3D Druck Funktionsweise und Verfahren

Hinter dem 3D-Druckverfahren stehen verschiedene Technologien, die je nach Material und gewünschtem Ergebnis eingesetzt werden. Im Zentrum des 3D-Drucks stehen Verfahren wie Stereolithographie, Lasersintern, 3D-Druck, Fused Deposition Modeling und Multi-Jet-Fusion die sich in der Verwendung von Materialien und in der Ausführung unterscheiden.

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Wie funktioniert das Stereolithografie (SLA) Verfahren?

Bei der Stereolithografie (SLA) werden detaillierte Harzmodelle hergestellt, indem ein UV-Laser Punkt für Punkt mikroskopisch dünne Harzschichten belichtet und aushärtet. Nach jeder ausgehärteten Schicht wird eine neue Harzschicht aufgetragen, bis das Modell vollständig ist. Überschüssiges, nicht ausgehärtetes Harz bietet keine Stabilität, daher ist ein zusätzliches Stützmaterial notwendig, das später entfernt wird. Bekannte Anwender dieser Technik sind 3D-Systems und Objet, wobei Objet ein Verfahren patentiert hat, das mit lichtdurchlässigem Material arbeitet, und das PolyJet-Verfahren, das den gleichzeitigen Druck mit mehreren Materialien ermöglicht.

Wie funktioniert das Multi Jet Fusion (MJF) Verfahren?

Das Multi Jet Fusion (MJF) Verfahren verwendet Infrarotlampen, um die Druckoberfläche zu erwärmen und eine wärmeleitende Flüssigkeit, das Fusionsmittel, auf die Pulverpartikel aufzutragen. Diese Partikel verschmelzen durch die Wärmeeinwirkung sowohl miteinander als auch mit der darunter liegenden Schicht.

Die präzise Kontur und die glatte Oberfläche des gedruckten Objekts werden durch einen thermisch inhibierten Detailing Agent gewährleistet, der das Schmelzen außerhalb des vorgesehenen Bereichs verhindert. Durch die Wiederholung dieses Schmelzprozesses in mehreren Schichten entsteht ein robustes, langlebiges 3D-Objekt. Nach dem Druckvorgang wird das überschüssige Pulver entfernt. Die MJF-Technologie zeichnet sich durch kurze Produktionszeiten aus.

Wie funktioniert das Selektive Lasersintern (SLS) Verfahren?

Das Selektive Lasersintern (SLS) ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Laser pulverförmiges Kunststoffmaterial punktgenau aufschmilzt und Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Bauteil aufbaut. Der Laser fokussiert seine Energie auf bestimmte Pulverpartikel, die dadurch lokal absorbiert und aufgeschmolzen werden.

Dies führt zu einer Verkleinerung der Gesamtoberfläche, ein Phänomen, das bei allen Polymer-3D-Druckverfahren auftritt und je nach verwendetem Kunststoff variiert. In jedem Druckschritt erzeugt der Laser ein Abbild der Querschnittsschicht des 3D-Designs auf dem Pulverbett, bis das endgültige Bauteil fertiggestellt ist.

Wie funktioniert Fused Deposition Modeling?

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein extrusionsbasiertes 3D-Druckverfahren, bei dem Filamente (Kunststoffstäbe) durch eine beheizte Düse, den Extruder, geschmolzen und schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen werden. Anstelle einer vollständigen Materialfüllung werden Volumenkörper mit Füllstrukturen versehen und bei überhängenden Elementen Stützstrukturen hinzugefügt, die nach dem Aushärten des Materials wieder entfernt werden. Nachbearbeitungen wie Schleifen oder Lackieren können je nach Bedarf durchgeführt werden. Das Verfahren eignet sich besonders für die kostengünstige und schnelle Herstellung von Prototypen oder Modellen und bietet eine große Bandbreite an verwendbaren Materialien.

Was ist die Definition eines 3D Druckers?

Ein 3D-Drucker ist ein computergesteuertes Gerät, das ein dreidimensionales Objekt durch schichtweises Auftragen von Material erzeugt, wobei häufig chemische oder physikalische Schmelz- oder Aushärtungsprozesse zum Einsatz kommen. Die Konstruktion basiert auf einem zuvor erstellten digitalen Bauplan. Ein 3D-Drucker kann kann sowohl flüssige als auch feste Materialien verarbeiten, einschließlich Filamenten aus Nebenprodukten von Produktionsprozessen.

Funktionsweise der 3D Druck Verfahren

Welche Materialien können mit einem 3D Drucker gedruckt werden?

Zu den am häufigsten verwendeten Materialien im 3D Druck gehören verschiedene Arten von Kunststoffen. Dazu gehören ABS, PLA, PETG, ASA, Nylon, TPE/Flex, PVA, HIPS. Diese Kunststoffe haben unterschiedliche Eigenschaften in Bezug auf Flexibilität, Festigkeit, Temperaturbeständigkeit und Biokompatibilität, wodurch sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet sind.

  • Metalle: Metalle wie Aluminium, Titan, Kupfer, Gold, Edelstahl und Nickel können ebenfalls mit speziellen Verfahren wie dem direkten Metall-Lasersintern gedruckt werden. Der 3D-Druck von Metallen wird für spezialisierte industrielle Anwendungen wie Luft- und Raumfahrt, Medizin und Fertigung eingesetzt.
  • Keramik / Ton: Keramik und Ton werden für den 3D-Druck verwendet, insbesondere in den Bereichen Kunst, Design und Architektur. Das Druckverfahren ermöglicht die Herstellung komplexer und detaillierter Formen, die mit herkömmlichen Keramiktechniken nur schwer zu realisieren wären.
  • Papier, Wachs und Gips: Papier, Wachs und Sandstein/Gips werden für spezialisierte Anwendungen eingesetzt. Papier eignet sich für kostengünstige Modelle und Prototypen, Wachs wird für Schmuck verwendet und Gips für detailreiche, farbige Modelle.
  • Harz: Harze werden insbesondere in der Stereolithographie (SLS) und im DLP-Druckverfahren verwendet. Sie ermöglichen hohe Detailgenauigkeit und glatte Oberflächen.
  • Lebensmittel: Es gibt 3D-Drucker, die Lebensmittel wie Schokolade, Gummibärchen und andere Nahrungsmittel drucken können. Diese Geräte eröffnen neue Möglichkeiten für die Herstellung und Präsentation von Lebensmitteln in der Lebensmittelindustrie.

Wird der 3D-Druck für Prototypen verwendet?

Ja, der 3D-Druck ist ideal für die Herstellung von Prototypen. Durch die direkte Umsetzung digitaler Entwürfe in physische Modelle ermöglicht er schnelle und kostengünstige Anpassungen und Iterationen. Dadurch werden teure Gussformen überflüssig und der Zeitaufwand im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden erheblich reduziert.

In welchen Bereichen werden 3D Drucker am häufigsten verwendet?

3D-Drucker werden in Bereichen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie genutzt. Der 3D-Druck trägt zur Herstellung komplexer Teile und Prototypen bei, wodurch der Entwicklungsprozess beschleunigt wird. In der Medizintechnik hilft der 3D-Druck bei der Herstellung maßgeschneiderter Implantate und Prothesen. Forschungseinrichtungen setzen 3D-Drucker in Disziplinen wie Biotechnologie und Archäologie ein, um beispielsweise biologische Strukturen oder archäologische Funde zu reproduzieren.

Im privaten Bereich werden die Drucker zur Herstellung von persönlichen Gegenständen wie Spielzeug, Figuren und Dekorationsartikeln eingesetzt. Die Kosten eines 3D-Druckers variieren je nach Anforderungen und Komplexität des Geräts und reichen von einigen hundert Euro bis zu mehreren zehn- oder hunderttausend Euro für industrielle Geräte.