3D-Drucken schnell erklärt

Im Jahr 2013 erklärte Barack Obama in der Ansprache zur Lage der Nation:

"3D-Printing has the potential to revolutionize the way we make almost everything!"

Aktuell wird der 3D-Drucker noch oft als Nerd-Spielzeug abgetan, aber mit der Anzahl an verfügbaren 3D-Vorlagen im Internet, wachsen auch die Einsatzmöglichkeiten im Alltag. So könnten in Zukunft Ersatzteile wie zum Beispiel ein Ikearegal-Fächerträger einfach zu Hause ausgedruckt werden.
Eine Firma benötigt kein großes Ersatzteillager mehr, sondern stellt einfach eine digitale Vorlage (z.B. STL-Format) online zur Verfügung, die sich der Kunde einfach runterladen und zu Hause ausdrucken kann. Die Corona-Krise oder die Suezkanal-Blockade durch das Container-Schiff Ever-Given hat gezeigt, wie sensibel Lieferketten sind und wie wichtig eine regionale Versorgung ist.

Und wie funktionert der 3D-Druck jetzt eigentlich?

Unter 3D-Druck versteht man die Möglichkeit, Objekte aus einer digitalen Vorlage (z.B. einer .STL-Datei) zu schaffen. Diese Datei wird dann über eine Slice-Software, so eingestellt, das der Drucker weiss, was er zu tun hat. Faktoren wie Druckgeschwindigkeit, Temperatur, Füllstärke, etc. müssen je nach Bauart des Modells und Druckmaterials eingestellt werden. Diese digitale Vorlage wird an den 3D-Drucker geschickt, der diese dann Schicht für Schicht aufbaut.

Ein kurzer Überblick der unterschiedlichen Druckverfahren:

• Die am meist verbreitete Methode ist das FDM - Fused Deposition Modeling - Verfahren. Hier wird ein Kunststoffstrang (Filament) geschmolzen und mit einem Druckkopf (Extruder) auf ein Druckbett aufgebaut. Die Vorteile sind der günstige Preis und die einfache Handhabung, ein perfekter Einstieg in die 3D-Druck-Materie. Die Nachteile sind, die sichtbaren Schichten und bei Überhängenden Formen aufwendige Stützstrukuren, die nachträglich entfernt werden müssen.
• Beim SLA-Verfahren (Stereolithografie) wird mit einem UV-Laser oder einem LED-Panel (DLP-/MSLA) ein flüssiges Harz (Resin) ausgehärtet. Der Vorteil ist eine perfekte Druckqualität und Stabilität , die dem Spritzguss schon sehr nahe kommt. Der Nachteil ist die etwas aufwendige Nachbearbeitung, da das gedruckte Modell noch in einer Alkohollösung (Isopropanol) gewaschen und mit UV-Licht gehärtet werden muss. Beim Hantieren von UV-Resin sollte man auch vorsichtig sein und darf nicht auf die Haut gelangen und sollte auch nicht eingeatmet werden. Das UV-Resin ist in der Regel auch teurer als Filamente.
• Bei SLS - Selective Laser Sintering - Technologie, wird eine Kunststoff- meistens Nylon-Pulver mit einem Laser verdichtet und dadurch geformt. Diese Methode ist aber noch relativ teuer und wird deshalb hauptsächlich in der Industrie (Rapid Prototyping) verwendet. Die Oberfläche ist leicht rauh und greift sich an wie pulverbeschichtet. Der Vorteil ist, dass keine Schichten sichtbar sind und nicht gesinierte Pulverpartikel wiederverwendet werden können. Der Nachteil sind die hohen Anschaffungskosten von über €6.000,-

Der 3D-Druck ist ein sogenanntes generatives Fertigungsverfahren (AM - Additive Manufactoring). Das Objekt entsteht durch das Auftragen von Material.
Das generative Verfahren steht im Gegensatz zum subtraktiven Verfahren (subtractive Manufactoring).
Hier wird das Rohmaterial durch Fräsen oder Bohren von z.B. CNC-Maschinen abgetragen um das Endprodukt zu erzeugen.

Wer hats erfunden?

Schon 1983 erfindet Chuck Hull die Stereolithografie (SLA-Verfahren) und druckt das erste 3D-Objekt.
Die SLA-Technologie wird 1984 zum Patent angemeldet. 1986 freigegeben ist Chuck Hull Mitgründer der Firma 3D-Systems, die Prototypen herstellt.

Gleichzeitig erfindet S.Scott Crump und seine Frau das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren und gründet 1989 die Firma Stratasys.

Einsatzmöglichkeiten Industrie

Eine besondere Bedeutung findet der 3D-Druck in der Herstellung von Einzelteilen, wie z.B Prototypen da diese schneller gefertigt und sofort ausprobiert werden können. Das aufwendige und kostenintensive Herstellen von Formen wie z.B. in der Spritzgusstechnologie entfällt dadurch.
Aufgrund der hohen Kosten und der Größe eines 3D-Druckers wurde diese Technologie hauptsächlich in der Industrie, in der Wissenschaft oder Forschung verwendet.
Im Jahr 2002 stellt die Firma Stratasys den ersten 3D-Drucker unter 30.000 USD vor.

3D-Drucker für den Hausgebrauch

Aber erst 20 Jahre nach der Erfindung des 3D-Druckers, im Jahr 2009, kamen sogenannte Desktop-3D-Drucker für den Hausgebrauch auf den Markt.
Die Firma Makerbot stellt im März den Cupcake CNC - ein 3D-Drucker Baukasten (FDM-Verfahren) vor, der möglichst erschwinglich sein soll. Aber auch andere Firmen drängen mit nutzerfreundlicheren 3D-Drucker auf den Desktop-Markt.

2011 kommt mit dem Form 1-Printer von Formlabs der erste Desktop 3D-Drucker im Stereolithografie-Verfahren (SLA) für stolze 2300 USD auf den Markt. Das ist zwar nicht gerade billig, aber der große Vorteil ist, dass die Objekte mit einer viel höheren Auflösung gedruckt werden können. Die Qualität ähnelt Spitzenmaschinen aus der Industrie.

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an Firmen wie z.B. Ultimaker, Anycubic, Tortrax, Prusa u.v.m. die 3D-Drucker zu einem erschwinglichen Preis herstellen.

Die wichtigsten Materialien für 3D-Drucker

Natürlich muss jeder 3D-Drucker auch auch gefüttert werden. Für SLA-Drucker werden Kunstharze, sogenannte Resine, verwendet, die in verschiedenen Farben und Materialeigenschaften erhältlich sind. Die Firma Anycubic bietet unter anderem auch ein pflanzenbasiertes UV-Resin aus Sojaöl an.

3D-Drucker der FDM-Technologie benötigen thermoplastische Kunststoffe, sogenannte Filamente, die es in den unterschiedlichsten Materialien gibt. Diese Filamente werden in Rollen gewickelt und unterscheiden sich durch Material, Stärke, Farbe und Schmelzpunkt.

• PLA (Polyactide) ist eine Art Biokunststoff wie z.B. Mais- oder Kartoffelstärke und kann im Gegensatz zu Erdölprodukten problemlos entsorgt werden und ist daher sehr umweltfreundlich. PLA-Filament besitzt eine Schmelztemperatur von 160-220 Grad, ist einfach zu drucken und eignet sich besonders für Anfänger. Es ist leicht, UV-beständig und robust. Es kann geschliffen, verklebt und lackiert werden. Zu beachten ist, dass durch den geringen Schmelzpunkt PLA schon ab 50 Grad weich werden kann. Bei der Verarbeitung entsteht ein süsslicher Geruch, der an Ahornsirup erinnert.
• ABS-Plastik (Acrylintril-Butadien-Styrol) findet man in vielen Alltagsgegenständen wie z.B. Legosteine und ist sehr stabil und langlebig. Durch den höheren Schmelzpunkt von 210-250 Grad ist ABS-Filament etwas schwieriger zu verarbeiten und es empfiehlt sich eine beheizbare Druckplatte. ABS-Filament ist sehr robust und lässt sich sehr leicht bearbeiten wie schleifen, lackieren und verkleben. Da ABS aus Erdöl besteht ist es nicht biologisch abbaubar, lässt sich aber recyceln. Bei der Verarbeitung riecht ABS nach verbranntem Plastik und sollte deshalb nur in belüfteten Räumen verwendet werden.
• PVA (Polyinylalkohol) ist ein wasserlösliches Filament, welches hauptsächlich als Stützmaterial für komplexe oder bewegliche Strukturen verwendet wird. Wenn das ausgedruckte Objekt mit PVA-Stützen in ein Wasserbad gelegt wird, verschwinden diese. Schmelztemperatur 160-180 Grad.
• TPE (Thermoplastisches Elastomer) ist ein flexibles Filament mit gummiähnlichen Eigenschaften und wird dank seiner thermoplastischen Eigenschaften für Sportschuhe, Schläuche oder Dichtungen verwendet. Je flexibler das TPE-Filament, desto schwieriger ist die Verarbeitung. Die Schmelztemperatur liegt bei 210-240 Grad.
• Mittlerweile gibt es auch Spezial-Filamente die eine metallische Oberfläche aufweisen, wie zB. Kupfer, Messing oder Bronze. Wood-Filamente bestehen aus kleinen Holzpartikel und eignen sich optimal, um naturgetreue Objekte zu drucken.