Welche Arten von 3D-Druckern gibt es, was können sie, und wie um alles in der Welt findet man sich im Meer der Abkürzungen zurecht, die all die unterschiedlichen Typen definieren? Wenn Ihnen mindestens eine dieser Fragen jemals durch den Kopf gegangen ist, machen Sie sich eine Tasse Kaffee und machen Sie es sich bequem – wir erklären Ihnen alles.
All die 3D-Druck-Akronyme mögen ziemlich weitreichend und umfangreich erscheinen, aber tatsächlich stehen sie für eine Reihe von Schlüsseltechnologien, die alle unter denselben 3D-Druck-Schirm fallen. Diese Technologien sind die Verfahren, mit denen wir die heute existierenden 3D-Drucker kategorisieren. Dieser Artikel ist unser Versuch, insgesamt sieben wichtige 3D-Druckverfahren zu betrachten, die im Standard ISO/ASTM 52900 festgelegt sind.
Beginnen wir mit einer Liste der sieben bekanntesten Varianten des 3D-Druckprozesses und der Technologietypen, die unter jede Kategorie fallen:
- Photopolymerisation im Harzbad
– SLA
– DLP
– CLIP - Material Jetting
- Binder Jetting
- Materialextrusion
– FDM - Pulverbettfusion
– SLS
– DMLS / SLM
– MJF
– EBM - Schichtlaminierung
- Gerichtete Energieabscheidung
Einfach, oder? Keine Sorge, wenn nicht – gehen wir ins Detail.
Harzbad-Polymerisation
Auch als Harz-3D-Druck bekannt, ist die Harzbad-Polymerisation eine Technologie, die eine Gruppe von 3D-Druckverfahren umfasst, die eine Lichtquelle nutzen, um Photopolymerharz selektiv zu härten. Dabei wird ein flüssiges Polymer in ein Harzbad gegeben, und dann trifft Licht auf einen bestimmten Punkt oder Bereich davon, um das Material auszuhärten, bis es fest wird. Dies geschieht Schicht für Schicht: Sobald eine Schicht verfestigt ist, bewegt sich die Bauplattform des Druckers, um die nächste zu erzeugen. Die Photopolymerisation im Harzbad ist gewissermaßen eine Familie von 3D-Drucktechnologien, die auf der Stereolithografie (SLA) basieren; zu ihren Mitgliedern gehören Digital Light Processing (DLP) und Continuous Liquid Interface Production (CLIP). Der wesentliche Unterschied zwischen all diesen Arten des 3D-Drucks ist die Lichtquelle – abhängig davon, wie sie zum Aushärten des Harzes eingesetzt wird, haben viele Marken in der Branche eine vielfältige Reihe von Versionen der Harzbad-Polymerisation entwickelt und patentiert.
- SLA ist ein Dinosaurier der Technikwelt, älter als das eigentliche Internet: Die allererste 3D-Drucktechnologie geht auf Chuck Hulls Erfindung im Jahr 1986 zurück, und sie ist wohl bis heute die bekannteste 3D-Drucktechnologie geblieben. In einem SLA-Drucker bewegen sich Laserstrahlen über ein Harzbad mit Polymer und härten das Harz durch den Boden des Beckens selektiv aus. Wenn eine Schicht aushärtet, bewegt sie sich nach oben, um Platz für die nächste flüssige Schicht zu schaffen, die verfestigt wird.
SLA-3D-Drucker hebt eine 3d-gedruckte Nachbildung einer gotischen Kathedrale aus klarem UV-Harz an. Bildquelle: shutterstock
- DLP ist eine weitere Modifikation der historischen 3D-Drucktechnologie, jedoch mit ihren eigenen
einzigartigen Merkmalen. Anstelle eines Laserstrahls verwendet DLP einen digitalen Lichtprojektor, um das Bild der Schicht zu projizieren und die Punkte der Schicht auf einmal auszuhärten. Der digitale Lichtprojektor ist tatsächlich ein Bildschirm, daher ein kurzer, unterhaltsamer Fakt: Während das Bild jeder Schicht aus Pixeln besteht, besteht eine 3D-Schicht aus winzigen Würfeln, die Voxel genannt werden. - CLIP ist ein 3D-Druckverfahren, das von EiPi Systems stammt und dann von Carbon 3D als proprietäre Technologie weiterentwickelt wurde. Auch bei CLIP geht es darum, ein flüssiges Photopolymer in einem Harzbad zu verfestigen, aus dem dann Schicht für Schicht ein 3D-Festkörper mit glatten Seiten entsteht. Diesmal jedoch geht das ultraviolette Licht durch einen transparenten Teil des Beckens. Der Hauptunterschied zu den anderen Druckarten besteht darin, dass dieser Prozess kontinuierlich ist.
Die DLP-Technologie nutzt einen digitalen Mikrospiegelchip, der auch in einigen kommerziellen Filmprojektoren verwendet wird. Bildquelle: Youtube – https://youtu.be/97ARLiTHjX0?t=596
Material Jetting
Unzählige winzige Harztropfen werden auf eine Bauplatte gesprüht und mit UV-Licht Schicht für Schicht ausgehärtet, bis das Objekt aufgebaut ist. Material Jetting ist eine neuere 3D-Drucktechnologie, die manchmal mit dem üblichen 2D-Tintenstrahldruck verglichen wird: Damit das Polymer dem Licht ausgesetzt werden kann, wird es in Form von Mini-Tropfen aus separaten Druckköpfen aufgetragen, wodurch sich Materialien kombinieren und Objekte in verschiedenen Farben erzeugen lassen. Einfach gesagt können Sie bei einem M-Jet-3D-Drucker jedes Material in einem einzelnen Druckkopf speichern und seine Partikel separat ausbringen.
Binder Jetting
Der Schlüssel zu diesem 3D-Druckverfahren ist ein flüssiges Bindemittel. Es wird selektiv auf eine Pulverschicht aufgebracht, die aus Metall-, Keramik-, Sand- oder Verbundkörnern bestehen kann. Beim Binder Jetting bewegt sich ein Druckkopf über das Pulver und gibt ein Bindemittel ab, um die Pulverkörner zusammenzukleben – ganz ohne Wärme! In gewisser Weise ist dieses Verfahren eine Kombination aus Material Jetting und Pulverbettfusion. Ein großer Vorteil dieser 3D-Drucktechnologie ist die hohe Auflösung, die sich erreichen lässt: Die Bindetropfen haben einen Durchmesser von nur 80 Mikrometern, und wenn eine dünne Schicht fertig ist, senkt sich das Pulverbett ein kleines Stück ab, sodass die präzisen Bereiche der nächsten Schicht mit einem Bindemittel bedeckt werden können. Das wird immer wieder wiederholt, bis das Bauteil fertig ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass Sie das verbleibende Pulver sammeln und verwenden können!
Materialextrusion
Der Name dieses 3D-Druckverfahrens spricht für sich: Um ein festes Objekt herzustellen, presst man thermoplastisches Material durch eine beheizte Düse. Das Filament schmilzt typischerweise beim Durchlaufen des Druckerextruders, der einem bestimmten, softwaredefinierten Pfad folgt und das Material auf eine beheizte Bauplattform aufträgt. Sobald das Material abgelegt ist, kühlt es ab und härtet aus, und die Schicht ist bereit dafür, dass die nächste auf ihr aufgebaut wird. Das Materialextrusionsverfahren gilt als recht geradliniger Prozess und bietet dennoch die vielfältigste Bandbreite an Materialien, mit denen sich arbeiten lässt – von Kunststoffen und Metallen bis hin zu Biogelen.
Fused Deposition Modeling
FDM (Fused Deposition Modeling) ist die Bezeichnung für eine weit verbreitete Materialextrusionstechnologie, die ursprünglich als Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt war. In den 90er-Jahren von Stratasys kommerzialisiert, wurde FDM jedoch zum gemeinsamen Erbe von 3D-Druck-Enthusiasten auf der ganzen Welt, sobald das Patent auslief. Die günstigste Technologie auf dem Markt diente ironischerweise als Sprungbrett für die milliardenschwere Industrie. Dennoch ist FDM weiterhin etwas, das für viele zugänglich ist – von 3D-Geeks über Lehrkräfte bis hin zu Industrieprofis: Alles, was Sie brauchen, ist ein 3D-Modell, das in Anweisungen umgewandelt wird, denen Ihr FDM-3D-Drucker folgen kann. Daher gibt es diese in einer großen Vielfalt: von einfachen Geräten bis hin zu komplexen Maschinen. Die Technologie, die den Prozess antreibt, ist bei Druckern jeder Komplexität dieselbe: Das Filament wird durch eine beheizte Druckerdüse nach einem bestimmten Muster auf eine Bauplattform geführt. Das erhitzte Material schmilzt und wird haftend, wodurch jede nächste Schicht an der anderen haften und ein festes Objekt bilden kann.
FDM-3D-Drucker in Nahaufnahme während des Drucks. Bildquelle: shutterstock
Pulverbettfusion
3D-Drucker mit Pulverbettfusion verwenden eine thermische Energiequelle, um Kunststoff-, Metall- oder Keramikpulverpartikel selektiv zu verschmelzen. Hier sind einige Varianten von PBF, die einen Blick wert sind.
- SLS steht für Selective Laser Sintering und umfasst das Erhitzen eines Polymerpulvers, das Auftragen auf eine Plattform und das selektive Sintern mit einem CO2-Laserstrahl. Der Laser tastet die Oberfläche des Pulvers ab und härtet den Querschnitt auf einmal aus, dann bewegt sich die Bauplattform eine Schicht nach unten. Die Klinge des Druckers beschichtet die Plattform erneut mit einer neuen Pulverschicht, der Querschnitt wird erneut abgetastet, wodurch eine weitere verfestigte Schicht entsteht. Am Ende des Prozesses wird das Objekt typischerweise gereinigt und abgebürstet. SLS-3D-Drucker unterscheiden sich in Größe, Leistung und Anzahl der Laser, die sie besitzen, und verwenden am häufigsten Nylon als Druckmaterial.
- DMLS (Direct Metal Laser Sintering) und SLM-Drucker (Selective Laser Melting) haben dasselbe Funktionsprinzip: Sie erhitzen bzw. schmelzen Metallpulver, um feste Teile zu formen. Während DMLS-Drucker verschiedene Legierungen erhitzen und sintern, schmelzen SLM-Maschinen Pulver aus Aluminium, Stahl oder Kobaltchrom.
Mechanisches Detail bei der 3D-Herstellung unter Verwendung von Metallpulver. Bildquelle: shutterstock
- MJF oder Multi-Jet-Fusion-3D-Drucker arbeiten mit den Schichten, solange diese noch geschmolzen sind: Das heißt, anstatt eine neue Schicht auf eine feste aufzubringen, tragen sie eine neue Portion eines Agens auf, um sie durch Erhitzen mit einer vorherigen Schicht zu verschmelzen. MJF-Drucker erzeugen tendenziell glattere Teile, da das Pulverbett in den Endphasen zu einer Verarbeitungsstation gebracht wird, wo integriertes Vakuum das lose Pulver entfernt.
- EBM-3D-Drucktechnologie nutzt Elektronen, um Metallpulverkörner zu verschmelzen. Der Hauptunterschied zwischen SLS- und EBM-3D-Druckern besteht darin, dass Letztere anstelle eines Laserstrahls einen Elektronenstrahl als Energiequelle zum Verschmelzen von Metallen verwenden. Diese Methode funktioniert am besten mit Zirkonium oder Titan (oder anderen leitfähigen Materialien).
Schichtlaminierung
Die überraschendste Kategorie unter allen 3D-Drucktechnologien, die Schichtlaminierung, besteht technisch darin, dünne Materialschichten (das können klebstoffbeschichtetes Papier, Metall- oder Kunststofflaminate sein) übereinanderzustapeln und sie dann zu laminieren, um durch Schneiden – sei es mit einem Laser oder mechanisch – eine bestimmte Form zu erzeugen. Die Maschinen für dieses Verfahren geben Ihnen die Freiheit zu experimentieren, obwohl diese Technologie zwei wesentliche Nachteile hat: viel Abfall und höhere Kosten im Vergleich zu anderen Arten von 3D-Druckgeräten.
Gerichtete Energieabscheidung
DED-3D-Drucker sind riesige professionelle Geräte, die mit Metallen arbeiten, um große Teile zu reparieren oder zu ersetzen. Es handelt sich um eine vielfältige und komplexe Technologie, die in industriellen Anwendungen weit verbreitet ist und in zahlreiche Unterkategorien fällt – diese hängen meist von den verwendeten Energiequellen und Materialien ab. Einige gängige Typen dieses Verfahrens, von denen Sie vielleicht gehört haben, sind Direct Metal Deposition (DMD), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laser Deposition Welding (LDW), Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) und 3D-Laserauftragsschweißen. Bei einem DED-Prozess werden Metalle auf jede Weise außer durch Extrusion abgeschieden und gleichzeitig durch eine der verschiedenen Energiearten verschmolzen: hohe Temperaturen, Laser- oder Elektronenstrahlen, Überschallgeschwindigkeit und mehr. DED-3D-Druck ist oft der erste Schritt vor der CNC-Bearbeitung.
Fazit
Dieser Leitfaden wird sich natürlich zusammen mit der 3D-Druckindustrie weiterentwickeln, und dies ist nur eine grundlegende Kategorisierung der sieben gebräuchlichsten 3D-Drucktechnologien. In einer Welt, in der praktisch alles – von Schmuck über Industrieteile bis hin zu Lebensmitteln – 3D-gedruckt werden kann, ist es gut, sich der wichtigsten Technologien hinter den erstaunlichen Maschinen bewusst zu sein, die das möglich machen.
Wir hoffen also, dass dies ein guter Einstieg war, um Sie auf den neuesten Stand zu bringen und Ihnen zu helfen, sich auf dem sich rasant entwickelnden 3D-Druckmarkt zurechtzufinden!
