Was ist 3D-Druck

Besonders in der eh schon innovationsfreudigen Industriebranche führt mittlerweile kaum noch ein Gespräch am 3D-Printing vorbei. Das 3D-Druck Verfahren gilt als die Zukunft der industriellen Fertigung und auch Künstler, Kreative und Bildungsinstitute haben den 3D-Drucker für sich entdeckt. Was ist 3D-Druck? Wie läuft das Verfahren ab und welche technischen Herausforderungen gilt es zu meistern? Wir möchten Sie gerne mit auf eine Reise durch die Welt der additiven Fertigung nehmen, Ihnen aktuelle 3D-Drucker vorstellen und auch einen (vorsichtigen) Blick auf die Zukunft werfen.

Was ist 3D-Druck? Begriffserläuterung 3D-Druck

In der Fachsprache wird das 3D-Drucken als „additives Fertigungsverfahren“ bezeichnet. In dem Wörtchen „additiv“, auf Deutsch in etwa „hinzufügen“, steckt das große Potential dieser Technik. Anders als bei klassischen Fertigungsverfahren wie etwa dem Drehen oder Fräsen wird beim 3D Druck kein Material von einem Ausgangskörper entfernt, sondern es wird schichtweise Material hinzugefügt, bis eine vorher definierte Form erzielt wurde! Dies ermöglicht die Herstellung von extrem komplexen, dreidimensionalen Körpern. Doch dazu später mehr.
Additive Fertigungsverfahren werden seit Jahrzehnten in der Industrie zur Herstellung von Prototypen verwendet. Doch erst in den letzten Jahren machte die Entwicklung der Technik einen solchen evolutionären Sprung, dass additive Fertigungsverfahren auch für die Realisation qualitativ anspruchsvollster Endprodukte eingesetzt werden können.

Grundlagen 3D-Druck

Grundvoraussetzung für das dreidimensionale Drucken ist immer ein am Computer generiertes Modell. Hierfür wird in einer speziellen CAD-Software (häufig werden Blender oder AutoCAD eingesetzt) das gewünschte Bauteil erstellt und in einem vordefinierten Format STL abgespeichert. Mit einer weiteren Software wird das virtuelle Modell dann in einzelne Schichten aufgeteilt. Diese Schichten können entweder alle gleich dick oder mit unterschiedlicher Stärke aufgeteilt werden. Mit diesem Schichten-Modell kann der eigentliche additive Fertigungsprozess beginnen. Mittels Maschinen wird die physische Umsetzung des virtuellen Modells durchgeführt. Hierfür wird Schicht für Schicht des Modells nacheinander aufgebaut. Falls erforderlich, wird im gleichen Produktionsschritt Stützmaterial generiert, was der Stabilisierung abstehender Teile dient. Nach Beendigung des Fertigungsprozesses erhält man ein mit dem virtuell erstellen Modell identisches, physisches Abbild.

Welche Materialien werden zum 3D Druck eingesetzt?

Prinzipiell können mit additiven Fertigungsverfahren sowohl Metalle als auch Keramiken oder Kunststoffe verarbeitet werden. Selbst Lebensmittel oder Polymer-Beton kann so in fast jede gewünschte Form gebracht werden. Für eine leichte, schnelle und vor allem preiseffektive Verarbeitung müssen die Materialien vorab allerdings in bestimmte Formen gebracht werden. Je nach Material und Ausgangsform lassen sich dann die entsprechenden Verarbeitungsmöglichkeiten und Fertigungsverfahren definieren.

Draht
Draht wird vor allem dann eingesetzt, wenn Kunststoffe, Metalle oder Lebensmittel verarbeitet werden sollen. Mittels Extrusionsverfahren werden die Materialien durch Schmelzen und anschließendes Erstarren modelliert
Pulver
Pulverförmige Ausgangsmaterialien wie Kunststoffe, Metalle oder Keramik werden entweder durch Schmelzen und Erstarren oder durch Verkleben in plastische Körper umgewandelt. Bekannte Verfahren sind hier der „echte“ 3D Druck, SLS oder EBM.
Folie
Im Schicht-Laminat-Verfahren werden Metalle, Kunststoffe oder Keramiken miteinander verbunden.Folien werden mittels Ausschneiden und anschließendem Fügen verarbeitet.
Paste
Polymer-Beton oder Photopolymere sind vom Ausgangsmaterial bereits pastös. Diese Materialien werden im Extrusionsverfahren, z.B. dem Contour Drafting, aufgetragen und erstarren. So wird die gewünschte Form erzielt.
Flüssigkeiten
Bestimmte Photopolymere lassen sich am besten in flüssiger Form verarbeiten. Den Vorgang der Verarbeitung nennt man hier Polymerisieren. Ein bekanntes Verfahren ist zum Beispiel das Multi-Jet-Modelling.

Welche 3D-Druck Möglichkeiten gibt es und wo werden Sie eingesetzt?

Da eine große Vielzahl an Möglichkeiten besteht, unterschiedlichste Materialien durch additive Fertigung in Form zu bringen, beschränken wir uns hier an dieser Stelle auf das am häufigsten eingesetzte FDM Schmelzichtverfahren.

Schmelzschichtung (FDM, Fused Deposition Modeling)

Das von der Firma Stratasys eingeführte Schmelzschichtverfahren baut die zu produzierenden Teile ebenfalls schichtweise auf. Im Gegensatz zu den lasergestützten Technologien wird das Material ohne Laser oder Elektronenstrahlen geschmolzen. Als Materialgrundlage dienen Kunststoffe und Harze, welche drahtförmig auf eine Spule aufgewickelt sind, sogenanntes Filament. Diese werden durch eine beheizte Düse verflüssigt und schichtweise direkt auf einer Bauplattform aufgetragen. Der Druckkopf kann sich sowohl entlang der horizontalen als auch der vertikalen Maße exakt nach den Bauvorgaben des Objekts in dem Bauraum bewegen. Nach dem Auftragen des Kunststoffes verhärtet dieser sofort durch die Abkühlung des Materials, d.h. die Kunststoffe werden nur bis knapp unter den Schmelzpunkt erhitzt. Nach Fertigstellung einer Schicht wird die Bauplattform um die Schichtdicke gesenkt und die nächste Ebene aufgeschmolzen.

Da als Werkstoff lediglich Kunststoffe und Harze verwendet werden können und die Stabilität geringer ist als bei Spritzgussbauteilen, eignet sich Fused Deposition Modeling eher für die Erstellung von Prototypen und Modellen. Das FDM-Verfahren gehört zu den kostengünstigsten Technologien, jedoch sind z.B. die einzelnen Schichten bei den Produkten meist deutlich sichtbar.
Bei überstehenden Teilen müssen trotz des schnellen Verfestigens des Materials Stützkonstruktionen verwendet werden. Diese generiert das System jedoch vollautomatisch. Da die Stützen aus einem spröderen Material gefertigt werden, lassen sich diese leicht von dem Bauobjekt entfernen ohne Schäden an diesem zu verursachen.

Die Druckdüse erhitzt das Filament über die Schmelztemperatur. Das flüssige Filament wird durch die Druckdüse gepresst, härtet nach dem austreten aus und verbindet sich mit der unteren Schicht.

Go Button
Ein im FDM Verfahren gedrucktes Ersatzteil
My Subtitle

Kann man beliebig große Modelle 3D-drucken?

Wie bei allen anderen Fertigungsverfahren auch begrenzt der Bauraum der Maschinen, in diesem Fall der Arbeitsraum der 3D Drucker, die Teilegröße. Im dreidimensionalen Druck werden von Desktopdruckern bis hin zu Industriedruckern unterschiedlichste Größe eingesetzt. In der Regel werden Modelle von wenigen Millimetern bis zu rund 100 Zentimetern Kantenlänge gefertigt. Hier gilt allerdings ganz klar: Je größer, desto teurer! Selbst kleinste Modelle mit nur wenigen Zentimetern Größe werden aktuell noch mit mehreren hundert Euro pro Stück veranschlagt. Es ist aber davon auszugehen, dass die Preise zukünftig rapide sinken werden, wenn sich die Technologie weiter verbreitet.

Sonderfall Contour Crafting

Während gängige Einsatzmöglichkeiten für Modelle aus dem 3D Druck im Prototypenbau, im künstlerischen Bereich oder im Design zu sehen sind, geht das Contour Crafting ganz eigene Wege. In ganz eigenen Dimensionen, denn mittels CC lassen sich gleich komplette Gebäude errichten! Das Verfahren wurde an der University of Southern California in Los Angeles entwickelt und soll in nicht allzu ferner Zukunft in Katastrophengebieten oder in Armutsregionen schnell günstigen Wohnraum bereitstellen. Das Verfahren funktioniert dabei ähnlich wie gängige 3D Druck Verfahren. Ein flüssiges Material wird mittels einer an einem beweglichen Gestell angebrachter Düse auf dem Baukörper verteilt und härtet dort in kürzester Zeit aus. Als Material wir Beton oder Lehm verwendet – überall und günstig verfügbare Rohstoffe. Mittels Contour Crafting soll innerhalb von nur 24 Stunden ein komplettes Gebäude erstellt werden können – ganz ohne Lärm zu verursachen und mit der beachtlichen Geschwindigkeit von 15 Quadratmetern in der Minute!

Die Zukunft der Ersatzteile

Aktuell stellt die kurzfristige Beschaffung von Ersatzteilen jeglicher Art Unternehmen vor eine tägliche Herausforderung. Geht ein wichtiges Bauteil innerhalb einer Maschine kaputt, kann unter Umständen die ganze Fertigung lahmgelegt werden. Die Beschaffung von Ersatzteilen über die Hersteller oder Lieferanten kann in Notfällen, wo es auf jede Minute ankommt, extrem teuer werden. Genau hier setzt die additive Fertigung als Lösung an. Warum Ersatzteile langwierig beschaffen, wenn man sie auch einfach selber herstellen kann? Mehrere Anbieter arbeiten aktuell daran, kundenspezifische Ersatzteile nach CAD-Vorlage mittels Druckverfahren herzustellen oder die entsprechenden 3D-Printer so zu optimieren, dass sie auch für Endanwender in den Fabriken und Montagehallen erschwinglich werden.

Einsatzmöglichkeiten für den 3D Druck aktuell

Während es zukünftig durchaus vorstellbar ist, dass 3D Printing für die Massenfertigung von Teilen eingesetzt werden wird, beschränkt sich der heutige Einsatz eher auf die Einzelteilfertigung.
Vor allem im Rapid Prototyping, dem schnellen Modellbau, kann der 3D Druck seine Vorteile voll ausspielen. Sobald hier Konstruktionsdaten vorhanden sind, lassen sich schnell und direkt Modelle umsetzen – was die Fertigung vergleichweise günstig macht. Auch für die Fertigung von seltenen Ersatzteilen, beispielsweise für Oldtimer oder für Schmuckstücke wird additive Fertigung bereits eingesetzt. Dank verschiedener Open Source Ansätze ist 3D Printing auch für den Hobbybereich interessant geworden. Drucker im Eigenbau gibt es schon für wenige hundert Euro und die Möglichkeiten an herstellbaren Formen und Modellen ist nur von der eigenen Phantasie limitiert (und natürlich von der Größe des Druckers).

Wir hoffen, Ihnen die eingangs gestellte Frage „Was ist 3D Druck?“ zumindest in Ansätzen beantwortet zu haben. Das Feld der additiven Fertigung ist so breit gefächert und wird von Jahr zu Jahr noch umfangreicher, dass man wahrlich gespannt sein kann, was die nahe Zukunft noch so alles mit sich bringen wird. Vielleicht erleben wir es wirklich noch, dass ganze Häuser aus dem Nichts gedruckt werden oder anstelle den Pizzaservice anzurufen bemühen wir lieber unseren eigenen Pizza 3D-Printer. Fest steht allerdings bereits jetzt schon, dass die Technologie viele der heute noch verbreiteten, klassischen Fertigungsverfahren ablösen und somit die gesamte Industrie revolutionieren wird.

DM3 professioneller 3D-Drucker

Professioneller 3D-Druck mit dem DM3

Mit dem DM3 haben Sie einen universell einsetzbaren FDM 3D-Drucker zur Verfügung, der durch seine Präzision, Vielseitigkeit und Zuverlässigkeit besticht.