3D-Basics Wie funktioniert ein 3D-Drucker? - einfach erklärt

Hier finden Sie die wichtigsten 3D-Druckverfahren und erfahren, wie 3D-Drucker funktionieren.

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In der Welt des 3D-Drucks passieren viele aufregende Dinge. Es gibt 3D-Drucker, die mit ultravioletten (UV) Licht arbeiten. Außerdem gibt es 3D-Drucker, die menschliche Organe und Gewebe per Bioprinting erzeugen. In diesem Artikel geht es aber um die Basics des 3D-Drucks. Wir zeigen die drei wichtigsten 3D-Druckverfahren und stellen dazu noch einige weitere vor.

Obwohl sich die vorgestellten 3D-Druckverfahren in vielen Aspekten unterscheiden, haben Sie doch eine Gemeinsamkeit: Objekte werden auf 3D-Druckern durch die Verschmelzung von einzelnen Schichten erzeugt. Das sogenannte Schichtbauprinzip. Dadurch lassen sich auf 3D-Druckern äußerst komplexe Strukturen realisieren und es gibt kaum Designbeschränkungen. Eine Vielzahl von unterschiedlichen Maschinen, die alle das Schichtbauprinzip verwenden, werden als 3D-Drucker bezeichnet. 3D-Druck ist eine Form der additiven Fertigung (AM). Unter 'additiver Fertigung' ist der industrielle beziehungsweise professionelle Einsatz generativer Fertigungsverfahren zu verstehen.

Nachdem die Grundsätze geklärt sind, können wir zu den wichtigsten 3D-Druckverfahren kommen.

Fused Depostion Modeling (FDM)

Wenn Sie in Ihrer Bücherei, Ihrem Maker-Space, Ihrer Schule oder auf Ihrem Arbeitsplatz schon einmal einen 3D-Drucker gesehen haben, dann handelte es sich sehr wahrscheinlich um einen Fused-Depostion-Modeling-3D-Drucker. FDM-3D-Drucker sind in der Regel deutlich günstiger, einfacher zu bedienen und vielseitiger als andere 3D-Drucker. Sie werden in vielen Anwendungsgebiete eingesetzt. In der Industrie werden Fused-Depostion-Modeling-3D-Drucker hauptsächlich zum Prototypenbau und zu Erstellung von Modellen, beispielsweise für Architektur und Design, eingesetzt. Im Hobbybereich (Makerszene) sowie im Bildungssektor sind FDM-3D-Drucker die beliebtesten Maschinen.

Wie funktioniert ein FDM-3D-Drucker?

Grundsätzlich nutzt jeder FDM-3D-Drucker einen mehrgängigen Motor, Extruder genannt, der Kunststofffilament durch eine erhitzte Düse drückt. Die erhitzte Düse schmelzt das Kunststofffilament auf und das geschmolzene Plastik wird auf eine Bauplattform aufgebracht. Nach dem der Kunststoff extrudiert wurde, kühlt er ab und wird fest, wodurch eine Schicht des Bauteils entsteht.

Der 3D-Druckerkopf, zu dem die Düse gehört, fährt vorbestimmte Koordinaten ab, um jede Schicht ordentlich zu erstellen. Nachdem eine Schicht fertiggestellt wurde, bewegt sich der Kopf nach oben, um die nächste Schicht aufzudrucken. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis das gewünschte Bauteil vollständig erzeugt wurde.

Mit FDM-3D-Druckern gefertigte Objekte weisen in der Regel eine angemessene Präzision und Stärke auf, was sie zum perfekten Druckertyp für schnell hergestellte Prototypen und mittelstark beanspruchte mechanische Teile macht.

Stereolithografie (SLA)

Stereolithografie-3D-Drucker werden auch als 'Resin-3D-Drucker' bezeichnet. Die Bezeichnung 'Resin-3D-Drucker' ist nicht nur kürzer, sondern auch passend, da SLA-3D-Drucker in flüssigem Resin (Photopolymer-Harz) drucken. SLA-Drucker sind in der Lage, hochpräzise Bauteile und Strukturen zu drucken. Aufgrund der hohen Präzision sind SLA-Drucker für verschiedene industrielle Anwendungen geeignet, wozu die Medizintechnik und die Herstellung von Juwelen zählen. Die Stereolithografie wurde 1986 von Charles (Chuk) Hull patentiert und wird weithin als das erste Verfahren im Bereich des 3D-Drucks anerkannt.

Wie funktionieren SLA-3D-Drucker?

Ein mit flüssigem Photopolymer (ein Harz) gefülltes Becken, dient als Ausgangsbasis des SLA-Verfahrens. Mittels eines UV-Lasers wird das photosensitive Material an den vorher definierten Stellen ausgehärtet. Ist eine Schicht fertig, wird die Plattform entsprechend in der Flüssigkeit heruntergefahren, und der Prozess beginnt von vorn. Da sich das gesamte Werkstück während des Fertigungsprozesses in einem Flüssigkeitsbad befindet, sind Stützstrukturen notwendig. Die Stützen ermöglichen es, komplexe Geometrien mit hoher Präzision zu fertigen, ohne dass Überhänge in der Flüssigkeit absinken.

Hier entsteht eine komplexe Struktur im Resin eines SLA-3D-Druckers:

Varianten des SLA-3D-Drucks

Andere 3D-Druckverfahren wie DLP (Direct-Light-Processing-Verfahren) und MSLA (Masked-Stereolithography-Apparatus-Verfahren) nutzen einen ähnlichen Prozess. Der Hauptunterschied zwischen diesen Arten der Polymerisationstechnologien ist die Lichtquelle.

Während SLA-3D-Drucker Laser verwenden, verwenden DLP-Drucker UV-Lichtprojektoren und MSLA-Drucker eine LED-Lichtquelle, um UV-Licht durch ein LCD zu strahlen. MSLA ist aufgrund der niedrigen Kosten von LCDs die billigste Polymerisationstechnologie, so dass die meisten erschwinglichen Desktop-Harzdrucker diese Technologie verwenden.

SLA-3D-Drucke sind sehr präzise, erfordern jedoch oft einen erheblichen Nachbearbeitungsaufwand und sind in der Regel nicht für mechanische Teile geeignet.

Selective-Laser-Sintering (SLS)

Selektives-Lasersintern (SLS) ist ein pulverbettbasiertes 3D-Druckverfahren, welches unter anderem für die Herstellung von Prototypen und von fertigen Bauteilen verwendet wird. SLS wird in der Industrie für den 3D-Druck von Kunststoff und von Metall eingesetzt.

Wie funktionieren SLS-3D-Drucker?

SLS-3D-Drucker arbeiten ähnlich wie SLA-Maschinen, indem sie Bauteile mit Lasern erzeugen. Während jedoch SLA-3D-Drucker mit ihren Lasern Harzschichten aushärten, erzeugen SLS-3D-Drucker Schichten aus Kunststoff oder Metall durch selektives Sintern von Pulverbereichen. Die Schichten auf SLS-3D-Druckern weisen zumeist eine partielle Partikelverbindung auf, was eine gewisse Porosität bedingt. Aufgrund der partiellen Partikelverbindung wird das SLS-Verfahren seltener für hochbeanspruchte Teile wie Fertigungswerkzeuge eingesetzt.

SLS-3D-Drucker können Teile mit hoher Genauigkeit und einer breiten Palette von Materialien herstellen, wodurch sie sich ideal für zahlreiche Branchen eignen. SLS-3D-Drucker sind besonders beliebt bei Unternehmen, die präzise und stabile Teile benötigen, wie z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und sogar beim Militär. Mehr Informationen Stand der Technik von sinterbasierten 3D-Drucktechnologien und deren Zukunft finden Sie im Whitepaper 'Additive Fertigung mit Sintertechnologien' vom Beratungsunternehmen Ampower.

So sieht ein SLS-3D-Drucker im Einsatz aus:

Weitere beliebte 3D-Druckverfahren

Wie bereits erwähnt, gehören die drei Drucktechnologien (FDM, SLA und SLS), die wir oben besprochen haben, zu den derzeit beliebtesten 3D-Druckverfahren. Abschließend werden wir Ihnen noch ein wenig über drei aufstrebende 3D-Drucktechnologien berichten, welche die Möglichkeiten des 3D-Drucks erweitern.

Material Jetting

Diese 3D-Drucker erzeugen Objekte durch selektives Aufbringen und Aushärten von Photopolymertröpfchen (Kunststoff). Man kann sich diese 3D-Drucktechnologie wie einen Tintenstrahldrucker vorstellen, der, anstatt einfach Tinte auf ein Stück Papier zu tröpfeln, Photopolymere oder Wachs auf eine Bauschicht aufträgt, die Tröpfchen aushärtet und den Vorgang auf dieser ausgehärteten Schicht wiederholt, um schließlich einen Druck fertigzustellen. Material-Jetting-3D-Drucker wie Drop-on-Demand-3D-Drucker (DOD) können sogar vollfarbige Modelle erstellen.

Binder Jetting

Diese 3D-Drucker drucken Teile durch selektives Auftropfen eines flüssigen Bindemittels, um Bereiche des Pulvers zu binden. Nachdem eine Pulverschicht angemessen gebunden ist, senkt sich die Bauplattform ab, und der Drucker beginnt, selektiv weitere Tröpfchen des Bindemittels aufzubringen, um die zweite Schicht zu bilden. Binder-Jetting-3D-Drucker können vollfarbig drucken und sind in der Lage, Metall- und sogar Sandteile herzustellen.

Mehr zum Thema Binder Jetting und eine anschauliche Demonstration:

Metal Powder Bed Fusion

Diese Technologie ist im Wesentlichen identisch mit der SLS-Technologie, wurde jedoch speziell für die Herstellung von Metallteilen entwickelt. 3D-Drucker für das direkte Metalllasersintern (DMLS) und Elektronenstrahlschmelzen (EBM) verwenden diese Technologie, um Bereiche von Metallpulver zusammen mit einer konzentrierten Licht- oder Energiequelle wie einem Laser (DMLS) oder einem Hochenergie-Elektronenstrahl (EMB) zu sintern. SLS-Teile können eine äußerst beeindruckende strukturelle Integrität erreichen.

Egal wie unorthodox ihre Produkt- oder Designidee ist, es gibt wahrscheinlich zumindest einen 3D-Drucker, der diese Idee mit hoher Präzision realisieren kann. Möchten Sie mehr über die Möglichkeiten des industriellen 3D-Drucks erfahren? In unserem Artikel zur additiven Fertigung (industrieller 3D-Druck) finden sie die richtigen Informationen.