3D-Druck – eine Einfährung

Ist 3D-Druck einfach ein Hype oder eine neue ­Technologie, welche dauerhaft die Welt verändern wird? Wir zeigen, was hinter dem dreidimensionalen Drucken steht und wie ­es funktioniert.

Der Begriff 3D-Druck umfasst eine Vielzahl von Prozessen und Technologien, die ein breites Spektrum an Möglichkeiten zur Herstellung von Teilen und Produkten aus verschiedenen Materialien bieten. ­Allen 3D-Druck-Verfahren ist im Wesentlichen gemein, dass die Produktion Schicht für Schicht in einem additiven Prozess (Additive Manufacturing) abläuft, was im Gegensatz zu traditionellen Produktionsverfahren wie Formen und Giessen steht. In den letzten Jahren hat sich der 3D-Druck nicht nur für industrielles Prototyping etabliert, ­sondern die Technologie ist auch für kleine Firmen und sogar Einzelpersonen zugänglicher geworden. Einst die Domäne grosser, multinationaler Unternehmen, können heute kleinere 3D-Drucker für wenig Geld erworben werden. Dies hat die Technologie einem breiteren Publikum zugänglich gemacht und es entstehen immer mehr Systeme, druckbare Materialien, Dienstleistungen und Zubehörteile.

Vom digitalen Modell zum realen Objekt

Ausgangspunkt für jeden 3D-Druckprozess ist ein digitales 3D-Modell, das mit einer Vielzahl von 3D-Softwareprogrammen (3D-CAD) oder mit einem 3D-Scanner erstellt werden kann. Anschliessend wird das Modell in Schichten aufgeteilt, wodurch das Design in eine Datei umgewandelt wird, die auf dem 3D-Drucker lesbar ist. Das vom 3D-Drucker aufzubringende Material wird schliesslich entsprechend der Konstruktion und des Prozesses geschichtet. Funktionale Kunststoffe, Metalle, Keramiken und Sand werden heute für den industriellen Prototypenbau und die Produktion eingesetzt. Es wird auch an 3D-Druckern für Biomaterialien und verschiedene Lebensmittel geforscht. Auf dem Einsteigerniveau sind die Materialien jedoch in der Regel begrenzter. Kunststoff ist derzeit das einzige weit verbreitete Material, es gibt aber eine wachsende Anzahl von ­Alternativen, einschliesslich Nylon.

Vielfältige Verfahren

Die unzähligen Arten von 3D-Druckern verwenden jeweils unterschiedliche Technologien und verarbeiten Materialien auf ihre eigene Weise. Eine einheitliche Lösung gibt es dabei nicht. Beispielsweise verarbeiten einige 3D-Drucker pulverförmige Materialien (Nylon, Kunststoff, Keramik, Metall) und nutzen eine Wärmequelle, um ­Schichten des Pulvers in der definierten Form zu festigen. Andere verwenden Polymerharz und einen Laser, um das Harz in ultradünnen Schichten zu härten. Das Auftragen feiner Tröpfchen ist ein weiteres 3D-Druckverfahren, das an den 2D-Inkjetdruck erinnert, dies geschieht aber mit anderen Tinten und einem Bindemittel zur Fixierung der Schichten. Beim vielleicht häufigsten Verfahren werden Kunststofffilamente (PLA oder ABS) durch einen beheizten Extruder (Kopf, der einen fortlaufenden Strang presst) geschleust, um die Druckform schichtweise aufzubauen.

Der Einsatz von 3D-Druck

Weil sich mit dem 3D-Druck Einzelteile leicht fertigen lassen, eignet sich das Verfahren insbesondere für Prototypen und Ersatzteile. Vermehrt werden Systeme aber auch in die Produktionsabläufe diverser Branchen integriert und stellen so fliessbandmässig individualisierte Produkte und Teile her. In der Medizin findet man etwa Anwendungen zur Herstellung von Zahn­kronen, sodass der Metallguss entfällt. Weiter werden damit Hörgeräte massgeschneidert und Implantate dem jeweiligen Körper angepasst. In der Luftfahrt werden Modelle zum Testen der Aerodynamik gedruckt und in der Automobilindustrie entsteht ein neuer Markt etwa für Oldtimerbauteile und andere Ersatzteile, die nicht mehr verfügbar sind. In Kunst und Architektur helfen 3D-Scanner und -Drucker, vom Verfall bedrohte Kunstwerke und Gebäude zu erfassen, nachzubilden oder entsprechende Gussformen für die Wiederherstellung anzufertigen. Welches Potenzial 3D-Druck für die visuelle Kommunikation und die grafische Branche bietet, stellen wir im Artikel «Dreidimensionale Möglichkeiten der Kommunikation» vor.

Die unterschiedlichen 3D-Druckprozesse

Stereolithographie (SL)

Die Stereolithographie gilt als das erste kommerzielle 3D-Druckverfahren. SL ist ein laserbasiertes Verfahren, das mit Photopolymerharzen arbeitet, die mit einem Laser reagieren und aushärten. Es liefert äusserst präzise Resultate. Der Kunststoff befindet sich in einem Bad auf einer beweglichen Plattform. Ein Laserstrahl wird in den X-Y-Achsen auf die Oberfläche des Harzes gerichtet, wodurch das Harz genau dort aushärtet, wo der Laser auf die Oberfläche trifft. Nach Fertigstellung einer Schicht sinkt die Plattform innerhalb des Bottichs um einen Bruchteil und die nachfolgende Schicht wird vom Laser gehärtet. Dies geht so lange weiter, bis das gesamte Objekt fertig «aufgestellt» ist und die Plattform zur Entnahme aus dem Behälter gehoben werden kann.

Digital Light Processing (DLP)

Das Digital Light Processing ähnelt der Stereolithographie. Der Hauptunterschied liegt in der Lichtquelle. DLP verwendet eine konventionellere Lichtquelle, wie beispielsweise eine Lampe mit einem verformbaren Spiegel (DMD), die in einem Durchgang auf die gesamte Oberfläche des Behälters ausgerichtet wird. Dadurch ist der Vorgang schneller und generell mit weniger Abfall und niedrigeren Betriebskosten verbunden.

Lasersintern

Beim Lasersintern wird mit pulverförmigen Materialien gearbeitet. Der Laser fährt über ein Bett aus verdichtetem Pulvermaterial. Beim Kontakt des Lasers mit der Oberfläche des pulverförmigen Materials verschmelzen die Pulverpartikel zu einem festen Körper. Ist eine Schicht fertig, sinkt die Bauplattform schrittweise ab, das Pulverbett hebt sich und eine Walze glättet die Oberfläche des Pulverbetts. Damit wird die nachfolgende Schicht gebildet und wieder mit der vorherigen Schicht verschmolzen. Dies erfolgt in einer abgedichteten Kammer, da Temperatur und Schmelzpunkt während des Vorgangs genau geregelt sein müssen. Nach der Fertigstellung wird das überschüssige Pulver entfernt. Übrig bleibt das gedruckte Objekt. Interessant ist bei diesem Vorgehen, dass das umliegende Pulver als Stütze für überhängende Teile dient und so den Aufbau komplexer Formen ermöglicht.

Extrusion (FDM / FFF)

Die Extrusion von thermoplastischem Material ist das mit Abstand häufigste und bekannteste Verfahren. Bekannte Bezeichnungen für diesen Prozess sind Fused Deposition Modelling (FDM, patentiert von Stratasys) oder Freeform Fabrication (FFF). Dabei werden Filamente aus Kunststoff geschmolzen und über einen beheizten Extruder (Druckkopf, der kontinuierlich Material herauspresst) schichtweise auf einer Plattform aufgebracht. Jede Schicht härtet beim Austreten aus und verbindet sich mit der vorherigen Schicht. Für alle Druckobjekte mit überhängenden Teilen erfordert der Prozess Stützen. Sie werden aus wasserlöslichem Material von einem zweiten Druckkopf aufgebaut. So kann das Stützmaterial nach Abschluss des Drucks leicht weggespült oder abgetrennt werden.

Inkjet

Es gibt zwei Verfahren die ähnlich dem Inkjektdruck in der grafischen Industrie sind. Beim ersten wird eine Art Bindemittel in ein Pulverbett gesprüht und verschmilzt punktuell und schichtweise. Auch hier dient das umgebende Pulver als Träger für überhängende Objektteile. Beim zweiten Verfahren werden die Druckflüssigkeiten über mehrere Strahlköpfe aufgebracht und durch UV-Licht gehärtet. Indem die Flüssigkeiten mit Farben versetzt werden, ist es beim Inkjet-3D-Druck zudem direkt möglich, farbige Objekte zu produzieren.

Selective Deposition Lamination (SDL)

Die Selective Deposition Lamination erstellt Objekte Schicht für Schicht aus Kopierpapier. Jede neue Schicht wird mit einem Klebstoff auf der vorherigen Schicht fixiert. Dabei erhalten die Bereiche des eigentlichen Objekts eine höhere Dichte an Klebstoff, während auf die stützenden Teile weniger Klebstoff aufgebracht wird, so dass sie im Anschluss leicht entfernt werden können.

Electron Beam Melting (EBM)

Die Schmelztechnik mittels Elektronenstrahlen ermöglicht den Druck von Metall unter Vakuumbedingungen. Das Verfahren ähnelt dem Metall-Lasersintern und wird insbesondere in der Medizinaltechnik (etwa für Implantate) sowie in der Luft-, Raumfahrt- und Automobilindustrie eingesetzt.