Wie funktioniert 3D-Druck?

Eine additive Fertigungsmethode ist der 3D-Druck. Er ist „additiv“, da er Materialschichten übereinander schichtet und miteinander verschmilzt, um Objekte zu erzeugen, anstatt einen Materialblock oder eine Form zu benötigen. Er ermöglicht die Herstellung komplexerer Geometrien als herkömmliche Technologien, ist oft schnell, hat geringe Fixkosten und ist mit einer stetig wachsenden Materialvielfalt kompatibel. Der Ingenieursektor nutzt ihn intensiv, insbesondere für die Prototypenentwicklung und die Herstellung von Leichtbaukonstruktionen.

Additive Fertigung und 3D-Druck

Der Begriff „3D-Druck“ wird häufig mit der Maker-Kultur, Amateuren und Enthusiasten, Desktop-Druckern, zugänglichen Druckverfahren wie FDM und kostengünstigen Materialien wie ABS und PLA in Verbindung gebracht. Dies ist zum Teil auf die erschwinglichen Desktop-Drucker zurückzuführen, die aus der RepRap-Bewegung hervorgingen, wie beispielsweise der ursprüngliche MakerBot und der Ultimaker, die zur Demokratisierung des 3D-Drucks und zum 3D-Druck-Boom von 2009 beitrugen.

3D-Drucktechnologie: Die Zukunft der innovativen Fertigung

3D Drucken Geschichte

Die ersten 3D-Druckprodukte entstanden in den 1970er Jahren. 1981 erprobte der japanische Wissenschaftler Dr. Kodama, der als Erster die schichtweise Drucktechnik beschrieb, den 3D-Druck und entwickelte persönlich die SLA-3D-Drucktechnologie (Stereolithographie) – ein lichtempfindliches Harz, das durch ultraviolettes Licht polymerisiert wird.

Einige Jahre später forschte der amerikanische Wissenschaftler Charles Hull ebenfalls eingehend an der SLA-Technologie und reichte 1986 das erste Patent für SLA ein. Er gründete 3D Systems und brachte 1988 sein erstes kommerzielles Produkt, den SLA-1, auf den Markt. (Abbildung unten)

SLA kann als die am frühesten entwickelte 3D-Drucktechnologie bezeichnet werden. Wann wurden also SLS (Selektives Lasersintern) und FDM (Schmelzschichtverfahren) später entwickelt?

1988 patentierte der Amerikaner Carl Deckard an der University of Texas die SLS-Technologie, ein weiteres 3D-Druckverfahren, bei dem ein Laser Pulverpartikel lokal miteinander verschmilzt, um Objekte zu drucken. Im selben Jahr meldete Scott Crump, einer der Gründer von Stratasys, ein Patent für das Schmelzschichtverfahren (FDM) an. Zwischen 1980 und 1990 wurden alle drei Haupttechnologien des 3D-Drucks patentiert, was den Beginn einer Phase rasanter Entwicklung in dieser Branche markierte.

In Europa entwickelte die EOS GmbH ein Designsystem für den 3D-Druck: das „Stereos“-System. Heute werden die 3D-gedruckten Modelle des Systems weltweit im Industriebereich für die SLS-3D-Drucktechnologie (Selektives Lasersintern) für Kunststoffe und Metalle eingesetzt.

Im Jahr 1992 wurde das Patent für die FDM-3D-Drucktechnologie (Fused Deposition Modeling) von Stratasys erteilt, einem Unternehmen, das 3D-Drucker entwickelte, um den unterschiedlichen Bedürfnissen vieler Fachleute und Privatpersonen gerecht zu werden.

Von 1993 bis 1999 entstanden verschiedene Technologien in der 3D-Druckindustrie. Gleichzeitig wurden immer mehr neue CAD- und 3D-Modellierungssoftware entwickelt, beispielsweise Sanders Prototype (heute Solidscape), eines der ersten Programme dieser Art.

3D-Druck-Anwendungen in verschiedenen Anwendungsbereichen

Im Jahr 2008 kam die erste 3D-gedruckte Prothese auf den Markt, was die mediale Präsenz des 3D-Drucks weiter steigerte. Man erkannte, dass sich mit 3D-Druck nicht nur herkömmliche Teile herstellen lassen, sondern auch die Rekonstruktion des menschlichen Körpers ermöglicht wird. Dieses beeindruckende medizinische 3D-Druckprojekt vereint alle Teile einer biologischen Gliedmaße und kann ohne nachträgliche Montage direkt gedruckt werden. Dank der Kombination mit 3D-Scanning werden 3D-gedruckte medizinische Prothesen und Orthesen heute immer günstiger und schneller verfügbar, um den Bedürfnissen der Patienten gerecht zu werden. Darüber hinaus werden diese Prothesen zunehmend optimiert und an die individuelle Morphologie des Patienten angepasst. Der 3D-Druck eröffnet neue Möglichkeiten für die Massenpersonalisierung. (Bild hinzufügen)

2009 war das Jahr, in dem FDM-Patente den Massenmarkt erreichten und damit den Weg für umfassende Innovationen bei FDM-3D-Druckern ebneten. Mit sinkenden Preisen für Desktop-3D-Drucker konnten sich immer mehr Menschen für die Entwicklung der 3D-Druckindustrie interessieren.

2013 bezeichnete US-Präsident Barack Obama den 3D-Druck in seiner Rede zur Lage der Nation als die wichtigste Produktionsmethode der Zukunft und machte ihn damit zu einem absoluten Trendthema. Mittlerweile ist er in der öffentlichen Wahrnehmung fest verankert. Immer mehr kleine und mittlere Unternehmen nutzen die kostengünstige Prototypenfertigung des 3D-Drucks und integrieren ihn vollständig in ihre Entwicklungs-, Innovations- und Produktionsprozesse.

3D-Druck-Konzeptauto

Im Baubereich sind 3D-gedruckte Häuser mittlerweile Realität. Die ersten Bewohner zogen 2018 in 3D-gedruckte Häuser ein. Das Haus hat eine Fläche von 95 Quadratmetern (1022 Quadratfuß) und bietet viel Wohnraum. Der Druckvorgang dauerte insgesamt zwei Tage.

Das Klassifizierungssystem des 3D-Drucks auf der Grundlage der Ähnlichkeiten und Unterschiede zwischen Fertigung und 3D-Druck

Nehmen wir die ausgehöhlte Kugel als Beispiel. Auf ihrer Oberfläche befinden sich über ein Dutzend Blumen. Die Bearbeitung mit herkömmlichen Methoden wäre sehr aufwendig, da die Muster einzeln angepasst werden müssten. Beim 3D-Druck hingegen entsteht kein Materialverlust. Daher wird dieses Verfahren auch als additive Fertigung bezeichnet, da es Material schrittweise aufträgt, um Bauteile herzustellen. Bei der traditionellen Methode wird zunächst ein Rohling erstellt, überschüssiges Material entfernt und das verbleibende Material in die gewünschte Form gebracht. Tritt ein Problem auf, muss eine Form angefertigt und das Bauteil korrigiert werden. Beim 3D-Druck hingegen wird Material in kleinen Mengen aufgetragen, sodass das fertige Produkt schnell sichtbar ist.

Realisierung der 3D-Drucktechnologie

Die 3D-Drucktechnologie findet Anwendung in der industriellen Fertigung. Für den 3D-Druck wird kein physisches Objekt, sondern ein digitales Modell benötigt. Um ein reales Objekt in 3D zu drucken, muss es entweder am Computer modelliert oder mithilfe eines 3D-Scanners digitalisiert werden. So entsteht ein 3D-Modell, das innerhalb von nur 15 Minuten ausgedruckt werden kann. Aktuell lassen sich 3D-Drucktechnologien in vier Hauptkategorien unterteilen: FDM, DLP/SLA und SLS.

SLS – Lasersinterverfahren

SLS ist ein relativ hochtechnologisches Pulver, das unter den hohen Temperaturen der Laserbestrahlung schmilzt. Eine dünne Pulverschicht wird auf der Arbeitsfläche verteilt und mit dem Laserstrahl abgetastet, um die Temperatur bis zum Schmelzpunkt zu erhöhen. Dadurch wird das Material gesintert und verbunden. Dieser Vorgang – Pulver verteilen, sintern, schleifen und trocknen – wird wiederholt, bis das Modell entsteht. Im Prinzip ist 3D-Druck die Wiederholung von 2D-Druck. Schneidet man ein Objekt in sehr dünne Scheiben, erkennt man, dass jedes Stück eine Form hat. Setzt man all diese Formen zusammen, erhält man ein dreidimensionales Objekt. So werden Laser zum Zeichnen von Grafiken verwendet. Die Beständigkeit von SLS-geformten Teilen gegenüber Umwelteinflüssen (Temperatur, Feuchtigkeit und chemischer Korrosion) ist vergleichbar mit der von thermoplastischen Materialien. Die Beständigkeit von SLA-geformten Teilen ist hingegen vergleichsweise geringer. Beispielsweise sind mit Epoxidharz geformte SLA-Werkstücke anfällig für Feuchtigkeit und Chemikalienkorrosion. Sie werden in einer Umgebung über 38 °C weich und verziehen sich, die Formgenauigkeit ist jedoch hoch.

SLA – Stereolithographie-Formverfahren

SLA ist eine lichthärtende Technologie, die in China derzeit relativ weit entwickelt ist. Bei der Stereolithografie wird die erste Schicht des Objekts mit einem Laserstrahl auf die Oberfläche des flüssigen Harzes projiziert. Anschließend wird die Produktionsplattform um eine bestimmte Distanz (0,05–0,025 mm) abgesenkt, und die ausgehärtete Schicht wird in das Harz eingetaucht. Das verwendete Harz ist lichthärtend und härtet nach Bestrahlung mit dem Laserstrahl aus. Die Modellierung erfolgt schnell und präzise.

DLP – Stereolithographie-Formverfahren

DLP (Digital Light Processing), auch bekannt als Laserformungstechnologie, ist eine 3D-Drucktechnologie mit vielen Ähnlichkeiten zur SLA-Technologie (Small Line Aperture). Vergleicht man den Produktionsprozess mit dem Zeichnen eines Kreises mit einem Bleistift, so entspricht die SLA-Technologie dem schichtweisen Auftragen, während DLP dem direkten Stempeln gleichkommt. Für die angestrebte Massenproduktion sind zwei Aspekte entscheidend: Effizienz und Materialkosten. Ein 3D-Drucker, die sogenannte Face-to-Face-Technologie, entwickelt von der Firma Light Prism Technology in Shenzhen, ermöglicht es, um ein Vielfaches schneller zu drucken als herkömmliche Fertigungsmethoden. Während das Drucken einer Hohlkugel mit dem traditionellen FDM-Verfahren (Fusion Direction Modeling) 2–5 Stunden dauert, im besten Fall sogar nur eine Stunde, benötigt die neueste Face-to-Face-Technologie lediglich etwa 10 Minuten. Die Druckgeschwindigkeit ist beeindruckend. Sobald diese 3D-Drucktechnologie auf dem Markt ist, wird sie das traditionelle Handwerk maßgeblich beeinflussen.

FDM – Schmelzschichtverfahren

Im Vergleich zu DLP- und SLS-Technologien ist die FDM-Technologie relativ einfach, daher weit verbreitet und für den privaten Gebrauch leicht zugänglich. Der Prototyp wird direkt aus den 3D-CAD-Daten erstellt, indem thermoplastisches Material zu einem halbschmelzflüssigen Filament extrudiert und schichtweise aufgetragen wird. Zu den Vorteilen der FDM-Technologie zählen die einfache mechanische Struktur, die unkomplizierte Konstruktion, die geringen Herstellungs-, Wartungs- und Materialkosten sowie die Umweltfreundlichkeit. Daher ist FDM auch die am weitesten verbreitete Technologie für Desktop-3D-Drucker im Heimbereich. Es handelt sich um ein relativ traditionelles Druckverfahren, das ohne Laser auskommt und kostengünstig ist, jedoch eine geringere Genauigkeit und eine niedrigere Druckgeschwindigkeit aufweist. Es ist die zugänglichste Methode für jedermann und wird häufig im Bildungsbereich eingesetzt.

Die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Fertigung und das traditionelle Handwerk

Vorteile des 3D-Drucks

(1) Anpassung

Nehmen wir die Zahnmedizin als Beispiel: Jeder Mensch hat andere Zähne, aber der 3D-Druck kann den Widerspruch zwischen kundenspezifischer Fertigung und Massenproduktion auflösen und kundenspezifische Implantate, Zahnspangen usw. in Serie herstellen.

(2) Echtzeit-Abtastung

Dank der hohen Geschwindigkeit des 3D-Drucks kann der Designer morgens eine Produktversion entwerfen, die der Projektleiter mittags begutachten kann. Anschließend entwirft er um 18 Uhr eine weitere Version, deren fertiges Produkt am nächsten Morgen vorliegt. Dies beschleunigt die Entwicklung neuer Produkte erheblich. Bei weniger komplexen Produkten kann der 3D-Druck innerhalb von drei Stunden fertige Prototypen herstellen, während die traditionelle Prototypenerstellung vier bis sechs Wochen dauert. Dadurch wird die Gesamtgeschwindigkeit des Industriedesigns deutlich erhöht.

(3) Keine Umweltverschmutzung

 Da ausschließlich umweltfreundliche Rohstoffe verwendet werden, ist der gesamte Produktionsprozess emissionsfrei. Es entstehen weder Abgase noch Abwasser, und es fallen keine Reststoffe an.

(4) Datenverarbeitung

Mit der Weiterentwicklung der digitalen Zahnmedizin werden die technischen Anforderungen an Zahnärzte deutlich sinken. Patienten müssen das Gerät lediglich zwei Minuten lang im Krankenhaus verwenden, um sich untersuchen zu lassen und so die Ursachen und Lösungen aller zahnärztlichen Probleme zu erfahren.

Darüber hinaus kann der 3D-Druck auch in der Kieferorthopädie eingesetzt werden, beispielsweise zur Herstellung personalisierter, transparenter Zahnspangen. Bei einer kieferorthopädischen Operation stellt sich die Frage: Sollen die Zähne nach links oder nach vorne bewegt werden? Um wie viele Millimeter? Früher beruhte die Zahnchirurgie ausschließlich auf der Erfahrung des Arztes, doch die digitale Zahnmedizin hat die Stabilität des Eingriffs erhöht und die technischen Anforderungen für Ärzte gesenkt.

(5) Schnell

 Im Vergleich zu herkömmlichen industriellen Verfahren benötigt der 3D-Druck keine Vorbereitungen wie Personal und Transport. Er benötigt lediglich Maschinen und Rohstoffe und kann schnell in die Produktion überführt werden.

(6) Automatisierung

 Man kann sagen, dass nur ein einziger 3D-Drucker zwischen der virtuellen Vorstellung und dem realen Produkt liegt. Die Ein-Tasten-Produktion des 3D-Drucks spart viel Arbeitskosten und reduziert menschliche Fehler.