Viele Fachleute glauben, dass der 3D Druck bereits eine neue industrielle Revolution eingeläutet hat. Verschiedene Druckverfahren und immer neue, druckbare Materialien eröffnen dem 3D Druck Anwendungsgebiete, die weit über den Einsatz im industriellen Bereich hinausgehen. Von gedruckten Lebensmitteln über Autos bis hin zu ganzen Häusern scheint mit dem 3D Druck alles möglich zu sein.

Anwendungsbereiche für den 3D Druck

Der große Vorteil beim 3D Druck ist, dass mit dieser Technik ohne Probleme räumliche Objekte hergestellt werden können, deren Komplexität die Möglichkeiten konventioneller Maschinen und Verfahren bei Weitem übersteigt. Vieles, was noch vor nicht allzu langer Zeit unmöglich erschien, ist heute mit einem 3D Drucker im Handumdrehen erledigt. Dieser entscheidende Vorteil ist der Grund, warum der 3D Druck in stark steigendem Maße zum Beispiel in den folgenden Bereichen eingesetzt wird.

• Industrie zum Bau von Prototypen, Gusskernen und für Kleinserien
• Medizin & Dentaltechnik für die Herstellung von Implantaten, Prothesen, Hörgeräten und Gerüsten für das Zellwachstum
• Schmuck- & Modebranche zur Herstellung von Gussmodellen, Schmuckstücken und den Druck ganzer Textilien
• Luft- & Raumfahrttechnik für hochfeste und leichte Bauteile
• Forschungseinrichtungen für die unterschiedlichsten Anwendungen
• Marketing in Form von 3D Druck Werbeartikel.

Selbst im Baubereich wurden bereits erste Versuche unternommen, ganze Häuser mit dem 3D Druck zu erstellen. Eine der letzten neuen Entwicklungen ist ein Verfahren zum 3D Druck von Diamanten, das erst vor Kurzem vom US-amerikanischen Rüstungs- und Technologiekonzern Lockheed Martin zum Patent angemeldet wurde.

Drucktechniken im 3D Druck

Die unterschiedlichen Einsatzbereiche der 3D Drucker erfordern auch unterschiedliche Druckverfahren für die Verarbeitung der verschiedenen Materialien. In der jüngeren Vergangenheit wurden daher mehrere Technologien für den 3D Druck entwickelt. Einfache Kunststoffe für den Modellbauer, hochfeste Metalle in der Industrie oder Gold für die Schmuckherstellung können mit 3D Druckern heute verarbeitet werden. Einen Überblick über die verschiedenen Drucktechniken bietet die folgende Aufstellung.

Fused Deposition Modeling – FDM

Bei diesem zurzeit noch am weitesten verbreiteten Druckverfahren arbeitet ein 3D Drucker ähnlich eine Kunststoffspritzgießmaschine. Der geschmolzene Kunststoff wird hierbei jedoch nicht in eine feste Form gepresst, sondern das Objekt wird in dünnen Schichten nacheinander auf einer Grundplatte aufgebaut. Als Ausgangsmaterial für diesen 3D Druck dient ein Draht aus ABS, PLA, Nylon und anderen Kunststoffen, der in einem Extruder geschmolzen wird. Der geschmolzene Kunststoff wird dann durch eine feine Düse entsprechend den Konturen des Bauteils Schicht für Schicht auf eine Platte aufgetragen.

Die Druckgeschwindigkeit ist unter anderem abhängig von der Erstarrungszeit des Materials und der Komplexität des Bauteils. Die mit diesem Druckverfahren erreichbare Genauigkeit ist nicht sehr hoch, aber für viele Anwendungen zum Beispiel im Modellbau durchaus ausreichend. Drucker, die nach diesem Verfahren arbeiten, sind sehr günstig in der Anschaffung und bei privaten Anwendern sehr beliebt.

Stereolithographie – SLA

Die Stereolithographie ist gewissermaßen der Urvater der 3D Druckverfahren. In den Maschinen befindet sich eine Wanne mit einem Kunstharz, das unter UV-Licht aushärtet. Zum Härten wird ein UV-Laser verwendet, der das Harz entsprechend den Konturen des Objektes an der Oberfläche Punkt für Punkt oder Bahn für Bahn aushärtet. Ist eine Schicht gehärtet, senkt sich eine Plattform mit dem Objekt ein wenig ab, sodass das Objekt wieder mit einer dünnen Schicht flüssigen Harzes bedeckt ist. Dann beginnt der Vorgang von Neuem und wird so lange wiederholt, bis das Objekt fertig ist.

Der 3D Druck mit diesem Verfahren ist schneller und präziser, als das FDM Verfahren.

Selektives Lasersintern – SLS

Mit einer ähnlichen Technologie, wie das Selektive Lasersintern arbeiten auch 3D Drucker für das Selektive Laserschmelzen (SLM) und das Elektronenstrahlschmelzen (SEBM).
Bei allen drei Verfahren ist der Aufbau der Drucker ähnlichen denen, die mit der SLA Technologie drucken. Im Drucker befindet sich auch bei diesen Maschinen eine Kammer, die jedoch nicht mit einem flüssigen Harz, sondern mit einem Pulver gefüllt ist.

Beim Selektiven Lasersintern (SLS) wird das Pulver durch einen Laser lokal begrenzt so stark erhitzt, dass die Partikel des Pulvers aneinander haften. Im Selektiven Laserschmelzen (SLM) wird das Pulver mit einem Laser punktuell geschmolzen und die Pulverteilchen auf diese Weise miteinander verbunden. 3D Druck mit Elektronenstrahlschmelzen (SEBM) ist genau das Gleiche, wie beim SLM-Verfahren, mit dem Unterschied, dass zum Schmelzen des Pulvers ein Elektronenstrahl verwendet wird.

Ist bei diesen Verfahren eine Schicht des Objektes fertiggestellt, wird die Objektplattform abgesenkt und eine Art Rakel zieht eine neue, dünne Schicht Pulver über das Objekt. Dieser Vorgang wird, analog zur Stereolithographie, solange wiederholt, bis das Objekt fertig ist.
Der 3D Druck nach einem dieser Verfahren ermöglicht die Herstellung hochpräziser und sehr komplexer Teile zum Beispiel aus Metallpulvern.

Multi Jet Modeling – MJM

Beim Multi Jet Modeling wird, ähnlich wie beim 3D Druck mit dem Fused Deposition Modeling (FDM)-Verfahren, dem Druckkopf ein fester Kunststoff zugeführt. Dabei handelt es sich um sogenannte Acryl-Photopolymere, die unter UV-Licht aushärten. Das Material wird in einem Druckkopf geschmolzen und durch mehrere kleine, als Nano-Jets bezeichnete Düsen auf die Objektplattform aufgebracht. Wie bei den anderen Verfahren wird das Objekt Schicht für Schicht ausgedruckt. Der 3D Druck mit dem MJM-Verfahren erreicht eine ausgezeichnete Genauigkeit, gute Oberflächengüte und hohe Druckgeschwindigkeiten.

3-Dimensional Printing – 3DP

Die Kammer in einem 3DP-Drucker ist mit einem sehr feinen Polymergips gefüllt. Über den Druckkopf wird ein Bindemittel auf das Pulver aufgetragen, das die Pulverpartikel miteinander verklebt. Wie beim Lasersintern wird nach jeder Schicht eine weitere dünne Pulverschicht über das Objekt gezogen und der Vorgang wiederholt, bis das Objekt fertig ist. Der Vorteil dieses Druckverfahrens ist die hohe Detaillierung der Objekte und die Möglichkeit mehrfarbige Objekte im 3D Druck herstellen zu können, in dem verschieden eingefärbte Bindemittel verwendet werden. Allerdings ist gegebenenfalls eine Nachbehandlung der Bauteile erforderlich, um die Bruchfestigkeit zu erhöhen.

Ein bislang weniger bekanntes 3D Druckverfahren ist das Film Transfer Imaging Verfahren (FTI). Bei dieser 3D Drucktechnologie wird ein lichtempfindlicher, flüssiger Kunststoff über eine Transportfolie schichtweise auf die Bauteilplattform aufgebracht und mit einem speziellen Projektor ausgehärtet.

Der 3D Druck wird in der näheren Zukunft sicher noch für die ein oder andere spannende Überraschung sorgen und die Arbeitswelt nachhaltig verändern.