Anfang der 2010er Jahre gelangte 3D-Druck zum ersten Mal wirklich ins öffentliche Bewusstsein. Der Hype darum nahm so stark zu, dass man glaubte, die Technologie würde bald wie PCs oder die Mikrowelle sein – in jedem Haushalt der entwickelten Welt.
Obwohl 3D-Druck dieses Popularitätsniveau nicht ganz erreicht hat, wird die Technologie weiterhin vorangetrieben – auf eine Weise, die sie neuen Zielgruppen und frischen Anwendungen näherbringt. Vorbei sind die Zeiten, in denen additive Fertigung ausschließlich eine Prototyping-Technologie war; heute wird sie überall eingesetzt, von der Automobilindustrie bis zur Herstellung medizinischer Geräte.
Dank Initiativen wie der RepRap-Bewegung – die darauf abzielte, einen 3D-Drucker zu entwickeln, der sich selbst replizieren kann – werden Desktop-Geräte ebenfalls zunehmend zugänglicher. Seit das Team hinter dem Projekt Fused Filament Fabrication (FFF), eine Open-Source-Alternative zum FDM-Verfahren von Stratasys, erstmals entwickelt hat, ist die Extrusionstechnologie deutlich günstiger geworden.
Für weniger als ein paar hundert Dollar kann man heute Maschinen kaufen, die hochauflösende Modelle erstellen können und früher ein Vielfaches kosteten. Inmitten dieses „Race to the Bottom“ gibt es auch diejenigen, die die Grenzen des 3D-Drucks verschieben, indem sie Systeme mit so hohem Durchsatz entwickeln, dass sie sogar traditionelle Fertigungsverfahren herausfordern können.
Das alles klingt spannend, aber Sie fragen sich vielleicht: Was genau ist 3D-Druck? Nun, es ist noch nicht zu spät, mehr über die Technologie, ihre Funktionsweise und ihre Einsatzgebiete zu erfahren. Lesen Sie weiter für eine kurze Einführung in den 3D-Druck und wie Sie selbst einsteigen können.
Wie funktioniert 3D-Druck
Bevor wir zu tief in die Welt des 3D-Drucks eintauchen, beginnen wir mit den Grundlagen: Was ist das und wie funktioniert es? Laut der globalen Normungsorganisation ASTM International gibt es sieben verschiedene Arten der Technologie: Materialextrusion, Bad-Photopolymerisation, Material Jetting, Binder Jetting, Schichtlaminierung, gerichtete Energiedeposition und Pulverbettfusion.
Um die Dinge einfach zu halten, konzentrieren wir uns in diesem Artikel auf die ersten beiden, da sie die am häufigsten verwendeten (und am einfachsten erhältlichen) 3D-Drucker auf dem Markt sind.
Extrusionssysteme, auch als FFF bekannt (oder FDM, wenn sie von Stratasys stammen), können sich je nach Hersteller im Aufbau unterscheiden, funktionieren aber im Großen und Ganzen alle auf dieselbe Weise. Im Allgemeinen wird beim Extrusionsprozess Material durch eine beheizte Düse geführt, die es schmilzt und Schicht für Schicht in vorgegebenen Formen ablegt.
Im Vergleich dazu ist die Badpolymerisation (oft als Resin-3D-Druck bezeichnet) etwas komplizierter. Im Kern der Technologie steht ein Verfahren namens Stereolithografie oder „SLA“, aber was ist SLA? Während des Prozesses wird ein Harzbad kontinuierlich einem UV-Laser ausgesetzt, der das Material nach und nach in die gewünschten Muster aushärtet. Das Ergebnis ist ein vollständig „ausgehärtetes“ Objekt ohne die sichtbaren Schichtlinien, die man von FFF-Drucken kennt.
Diese glattere Oberflächenqualität zeigt sich auch bei Drucken, die mit den Nachfolgetechnologien von SLA erstellt werden: masked SLA (MSLA) und Digital Light Processing (DLP). Wie beim regulären SLA wird bei MSLA Harz per UV ausgehärtet; statt jedoch einen Laser zum Nachzeichnen der Schichten zu verwenden, nutzt das Verfahren eine größere Lichtquelle, die mit einem LCD-Bildschirm maskiert wird, um sicherzustellen, dass nur bestimmte Bereiche der Baufläche ausgehärtet werden.
DLP funktioniert SLA ebenfalls sehr ähnlich, indem eine Bauplattform nach und nach in einen Harztank abgesenkt wird und darauf Schicht für Schicht Bauteile durch das kontinuierliche Aushärten des Materials entstehen. Der einzige wirkliche Unterschied bei DLP ist die Lichtquelle. DLP-Geräte sind mit einem digitalen Projektor ausgestattet, der ein Bild über die Bauplattform projiziert und dabei ganze Schichten gleichzeitig aushärtet.
Das bringt offensichtliche Geschwindigkeitsvorteile mit sich, und da Resin-3D-Druck gegenüber der Extrusion bereits einen Vorteil bei der Oberflächenqualität hat, stellt sich die Frage: Warum sollte sich überhaupt jemand für Letzteres entscheiden? Nun, FFF-Systeme sind in der Regel günstiger und einfacher zu warten. Außerdem erfordern sie beim Umgang mit Materialien keine Handschuhe und bei Arbeiten in geschlossenen Räumen nicht dasselbe Maß an Belüftung.
Da sie außerdem weiter verbreitet sind, steht Extrusionsmaschinen tendenziell auch eine größere Materialauswahl offen – sowohl in Bezug auf Farbe als auch auf Eigenschaften wie Festigkeit und Flexibilität. Schauen wir uns nun die wichtigsten Unterschiede zwischen Resin- und Extrusionswerkstoffen an.
Was ist ein 3D-Druckmaterial
Extrusionsmaterialien können in vielen Formen vorliegen. Am häufigsten werden sie als Filamente verkauft – zu Spulen aufgewickelte, lange, dünne Thermoplaststränge, die automatisch in den Extruder einer Maschine eingezogen werden können.
Die am weitesten verbreiteten Filamente bestehen aus ABS oder PLA, doch mit dem Fortschritt der Technologie ist es möglich geworden, Objekte aus anderen Kunststoffen wie PETG und sogar Metallen wie Stahl zu drucken. Dies wiederum hat es dem Extrusions-3D-Druck ermöglicht, in Branchen vorzudringen, in denen Bauteile eine höhere Widerstandsfähigkeit benötigen, sowohl hinsichtlich Festigkeit als auch gegenüber Umwelteinflüssen.
Zunehmend nehmen Extrusionsmaterialien für den 3D-Druck auch andere Formate an. Unternehmen wie Titan Robotics haben zum Beispiel Maschinen entwickelt, die sich Aspekte des Spritzgießens zunutze machen, indem sie stattdessen auf pelletiertes Ausgangsmaterial setzen. Diese Systeme haben größere Düsen als herkömmliche FDM-Anlagen, wodurch sich mit ihnen schneller drucken lässt. Der Einsatz eines weit verbreiteten Materials macht sie auch günstiger im Betrieb, größenmäßig sind sie jedoch oft deutlich größer.
Auf der anderen Seite haben Nutzer von Resin-3D-Druck deutlich weniger Optionen. Alle Resins bestehen aus Photopolymeren, die mit Photoinitiatoren versetzt sind und dadurch mit UV-Lasern ausgehärtet werden können.
Meistens handelt es sich dabei um ABS, PLA, PETG, Nylon oder Polycarbonat, doch es wird daran gearbeitet, diese Palette zu erweitern. Materialentwickler wie Liqcreate haben beispielsweise kürzlich elastomere Resins mit potenziellen industriellen Anwendungen auf den Markt gebracht.
Wofür wird 3D-Druck verwendet
Als Extrusions- und Resin-3D-Druck erstmals eingeführt wurden, wurden sie weitgehend als Prototyping-Werkzeuge eingesetzt. Obwohl sich die Technologien seitdem erheblich weiterentwickelt haben, besteht kein Zweifel an ihrer anhaltenden Wirksamkeit in diesem Bereich. Wofür wird 3D-Druck heute also verwendet?
In erster Linie wird er noch immer für Rapid Prototyping eingesetzt. Würden Hersteller Produkte iterativ weiterentwickeln, indem sie bei jeder Designänderung Prototypen zerspanend fertigen, wäre das zeitaufwendig und verschwenderisch. Mit 3D-Druck können Mock-ups digital aktualisiert und mit der minimal möglichen Materialmenge erstellt werden. Das gilt übrigens nicht nur für Konsumgüter. Im Automobilbereich setzt das gesamte F1-Starterfeld beim Prototyping von Aerodynamikteilen auf Resin-3D-Druck.
Das heißt jedoch nicht, dass die Technologien nicht auch zur Herstellung von Endprodukten genutzt werden. Laut Untersuchungen von Fortune Insights waren 36.3% aller 3D-Druck-Anwendungen im vergangenen Jahr tatsächlich „produktionsbezogen“. Diese Zahl spiegelt das Wachstum der Technologie in Branchen wie der Medizintechnik wider, wo die Einführung silikonähnlicher Materialien ihr neue Möglichkeiten eröffnet.
Additive Fertigung bleibt außerdem ein beliebtes Mittel, um in kleinen Stückzahlen Bauteile mit sehr spezifischen Eigenschaften herzustellen, etwa in der Luft- und Raumfahrt. Gemeinsam nutzen NASA, die ESA und private Unternehmen wie ICON die Technologie, um unglaublich einzigartige Konstruktionen zu schaffen – von Raketentriebwerks-Brennkammern und Teilen für Weltraumteleskope bis hin zu Simulationen von Lebensumgebungen auf dem Mars.
Ein weiterer großer Trend im 3D-Druck ist die Anwendung der Technologie im Bauwesen. Aber was genau ist ein 3D-gedrucktes Haus? Die Mehrheit der Beton-3D-Drucker funktioniert sehr ähnlich wie Desktop-FFF-Systeme, nur eben in größerem Maßstab. Indem Material aus riesigen Düsen in konzentrischen Mustern aufgetragen wird, haben diese Maschinen bereits ganze mehrstöckige Gebäude geschaffen.
Allerdings ist die Technologie in der Bauindustrie noch nicht reguliert, und es bleibt abzuwarten, wie lange diese Häuser und andere Strukturen (mitsamt Schichtlinien und allem) halten werden.
Es ist auch erwähnenswert, dass 3D-Druck zwar in der Fertigung weiterhin Fortschritte macht, dort traditionelle Technologien aber in absehbarer Zeit wohl kaum verdrängen wird. Das liegt vor allem am Durchsatz, denn trotz Projekten wie BMWs IDAM-Initiative, die die Marke von 50,000 Teilen pro Jahr früher im Jahr 2023 erreicht hat, bleibt die Vorstellung von Druckserien in Millionenhöhe unrealistisch.
Was wird für 3D-Druck benötigt
Wenn man Produktionsanwendungen außen vor lässt, die naturgemäß mehr von den Nutzern verlangen, war es noch nie so einfach, einen 3D-Drucker zu kaufen und zu Hause oder im Büro eigene Modelle zu erstellen. Wenn Sie jedoch einsteigen möchten, was genau brauchen Sie dafür zunächst?
Zuallererst benötigen Sie etwas Platz. Die meisten Desktop-3D-Drucker tragen ihren Namen zu Recht – sie sind klein genug, um auf einen Schreibtisch oder eine Werkbank zu passen. Einige sind jedoch größer als andere, daher lohnt es sich, vor der Investition in ein System zu wissen, wie viel Raum Ihnen zur Verfügung steht. Wenn Sie mit Resin-3D-Druck anfangen, müssen Sie außerdem auf Belüftung achten und beim Umgang mit Materialien Handschuhe tragen. Stellen Sie also sicher, dass Sie vor dem Start über die erforderliche Schutzausrüstung verfügen.
Sobald Sie einen geeigneten Platz eingerichtet haben, müssen Sie entscheiden, mit welcher Technologie Sie drucken möchten. Natürlich ist es unwahrscheinlich, dass Sie als Einsteiger gleich in einige der anspruchsvolleren oben beschriebenen Anwendungen einsteigen. Stattdessen ist es wahrscheinlich am besten, zunächst Ihre Fähigkeiten zu verbessern, indem Sie kleinere Objektdesigns drucken, die andere auf Websites wie Thingiverse teilen.
Apropos digitale Inhalte: Sie müssen auch einen Slicer herunterladen – ein Programm, mit dem Sie den Druckprozess über eine Reihe digital übermittelter Anweisungen steuern können, die als „G-code“ bekannt sind.
Einige 3D-Druckerhersteller bieten spezielle Slicer wie PrusaSlicer und ideaMaker an, aber es gibt auch großartige Alternativen von Drittanbietern. Von Freeware wie Cura bis hin zu kostenpflichtigen Versionen mit zusätzlichen Funktionen gibt es für jeden den passenden Slicer. Es ist jedoch erwähnenswert, dass nur einige davon für Resin-3D-Druck ausgelegt sind, prüfen Sie das also vor dem Kauf.
Und zuletzt: Nachdem Sie Ihren Drucker und Ihre Slicing-Software installiert haben, stellen Sie einfach sicher, dass Sie genug Material haben, um Ihren Druck fertigzustellen (es gibt nichts Schlimmeres, als wenn mitten im Druck das Material ausgeht), dann kann es losgehen!
