies ist häufig Kunststoff-Filament (PLA).

4. Drucker kalibrieren

Um sicherzustellen, dass das Material präzise aufgetragen werden kann, müssen vor dem Druck die Druckplattform und der Druckkopf kalibriert werden.

5. Schichtweises Drucken des Objekts

Der 3D-Drucker beginnt, das Kunststoff-Filament zu erhitzen und das Objekt Schicht für Schicht präzise aufeinander zu drucken. Jede Schicht wird mit der nächsten verbunden, bis das Objekt vollständig ist. Dieser Vorgang kann je nach Umfang und Komplexität des Objektes Minuten, Stunden oder auch Tage dauern.

6. Nachbearbeitung des Objekts

Nach Abschluss des 3D-Drucks kann das Objekt von der Druckplattform entfernt werden. Je nach Objekt kann es notwendig sein, dass Stützstrukturen entfernt oder Kanten abgeschliffen werden müssen.

Der 3D-Druck umfasst mittlerweile eine Vielzahl an verschiedenen Verfahren, von denen wir Ihnen einige vorstellen möchten.

1. Stereolithographie (SLA)

Die Stereolithographie war das erste kommerziell erfolgreiche Verfahren des 3D-Drucks. Dabei wird mit flüssigem Kunstharz gedruckt, welches von sogenannten Resin Druckern schichtweise durch einen ultravioletten Laser ausgehärtet wird. Das SLA-Verfahren bietet hohe Präzision und glatte Oberflächen.

2. Digital Light Processing (DLP)

Ähnlich wie SLA verwendet DLP Kunstharz, das durch Licht ausgehärtet wird. Im Gegensatz zu SLA wird hier jedoch eine digitale Lichtprojektion eingesetzt, die die gesamte Schicht gleichzeitig belichtet, weshalb DLP oft schneller als SLA ist.

3. Fused Deposition Modeling (FDM)

Beim FDM-Verfahren, auch: Fused Filament Fabrication (FFF) genannt, werden thermoplastische Kunststoffe wie PLA, ABS oder PET erhitzt und durch eine Düse in dünnen Schichten aufgetragen. Weil FDM-Drucker sehr kostengünstig sind, findet dieses Verfahren vor allem im privaten Bereich Anwendung.

4. Selective Laser Sintering (SLS)

Beim selektiven Lasersintern wird ein Pulvermaterial wie z. B. Kunststoff oder Metall durch einen Laser schichtweise gesintert – also miteinander verschmolzen. Dafür wird die komplette Druckfläche mit Pulver bedeckt, dann wird aus dem Pulver eine Schicht des Objekts gelasert. Anschließend wird die Druckfläche minimal abgesenkt und wieder mit Pulver aufgefüllt und der Vorgang wird wiederholt. So wird das Objekt Schicht für Schicht zusammengelasert. Am Ende muss das Ergebnis nur noch vom Pulver befreit werden. SLS wird oft für Bauteile eingesetzt.

5. Material Jetting (MJet)

Hierbei werden flüssige Materialien wie Photopolymer oder Wachs durch Düsen aufgetragen und direkt mit UV-Licht oder Hitze ausgehärtet. Anders als SLA und DLP ist das Besondere am MJet-Verfahren, dass es die Kombination mehrerer Materialien und Farben in einem Druck ermöglicht. Es kann sogar Härte oder Widerstandsfähigkeit der Objekte beeinflussen.

Weitere 3D-Druck-Verfahren umfassen:

• Binder Jetting (BJ)
• Direct Metal Laser Sintering (DMLS)
• Electron Beam Melting (EBM)
• Laminated Object Manufacturing (LOM)
• Powder Bed Fusion (PBF)

3D-Drucker – Vorteile

• Ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen und Prototypen
• Produktion kann lokal erfolgen
• Druck von jeglichen auch komplexen Objekten schnell möglich
• Additives Fertigungsverfahren minimiert Abfälle und schont Ressourcen
• Je nach Druckverfahren lassen sich verschiedene Materialien verwenden

3D-Drucker – Nachteile

• Hohe Anschaffungskosten bei 3D-Druckern für die Industrie
• Gedruckte Objekte benötigen häufig Nachbearbeitung, wie das Entfernen von Stützstrukturen oder das Nachschleifen
• Größe der Objekte ist durch Größe des 3D-Druckers beschränkt
• Einige Materialien sind schwer recyclebar
• Oft hoher Energieaufwand beim 3D-Drucken nötig

1. Medizin

Eine wichtige Anwendung mit gesellschaftlichem Nutzen ist der 3D-Druck in der Medizin. Denn mithilfe von 3D-Druckern lassen sich maßgeschneiderte Prothesen, Orthesen und Implantate kreieren. Auch Hörgeräte und Zahnspangen werden heutzutage oft mit 3D-Druckern gefertigt. Eine der spannendsten Möglichkeiten ist das Bioprinting, also das Drucken von lebendem Gewebe wie Haut oder Knorpel. Zukünftig könnten damit Organe gedruckt werden, wodurch die Organspende revolutioniert werden würde.

2. Robotik

In der Robotik ermöglicht der 3D-Druck die Herstellung komplexer Bauteile und präziser Komponenten, die die Beweglichkeit und Funktionalität von Robotern verbessern. Dadurch werden die Produktionskosten für Ersatzteile gesenkt.

Übrigens: Wussten Sie, dass es Roboter gibt, die Fußball spielen können? Erfahren Sie mehr darüber in unserem Artikel zum Roboterfußball in Bremen .

Auch in der Luft- und Raumfahrt werden 3D-gedruckte Teile verwendet.

3. Luft- und Raumfahrt

Ein wichtiger Einsatzort für 3D-Drucker ist mittlerweile die Luft- und Raumfahrt. Hier lassen sich relativ einfach leichte und trotzdem robuste Bauteile herstellen, die den Treibstoffverbrauch senken und ideal an die Gegebenheiten des Weltraums bzw. die Luftfahrt angepasst sind. Konkret werden für Flugzeuge häufig Düsenspitzen sowie Kraftstoffeinspritzdüsen aus dem 3D-Druck genutzt.

4. Automobilindustrie

Der 3D-Druck wird auch für Fahrzeuge genutzt, um Ersatzteile und Spezialwerkzeuge zu drucken. Auch Miniatur-Prototypen und Sonderanfertigungen wie zum Beispiel spezielle Halterungen für den Innenraum sind möglich.

5. Sonstige Einsatzgebiete

Neben den oben genannten Einsatzgebieten gibt es noch viele weitere Einsatzmöglichkeiten, in denen der 3D-Druck einen Mehrwert bieten kann. So zum Beispiel in den Bereichen Bildung, Stadtplanung, Architektur, Kunst sowie im Alltag.