Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Gegenstände durch das schichtweise Auftragen eines Materials hergestellt. Dieser Vorgang wird durch sogenannte 3D-Drucker vollzogen. Der rasante Fortschritt im Bereich der Informationstechnologien und Konstruktionstechnik haben die Entwicklung von immer raffinierteren und präziseren 3D-Druckern ermöglicht. Die zu druckenden Gegenstände müssen vorher als Computermodell dem 3D-Drucker zur Verfügung gestellt werden.
Es gibt viele unterschiedliche Varianten, wie ein 3D-Druck funktioniert. Alle haben aber gemein, dass der Gegenstand durch reines „Materialauftrag“, und nicht durch „Materialabtrag“ erzeugt wird.
Der Unterschied ist der, dass beim Materialauftrag die Form des Gegenstands von Null aus erzeugt wird. Beim Materialabtrag hingegen, wird die Form durch Veränderung eines Gegenstands erreicht, wie es z.B. bei der Holzschnitzerei der Fall ist.
Eine Gemeinsamkeit der verschiedenen 3D-Druckvarianten ist, dass eine digitale Datei vorhanden sein muss, die dem Drucker angibt, was zu drucken ist. Das ist aber bei gewöhnlichen 2D-Druckern auch der Fall.
Diese Dateien werden CAD-Dateien genannt. CAD steht für „Computer-Aided Design“, zu Deutsch computergestütztes Konstruieren. Diese Dateien werden entweder mit Modellierungssoftware an einem Computer erstellt oder mit Scannern bzw. speziellen Kameras erzeugt.
Die Varianten des 3D-Drucks unterscheiden sich zum einen im Material und damit verbunden, wie Robust das Ergebnis ist. Zum anderen gibt es Unterschiede in der Geschwindigkeit des Druckprozesses, in den Kosten der Geräte und der Materialien.
Die verwendeten Materialien lassen sich grob in folgende Kategorien unterteilen: Polymere (Kunststoffe), Metalle, Keramik. Dieser Faktor beeinflusst den Rest des Druckvorgangs am meisten. Denn zum einen sind die Materialien natürlich alle unterschiedlich bearbeitbar und zum anderen haben sie unterschiedliche Einsatzgebiete.
Die Funktionsweise folgt diesem Schema: Zuerst muss ein digitales Modell vom zu druckenden Gegenstand existieren. Dann wird das Material stark erhitzt und zum Schmelzen gebracht. Der 3D-Drucker bringt den Extruder, das ist im Prinzip der Druckkopf, aus dem das geschmolzene Druckmaterial rauskommt, in Position und das zu druckende Objekt wird von unten nach oben Schicht für Schicht gedruckt.
Die 3D-Druck-Technologie hat sehr viele Anwendungsbereiche. Beinahe in jedem Bereich kann es zum Einsatz kommen. Mit der weiteren Entwicklung wird es voraussichtlich auch immer mehr Anwendungsgebiete geben und unser Leben stark beeinflussen.
In der (Schwer-)Industrie wird der 3D-Druck wohl am meisten verwendet. Zum einen wird es benutzt, um Prototypen zu erstellen. Im Maschinenbau oder in der Automobilindustrie werden z.B. mittels 3D-Druck zuerst Prototypen gedruckt und mit diesen gearbeitet. Erst wenn das Design vollendet ist, geht es dann in die Massenproduktion. In der Verpackungsindustrie hingegen, wird 3D-Druck auch in der Serienfertigung eingesetzt.
In der Medizin- und Zahntechnik werden zum einen Modelle von Körperteilen erstellt, um die menschliche Anatomie besser erklären zu können. Diese Modelle werden dann z.B. an Universitäten bei der Ausbildung von Ärzten benutzt oder in Arztpraxen verwendet, um den Patienten etwas Bestimmtes zu erklären. Es werden aber auch Prothesen oder Gebisse entwickelt. Diese werden zuvor modelliert, im Falle von Gebissen z.B. durch Abdrücke, und dann präzise hergestellt.
Ein Faktor für die Wissenschaft sind die Kosten, die für ein wissenschaftliches Projekt anfallen. Es kommt häufig vor, dass ein Großteil der Kosten nur für teure Modelle verloren gehen. Mit Hilfe des 3D-Druckes ist die Herstellung von Modellen günstiger geworden und somit wird 3D-Druck auch in wissenschaftlichen Laboren verwendet und trägt zum wissenschaftlichen Fortschritt bei.
Künstler verwenden 3D-Druck, um Kunstobjekte herzustellen. Bildhauer z.B. können so viel einfacher ihre gewünschten Objekte in der Form erstellen, in der sie es geplant hatten. Ein Kunstobjekt manuell aus einem Stein zu meißeln verlangt hingegen Geschick und dauert auch länger. So kann sich der Künstler gänzlich seiner Kreativität und seiner Fantasie widmen.
Ganz egal welches Verfahren beim 3D-Druck verwendet wird, es wird ein digitales Modell benötigt, welches dem Drucker zur Verfügung stehen muss. Mit dieser Datei weiß der Drucker, wie er drucken muss. Es gibt hauptsächlich die zwei Möglichkeiten: CAD-Software und 3D-Scannen um diese Dateien erstellen zu können.
Selbstverständlich können beide Möglichkeiten ein Objekt zu modellieren auch gemeinsam verwendet werden. Ein Objekt kann z.B. mittels eines 3D-Scanners modelliert werden und das Modell dann mit einer CAD-Software weiterbearbeitet werden. Das kann dann von Vorteil sein, wenn ein Objekt weiterentwickelt werden soll.
Die eine Möglichkeit ist es, mit Hilfe einer Software ein 3D-Modell zu erstellen. Es gibt eine Vielzahl von Software, die dabei in Frage kommen. Dabei gibt es sowohl freie, kostenlose, sowie kommerzielle, also kostenpflichtige Software. Der Vorteil von kommerzieller Software ist, dass es in vielen Fällen mehr Funktionalitäten bietet und es bei Problemen einen professionellen Support gibt, wohingegen bei freier Software niemand dazu verpflichtet ist bei Problemen zu helfen. Bei gängiger freier Software jedoch gibt es meist große Communitys, die bei Problemen gerne helfen. Die Software zur 3D-Modellierung wird auch CAD-Software genannt. CAD steht für Computer-Aided Design, also computergestütztes Konstruieren. Ähnlich wie Bildbearbeitungsprogramme sind CAD-Programme sehr komplex und haben eine steile Lernkurve, weshalb das Modellieren von komplexen Objekten lieber von Profis gemacht werden sollte. Ähnlich wie bei Bildbearbeitungsprogrammen können aber einfache Aufgaben auch von Anfängern umgesetzt werden.
Heutzutage wird CAD-Software in vielen Bereichen eingesetzt. In der Industrie wird es verwendet, um die Bauteile von Produkten, wie z.B. Motoren zu modellieren, zu entwerfen bzw. digital zu konstruieren. Dadurch können technische Zeichnungen erstellt werden oder die Bauteile können einer Simulation unterzogen werden, um ihre Funktionstauglichkeit zu testen.
Es gibt unterschiedliche Arten wie ein Modell in einer Software repräsentiert werden kann. Hier eine Auswahl:
Eine zweite Möglichkeit ein Objekt zu modellieren ist ein Objekt, das in der Realität vorhanden ist zu scannen. Dies kann inzwischen mit normalen Fotokameras erfolgen, erfolgreicher sind jedoch dafür vorgesehene 3D-Scanner. Die Variante mit den Fotokameras funktioniert mit Hilfe von unterstützender Software. Dabei muss das zu modellierende Objekt aus unterschiedlichen Positionen einmal fotografiert werden. Die Software setzt diese Bilder dann zu einem 3D-Modell zusammen. Eine Weiterentwicklung dieser Methode ist die Verwendung von Drohnen. Manche Drohnen können sogar so programmiert werden, dass sie die dafür nötigen Fotos aus unterschiedlichen Winkeln mit hoher Präzision erstellen können. Ein weiterer Vorteil bei Drohnen ist, dass auch sehr große Objekte, wie z.B. Gebäude, mit wenig Aufwand modelliert werden können. Die etwas herkömmlichere Methode ist die Verwendung von 3D-Scannern. Diese arbeiten meistens mit einem Laser und tasten so das Objekt ab. Dabei muss der Scanner oft an unterschiedliche Positionen platziert werden, damit das Objekt korrekt und genau modelliert werden kann. Diese Variante wird eher im professionellem Bereich durchgeführt, da unter anderem diese 3D-Scanner recht teuer sind.
In diesem Verfahren werden Kunststoffe, Glas oder Keramik in Form von Pulver in Verbindung mit Klebstoff verwendet. Als Extruder dient ein Druckkopf mit mehreren Düsen. Aus den verschiedenen Düsen kommen Klebstoffe und verschiedene Pulversorten heraus, wodurch bei dieser Variante das zu druckende Objekt in unterschiedlichen Farben gedruckt werden kann. Dadurch kann der nächste Schritt, das einfärben des Objekts, eingespart werden. Das Objekt wird von unten nach oben Schicht für Schicht „gedruckt“. Nach jeder Pulverschicht kommt eine Klebschicht. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens ist, dass bei überhängenden Teilen des Objekts keine Stütze verwendet bzw. gedruckt werden muss. Dies ist bei anderen Verfahren wichtig, da die Objekte ihre Form erst dann tragen können, wenn sie abgekühlt sind. Ist der Druckvorgang beendet, kann die Stabilität und Feuchtigkeitsresistenz des Objekts erhöht werden, indem es in eine spezielle Flüssigkeit getaucht wird.
Dieses Verfahren ist womöglich das gängigste, da es zum einen relativ günstig und einfach ist und zum anderen im privaten Gebrauch weit verbreitet ist. Die hier eingesetzten Materialien sind meistens Kunststoffe in fester Form, die dann geschmolzen und in flüssiger Form durch die Extruder auf die Druckplatte gebracht werden. Auf diese Art werden feine Fäden gezogen und das Objekt von unten nach oben Schicht für Schicht aufgebaut. Da das Material aber im heißen Zustand noch dickflüssig ist, brauchen überhängende Teile des Objekts eine Stütze. Hat der Extruder mehrere Düsen, kann auch hier mehrfarbig gedruckt werden oder die Stützen können parallel zu dem Objekt gedruckt werden. Ist das Material abgekühlt, können die Stützen entfernt und bei Bedarf das Objekt weiterbearbeitet werden.
Bei diesem Verfahren kommen als Material Kunststoffe in Frage. Das Material liegt als Pulver vor. Das digitale Modell des Objekts muss in vertikalen Schichten unterteilt werden. Zunächst wird eine Schicht Pulver gestreut. Dann wird mit Hilfe eines Lasers die unterste Schicht des Modells nachgezeichnet. Der Laser erhitzt das Pulver, wodurch der Pulver an der bestimmten Stelle sich verbindet und verfestigt. Dieser Prozess wird sintern genannt. Dann kommt die nächste Pulverschicht darauf und auf die gleiche Art wird die zweite Schicht entlang des Modells verfestigt. Am Ende gibt es einen Behälter, der mit Pulver gefüllt ist. In diesem Pulver befindet sich auch das fertiggestellte Objekt. Das Pulver kann, da es nicht fest ist, entfernt werden und übrig bleibt das gedruckte Objekt. Das Pulver kann dabei bei den nächsten Durchgängen wieder als Druckmaterial verwendet werden. Dieses Verfahren ist durch die Arbeit mit Pulver und Laser sehr genau und je nach Material auch sehr robust und temperaturbeständig, dafür aber teuer, da unter Anderem das Gerät mit einem starken Laser ausgestattet werden muss. Aus diesem Grund kommt es eher in industriellen Bereichen zum Einsatz.
Wie der Name verrät wird bei diesem Verfahren ein Metall als Material verwendet. Es muss als Pulver vorliegen. Das digitale Modell des Objekts muss in vertikalen Schichten unterteilt werden. Zunächst wird eine Schicht Pulver gestreut. Dann wird mit Hilfe eines Lasers die unterste Schicht des Modells nachgezeichnet. Der Laser erhitzt das Pulver, wodurch das Pulver an der bestimmten Stelle sich verbindet und verfestigt. Dieser Prozess wird Sintern genannt. Dann kommt die nächste Pulverschicht darauf und auf die gleiche Art wird die zweite Schicht entlang des Modells verfestigt. Am Ende gibt es einen Behälter, der mit Pulver gefüllt ist. In diesem Pulver befindet sich auch das fertiggestellte Objekt. Das Pulver kann, da es nicht fest ist entfernt werden und übrig bleibt das gedruckte Objekt. Das Pulver kann dabei bei den nächsten Durchgängen wieder als Druckmaterial verwendet werden. Dieses Verfahren ist durch die Arbeit mit Pulver und Laser sehr genau und je nach Material auch sehr robust und temperaturbeständig, dafür aber teuer, da unter Anderem das Gerät mit einem starken Laser ausgestattet werden muss. Aus diesem Grund kommt es eher in industriellen Bereichen zum Einsatz.
Der Hauptunterschied ist das Material. Beim SLS wird ein Kunststoff in Pulverform und beim Selective Laser Melting (SLM) / Metallsintern ein Metall in Pulverform verwendet. Beim Selektive Laser Sintering (SLS) / Lasersintern wird das Material nur soweit erhitzt, dass es sich verbindet. Beim Selective Laser Melting (SLM) / Metallsintern hingegen wird das Metall vollständig eingeschmolzen, sodass es sich auf molekularer Ebene vollständig verbindet. Dadurch ist das Ergebnis wesentlich stabiler, da beim Selektive Laser Sintering (SLS) / Lasersintern eine gewisse Porosität entsteht. Dafür muss das Pulver beim Selective Laser Melting (SLM) / Metallsintern aber komplett aus dem gleichen Material bestehen, da die Schmelztemperaturen, sowie die Dichte der Metalle eine große Rolle beim Schmelzvorgang spielen. Beim Selektive Laser Sintering (SLS) / Lasersintern kann der Pulver aus unterschiedlichen Kunststoffen bestehen. Das kommt bei Legierungen zum Einsatz, da diese aus mehreren Schichten mit unterschiedlichen Materialien bestehen.
Hierbei wird ein Becken mit einem flüssigen Kunststoff gefüllt. Das digitale Modell muss in Schichten aufgeteilt werden. Ein Laser zeichnet Schicht für Schicht das Modell nach. Durch die Berührung des Lasers mit dem flüssigen Kunststoff wird es erhitzt und verfestigt sich. Auf diese Art wird Schicht für Schicht das Objekt von unten nach oben aufgebaut. Am Ende muss das festgewordene gedruckte Objekt aus dem mit flüssigen Kunststoff gefülltem Behälter rausgenommen werden. Bei diesem Verfahren werden für überhängende Teile keine Stützen benötigt, da der Stoff zum einen selber schnell fest wird und zum anderen durch den flüssigen Kunststoff gestützt wird, bis es fest wird. Im Anschluss sollte das Objekt gesäubert werden, z.B. durch ein Alkoholbad, um den restlichen flüssigen Kunststoff, der sich an der Oberfläche des Objekts angeheftet hat zu entfernen. Durch den Einsatz des Lasers und des aufwändigen Prozesses ist dieser Vorgang eher in industriellen Fertigungen verbreitet.
Ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker sind am Extruder Düsen angebracht. Durch die unterschiedlichen Drüsen können unterschiedliche flüssige Kunststoffe durchgepresst werden, um ein Objekt mit mehreren Farben zu drucken. Eine weitere Düse hat einen etwas schneller härtenden flüssigen Kunststoff, der als Stütze für überhängende Teile dient. Dieser Kunststoff ist nicht so fein, wie das eigentliche Material mit dem gedruckt wird. Schicht für Schicht wird so das Objekt von unten nach oben gedruckt. Nach jeder Schicht wird mittels UV-Licht, das am Extruder befestigt ist, das flüssige Kunststoff verfestigt (polymerisiert). Im Anschluss müssen die Stützen entfernt werden.
Bei diesem Verfahren kommen als Material alle Stoffe in Frage, die mit dem bei diesem Verfahren verwendetem Kleber verklebt werden können. Dazu zählen neben Kunststoffen auch Lebensmittel oder Pharmazeutika. Das Material liegt als Pulver vor. Das digitale Modell des Objekts muss in vertikalen Schichten unterteilt werden. Zunächst wird eine Schicht Pulver gestreut. Dann wird durch die Düsen am Extruder an den Stellen ein besonderer Klebstoff abgesondert, an denen laut Schicht des Modells das Objekt fest sein soll. Dann kommt die nächste Pulverschicht rauf und auf die gleiche Art wird die zweite Schicht entlang des Modells verfestigt. Am Ende gibt es einen Behälter, der mit Pulver gefüllt ist. In diesem Pulver befindet sich auch das fertiggestellte Objekt. Das Pulver kann, da es nicht fest ist entfernt werden und übrig bleibt das gedruckte Objekt. Das Pulver kann dabei bei den nächsten Durchgängen wieder als Druckmaterial verwendet werden.
