3D-Druck – eine aufstrebende Technik

Das Ausdrucken von ganzen, individuellen Gegenständen für die breite Masse war bis vor wenigen Jahren pure Science-Fiction. Doch seit einiger Zeit wird das Thema 3D-Druck in unseren Medien immer präsenter. Damit werden die Fantasien, die beispielsweise in Star Trek gezeigt wurden, zumindest in Teilen Realität.

Photograph by S zillayali, distributed under a CC BY-SA 3.0 license.

Ein erster 3D-Drucker wurde bereits im Jahre 1984 von der 3D Systems Corporation in den USA gebaut. Dieser erste Versuch war durch seinen hohen Preis allerdings so unwirtschaftlich, dass er nicht für eine Serienproduktion geeignet war. Im Laufe der Zeit wurde die Technik weiterentwickelt, wodurch auch der Preis für ein solches Produkt sank. Aufgrund des Preisnachlasses hielt der 3D-Druck in den letzten Jahren Einzug in die Industrie und auch vereinzelt schon in private Haushalte.
Doch welche Verfahren werden zum plastischen Ausdrucken eingesetzt? Welche Vor- und Nachteile gehen mit der jeweiligen Produktionsart einher?

3D-Druck mit Pulverschichtverfahren

Als Grundlage für die Art des Verfahrens dient eine Pulverschicht. In diese Schicht werden mit einem Druckkopf, ähnlich dem eines 2D-Druckers, Bindemittel verteilt – also das Aussehen der untersten Ebene mit dem „Kleber“ gezeichnet. Anschließend wird erneut eine Pulverschicht aufgetragen, hier werden ebenfalls wieder die gewünschten Körner miteinander und mit den darunterliegenden Körnern verbunden. Das wird nun so oft wiederholt, bis die gewünschte Höhe erreicht ist, wobei sich die Werkbank absenkt, damit eine neue Schicht aufgetragen werden kann.

Nach der Fertigstellung können die überflüssigen, losen Körner einfach, auch unter der Zuhilfenahme einer Luftdruckpistole, entfernt werden. Bei dem Verfahren des 3D-Drucks kann das Resultat mit einem multiplen Druckkopf und verschiedenen Bindemitteln auch farbig gestaltet werden. Die Grundmittel können hier verschiedene Materialien sein. Besonders häufig wird aber Gips oder Kunststoffpulver verwendet. Es können aber auch Glas und andere pulverförmige Materialen zum Einsatz kommen.

Pulverschicht im Detail: Selektives LaserSintern (SLS), selektives LaserSchmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Eine besondere Form des „Pulverdrucks“ bildet das so genannte selektive Lasersintern (SLS) bzw. das selektive Laserschmelzen (SLM). Bei den Verfahren kommt ein Hochleistungslaser (meist CO2) zum Einsatz, um die Körner unter einer Schutzschicht miteinander zu verschmelzen. Diese Druckform wird besonders dann eingesetzt, wenn Metall, Keramik oder Sand verbunden werden sollen.

Zum Drucken mit Metallen wird ebenfalls das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) eingesetzt. Aufgrund der hohen Temperaturen können dabei Metalle mit einem hohen Schmelzpunkt verbunden werden. Allerdings ist für das Verfahren ein Vakuum notwendig. Ein Nachteil, der speziell Drucker betrifft, welche mit der EBM-Methode arbeiten, ist eine geringere Genauigkeit, da das geschmolzene Metallpulver verlaufen kann. Bei der Gattung von Druckern hängt die Genauigkeit von der verwendeten Körnergröße ab, wobei der Verwendung des Verfahrens hinsichtlich der Auflösung definitiv Grenzen gesetzt sind.

Positiv kann über diese Art des Druckens gesagt werden, dass, aufgrund der Möglichkeit der Wiederverwendung von nicht betroffenen Körnern, ressourcenschonend gearbeitet werden kann. Des Weiteren sind beispielsweise für Überhänge keine Stützstrukturen notwendig.
Als Nachteile sind zu nennen, dass nach der Fertigung meist noch eine nachträgliche Bearbeitung erforderlich ist, beispielsweiße das Aushärten in einer Flüssiglösung. Zudem sind die Drucker sehr teuer, wodurch eine wirtschaftliche Nutzung eigentlich nur in der Industrie gegeben ist.

Schmelzdruckverfahren

Das Schmelzdruckverfahren ist die wohl populärste Gattung von Druckern. Die Drucker arbeiten mit einem Druckkopf, welcher am besten mit einer Heißklebepistole zu vergleichen ist. Die Düse erhitzt das Material, bis es schmilzt und verteilt es dann Lage für Lage auf eine Plattform. Hierfür kann je nach Druckerart entweder der Druckkopf oder die Plattform bewegt werden. Aufgrund ihrer Schmelzeigenschaften werden als Baustoffe besonders gern Kunststoff, im Speziellen Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Polylactide (PLA), verwendet. Die Stoffe sind als Draht oder Stab im Handel erhältlich. Die Zeit, die für eine Lage benötigt wird, wird an die Aushärtezeit des Druckstoffes angepasst. Zusätzlich wird bei dieser Art des Druckens auch immer die Platte mitbeheizt, um das Modell im Anschluss besser ablösen zu können.

Auch bei dem Produktionstyp ist ein Farbdruck durch mehrere Druckköpfe und verschiedene Materialien möglich. Über die Genauigkeit kann hier keine Aussage gemacht werden, da sie bei verschiedenen Druckern stark variieren.

Als kleiner Negativpunkt fallen nur die benötigten Stützstrukturen auf, welche, beispielsweise für Überhänge oder Löcher, verwendet werden müssen. Diese sind jedoch aus wasserlöslichem Material und somit leicht zu entfernen.

Extrem positiv sind die Preise – dieses Verfahren stellt die günstigste Möglichkeit des 3D-Drucks dar, wodurch auch die meisten billigeren Drucker diese Art des Druckens verwenden. Die geringe Preisklasse sorgt für eine weite Verbreitung und Anwendung des Schmelzdruckverfahrens.

Flüssigdruckverfahren

Als Basis für alle Druckvorgänge des Verfahrens wird ein flüssiger und UV-empfindlicher Kunststoff benötigt, welcher in der Fachsprache als „Fotopolymer“ bezeichnet wird. Der eingangs erwähnte, erste 3D-Drucker aller Zeiten gehörte auch zu dieser Gattung. Er wendete die Stereolithografie (STL/SLA) an.

Bei dem Verfahren der Stereolithografie zeichnet ein Laser die Schichten in ein Becken, welches mit Fotopolymeren gefüllt ist. Das Becken senkt sich jeweils genau um eine Lage, nach jedem Druckvorgang, ab. Meist wird das Objekt nach dem Herausnehmen noch in eine Belichtungskammer gestellt, um es aushärten zu lassen. Nachdem die hier benötigten Stützstrukturen nicht wasserlöslich gestaltet werden können, müssen sie nach dem Druck mechanisch entfernt werden. Das zum Drucken verwendete Material ist aber nicht auf Kunststoff beschränkt. So können beispielsweise mit einer Mischung aus Fotopolymeren und Keramik, keramische Modelle realisiert werden. Dazu werden die Produkte noch in einen Brennraum gestellt, in dem die Keramik schmilzt und der Kunststoff ausgebrannt wird.

Eine Sonderform bildet das Digital Light Processing (DLP), bei diesem Verfahren wird die komplette Struktur einer Lage mithilfe eines Projektors auf das Becken projiziert. Das Verfahren wurde auch schon mit handelsüblichen Beamern realisiert. Als Gegenargument für die Anschaffung eines solchen Druckers können die hohen Materialkosten genannt werden. Andererseits arbeiten die Drucker mit einer sehr hohen Genauigkeit.

Unterm Strich – Welches Verfahren ist empfehlenswert?

Der Vergleich verschiedener 3D-Druckverfahren zeigt, dass es immer von der Art der zu verwendenden Materialien, den Kosten und der Art des gewünschten 3D Objekts abhängig ist, für welches Verfahren man sich am besten entscheidet.

Zudem muss gesagt werden, dass noch weitere Verfahren und Abwandlungen von 3D-Druckverfahren existieren, welche aufgrund ihrer Komplexität nicht in diesem Artikel behandelt werden konnten.
Noch wird der 3D-Druck vor allem in der Industrie, wie der Luftfahrt- oder Autobranche, angewendet. Eine private Anschaffung ist höchstens für Menschen sinnvoll, welche beispielsweise als Hobby „Modellbauer“ sind. Alternativ gibt es auch die Möglichkeit sich selbst einen 3D-Drucker zu bauen. Im Internet finden sich hierzu zahlreiche Anleitungen.

Photograph by z22, distributed under a CC BY-SA 3.0 license.
Photograph by z22, distributed under a CC BY-SA 3.0 license.

Die Kaufpreise für einen guten 3D-Drucker sind leider derzeit noch zu hoch, um ihn nur gelegentlich einzusetzen.

Empfehlenswert ist die Möglichkeit, seine Modelle bei einem professionellen 3D-Druck-Service anfertigen zu lassen. Hier wird man beraten, die Daten des Modells können geprüft werden und ein geeignetes Druckverfahren kann ausgewählt werden. Man kann seine Daten zudem auch online einschicken und das Druckergebnis zugeschickt bekommen.