Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

Der 3D-Druck konnte in den letzten Jahren die Welt im Sturm erobern und besonders im Bereich der Maßanfertigung für ein großes Wachstum sorgen. Die Technologie ist mit Sicherheit eine der revolutionärsten Innovationen unserer Zeit. Doch zunächst sollten wir verstehen lernen, warum das so ist: Was ist das Besondere am 3D-Druck, und warum scheint er mittlerweile überall eine Rolle zu spielen?

Dank seinen vielfältigen Einsatzmöglichkeiten und seinem geradezu grenzenlosen Potential – und dieses Potential nimmt mit dem Auslaufen von Technologiepatenten nur noch weiter zu – ist der 3D-Druck in den letzten Jahren geradezu explodiert. Einer der Gründe für die heutige Popularität der Technologie (abgesehen davon, dass sie äußerst spannend ist) ist die Tatsache, dass moderne 3D-Drucker mittlerweile sehr viel nutzerfreundlicher sind, so dass auch Modellbauer zu Hause oder Lehrer in der Schule die Vorteile der Technologie genauso nutzen können wie ausgewiesene Spezialisten.

Der 3D-Druck wird nicht nur immer effizienter bei der Herstellung immer individueller angepasster Produkte, sondern auch die Wissenschaftler entwickeln immer wieder neue geniale Druckverfahren, bei denen manchmal mehrere Materialien miteinander kombiniert werden. Innovationen im Bereich des 3D-Drucks haben zwangsläufig ein kommerzielles Potenzial, da sie eine Fertigung mit minimalem Abfall, billigere Prothesen, eine bessere Passform für maßgeschneiderte Produkte und eine schnellere Produktion von Ersatzteilen ermöglichen.

In diesem Artikel werden wir untersuchen, was 3D-Drucker sind und wie sie funktionieren. Außerdem werden wir die Technologien und Anwendungen des 3D-Drucks erörtern und die wichtigsten Schritte des 3D-Druckverfahrens kurz erläutern.

Auch wenn der innovative Teil des Konzepts – Geräte, Werkzeuge, Materialien und die Idee, praktisch alles aus Kunststofffilament oder -pulver zu zaubern – vielen immer noch überwältigend futuristisch erscheinen mag, so ist der 3D-Druck nicht nur spannend zu erforschen, sondern letztendlich auch leicht zu begreifen.

Kurz gesagt wird bei dieser Technologie ein 3D-Modell verwendet, um daraus mithilfe einer Reihe von Techniken ein komplettes 3D-Objekt physisch herzustellen – dies wird häufig auch als additive Fertigung bezeichnet. Eine gängige Metapher zur Erklärung des 3D-Drucks ist das Backen eines geschnittenen Brotlaibs quasi in umgekehrter Reihenfolge: Stellen Sie sich dazu einfach vor, Sie backen jede Scheibe Brot einzeln und kleben sie dann zu einem ganzen Laib zusammen, anstatt wie üblich zuerst einen ganzen Laib zu backen und ihn dann in Scheiben zu schneiden.

Nachdem Sie nun diese Grundidee gelesen haben, werden wir nun in die Einzelheiten eintauchen!

Um ein 3D-Objekt aus dem Nichts zu erschaffen, bedarf es einer Kombination aus hochwertiger Software, geeigneten Materialien und industrietauglichen Werkzeugen. Um zu verstehen, wie genau diese Kombination funktioniert, sollten wir uns die drei grundlegenden Schritte des 3D-Druckprozesses genauer ansehen: Zunächst benötigen Sie eine 3D-Datei, die Sie durch Herunterladen, 3D-Scannen oder Selbstentwerfen erhalten können. Dann entscheiden Sie sich für die 3D-Drucktechnologie, die Sie benötigen. Und schließlich schicken Sie Ihren Entwurf an einen 3D-Drucker, der ihn in das gewünschte Objekt verwandelt.

Schauen wir uns jeden dieser Schritte genauer an.

3D-Modellierung und 3D-Scannen

Wie kann man ein 3D-Modell erstellen? Es gibt mindestens zwei Möglichkeiten: die Verwendung einer 3D-Modellierungssoftware oder das Digitalisieren von realen Objekten durch 3D-Scannen. Beide Methoden haben Vor- und Nachteile, doch sollte Auswahl weitgehend von den Anforderungen Ihres Projekts abhängen. Falls Sie sich eingehender mit dem Thema befassen möchten, können Sie unseren Leitfaden zur Erstellung von 3D-Modellen konsultieren.

Ein großer Vorteil einer hochwertigen 3D-Modellierungssoftware ist ihre große Bandbreite an Funktionen. Als Profi können Sie damit jedes Modell erstellen, das Sie sich vorstellen können, von einem Miniaturteil einer Uhr bis hin zum gesamten Uhrenturm, der sie umgibt. Software ist genau das Richtige, wenn Sie Objekte entwerfen wollen, die es noch nicht gibt, Sie Ihr Modell kreativ ausgestalten wollen oder wenn Sie ein Modell eines Objekts benötigen, das nicht gescannt werden kann.

Die offensichtlichen Vorteile des Entwerfens eines eigenen Modells in einer 3D-Modellierungssoftware sind dann eine realistische Visualisierung, der kreativen Ausdrucksmöglichkeiten und die Möglichkeit, 3D-Dateibibliotheken zu nutzen, wie sie viele Plattformen anbieten. Doch gibt es auch Nachteile? Durchaus, denn die Erstellung von 3D-Modellen von Grund auf ist sehr zeitaufwändig, und oft genug können die Ergebnisse ungenau sein.

Aber keine Sorge – es gibt noch eine andere Möglichkeit, die in letzter Zeit immer beliebter wird, vor allem für professionelle Projekte. Diese alternative Methode ist das 3D-Scannen, mit dem Sie ein reales Objekt, einen Menschen oder sogar ein ganzes Gebäude, eine Szene oder eine Umgebung präzise digitalisieren können. Darüber hinaus können Sie das 3D-Scannen problemlos mit beliebigen Modellierungsschritten ergänzen: Ein solcher „hybrider“ Arbeitsablauf kann die Bearbeitung Ihrer 3D-Scandaten in einer CAD- oder Bildhauersoftware beinhalten. Als eigenständige Methode wird das 3D-Scannen häufig neben vielen anderen in den Bereichen Reverse Engineering, Qualitätskontrolle, Gesundheitswesen und Denkmalschutz eingesetzt.

Unabhängig von der Anwendung sparen Sie mit dem 3D-Scannen viel Zeit und Mühe bei der Replikation bestehender Objekte, ganz zu schweigen von der höheren Präzision, die Sie mit einem professionellen 3D-Scanner im Vergleich zu herkömmlichen 3D-Modellierungswerkzeugen erreichen können.

3D-Druck-Software

Sobald Ihr 3D-Modell fertig ist, können Sie damit beginnen, es zu drucken. Dies ist auch der Schritt, an dem 3D-Drucksoftware ihren großen Auftritt hat. Die spezielle Software hilft Ihnen bei der Durchführung eines 3D-Drucks, indem sie Ihr Modell in Scheiben (Slices) schneidet und an Ihren Drucker sendet.

Die Slicing-Software wird als Vermittler zwischen Ihrem 3D-Modell und Ihrem 3D-Drucker benötigt. Einfach ausgedrückt, übersetzen „Slicer“ Ihre Datei in das Format oder die Steuersprache, die Ihr 3D-Drucker versteht (bei vielen Druckern ist dies der G-Code, während verschiedene andere in ihrem eigenen Format arbeiten). Es gibt eine große Anzahl kostenloser Slicer, die auch den Anforderungen von Privatanwendern gerecht werden.

Die Programme werden pauschal „Slicer“ genannt, wobei die Bezeichnung ihrer Funktionsweise entspricht: Slicer zerlegen Ihr Modell in zahlreiche flache Schichten, die ein 3D-Drucker benötigt, um seine Arbeit ordnungsgemäß zu erledigen. Diese Software ermittelt auch die jeweils optimalen Druckparameter, wie etwa Schichthöhe, Temperatur, Druckgeschwindigkeit und – vor allem bei FDM-Druckern – den optimalen Pfad, dem der Drucker folgen soll.

Verschiedene Anbieter von 3D-Drucksoftware bieten verschiedene Funktionen wie Slicing, Fernzugriff auf einen 3D-Drucker und vieles mehr, um Ihren 3D-Drucker zu überwachen, zu steuern und zu verwalten und die Kommunikation zwischen den Geräten zu optimieren. Unabhängig davon, was Sie bevorzugen, sind alle Arten von 3D-Drucksoftware Teil eines umfassenden Ökosystems.

Sowohl für erfahrene Anwender als auch für Neulinge gibt es eine Vielzahl von Optionen, sowohl Open-Source als auch kostenpflichtig, aus denen sie wählen können. In den letzten Jahren hat 3D-Drucksoftware eine Fülle innovativer Funktionen und neuer Möglichkeiten hervorgebracht, so dass Sie leicht das richtige Werkzeug für einen reibungslosen Arbeitsablauf finden können.

3D-Drucktechnologien

Wenn es an den eigentlichen Druck geht, gibt es eine schwindelerregende Anzahl von Technologien, aus denen man wählen kann. Hier ein kurzer Überblick, um sie zu verstehen:

• Wannen-Photopolymerisation

1. SLA
2. DLP
3. CLIP

• Freistrahl-Materialauftrag
• Freistrahl-Bindemittelauftrag
• Materialextrusion

1. FFF
2. FDM

• Pulverbettschmelzen

1. SLS
2. DMLS und SLM
3. MJF
4. EBM

• Schichtlaminierung
• Gerichtete Energiedeposition

Wannen-Photopolymerisation

Diese 3D-Drucktechnologie zeichnet sich durch eine Vielzahl von Arbeitsabläufen auf Grundlage eines gemeinsamen Kernkonzeptes aus: Ein flüssiges Photopolymer wird in eine Wanne gegeben und durch eine Lichtquelle selektiv ausgehärtet, bis Schicht für Schicht ein festes 3D-Objekt entsteht.

Variationen der Wannen-Photopolymerisation auf der Grundlage der Stereolithographie sind die digitale Lichtverarbeitung und die kontinuierliche Herstellung von Flüssigkeitsoberflächen.

Stereolithografie (SLA): Die historisch allererste 3D-Drucktechnologie ist bis heute bekannteste. SLA ist auch als Fotoverfestigung oder Harzdruck bekannt. Dabei wird flüssiges Harz in einen Behälter gegeben und dann ein ultravioletter Laser durch den transparenten Boden des Behälters auf das Harz gerichtet. Dieser Strahl härtet und verfestigt das Harz Schicht für Schicht, und das feste Objekt entsteht allmählich in der gewünschten Form, die von einer Hebeplattform hochgezogen wird.

Digital Light Processing (DLP) ist eine Variante der Küvettenpolymerisation. Es ähnelt dem oben erwähnten SLA in dem Sinne, dass ebenfalls flüssiges Harz zu einer 3D-Struktur aushärtet; der wesentliche Unterschied ist hier die verwendete Lichtquelle. Beim DLP-Verfahren wird ein digitaler Lichtprojektionsschirm verwendet, um das Bild der Schicht über die Plattform zu projizieren und so alle Punkte gleichzeitig in Form der Schicht auszuhärten. Da der Lichtprojektor ein digitaler Bildschirm ist, besteht das Bild jeder Schicht aus Pixeln, so dass eine 3D-Schicht aus rechteckigen Würfeln, den so genannten Voxeln, zusammengesetzt ist.

Continuous Liquid Interface Production (CLIP) ist ein proprietäres 3D-Druckverfahren, das ursprünglich EiPi Systems gehörte und derzeit von Carbon3D entwickelt wird. Da CLIP aus dem SLA-Verfahren entwickelt wurde, werden Sie auch hier die Ähnlichkeiten bemerken: ein Becken mit flüssigem Photopolymer mit einem für ultraviolettes Licht durchlässigen Boden, in dem das Harz erstarrt, und ein dreidimensionales Objekt, das langsam aus der Wanne aufsteigt. Der Unterschied ist, dass der Druckprozess kontinuierlich abläuft. Ermöglicht wird dies durch eine spezielle sauerstoffdurchlässige Membran im Boden des Beckens, die einen dünnen polymerisationsfreien Bereich, die so genannte „tote Zone“, schafft. Diese sauerstoffhaltige Zone sorgt dafür, dass das unausgehärtete Harz zwischen dem wachsenden Teil und dem Projektionsfenster flüssig bleibt und in Bereiche gelangt, in denen es ausgehärtet werden kann.

Freistrahl-Materialauftrag

Bei dieser relativ neuen 3D-Drucktechnologie werden Photopolymer-Tropfen verwendet, die mit UV-Licht ausgehärtet werden, um feste Objekte zu erzeugen. Diese Methode lässt sich am ehesten mit einem 2D-Tintenstrahlverfahren vergleichen: Bevor das Harz verfestigt wird, wird es in Form von sehr kleinen Tröpfchen versprüht. MJ-3D-Drucker sprühen Hunderte von Harztröpfchen auf einmal, Schicht für Schicht, bis das Teil fertig ist.

Freistrahl-Bindemittelauftrag

Binder Jetting ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein flüssiges Bindemittel selektiv auf eine Schicht aus Metall-, Sand-, Keramik- oder Verbundwerkstoff-Pulverkörnern aufgebracht wird. Um ein festes Teil zu formen, wird beim Freistrahl-Bindemittelauftrag (Binder Jetting) ein Druckkopf über das Pulverbett bewegt, wobei Tröpfchen eines Bindemittels (einfach ausgedrückt: Klebstoff) aufgebracht werden, die die Pulverkörner zusammenhalten. Jedes Tröpfchen eines Bindemittels hat einen Durchmesser von etwa 80 Mikrometern, was eine hohe Auflösung ermöglicht. Wenn die Schicht fertig ist, bewegt sich das Pulverbett nach unten, und eine neue Pulverschicht überzieht die Oberfläche der zuvor gedruckten Schicht. Die Tröpfchen des Bindemittels werden erneut aufgetragen, und der Vorgang wiederholt sich, bis das gesamte Teil geformt ist.

Materialextrusion

Bei diesem Verfahren wird ein Filament aus einem thermoplastischen Material verwendet, das durch einen beweglichen, beheizten Druckerextruder geführt wird. Das Material schmilzt, während es durch die Düse des Extruders gedrückt wird. Der Extruder folgt einem vorgegebenen Weg und legt das Filament auf einer Bauplattform ab, die zur besseren Haftung ebenfalls beheizt werden kann. Wenn die erste Schicht fertig ist, wird die nächste Schicht darauf gelegt, um das Werkstück weiter wachsen zu lassen. Das Objekt wird geformt, wenn das Filament abkühlt und sich verfestigt.

Fused Filament Fabrication (FFF) und Fused Deposition Modeling (FDM): Die Materialextrusion ist weithin als Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt und unter Spezialisten für 3D-Druck sehr beliebt. Fused Deposition Modeling wiederum ist ein geschützter Begriff für ein gleiches Verfahren, das in den 1980er Jahren von S. Scott Crum entwickelt und ein Jahrzehnt später von Stratasys kommerzialisiert wurde. Da das Patent auf diese Technologie mittlerweile abgelaufen ist, ist FDM derzeit die billigste – und daher am leichtesten verfügbare und zugängliche – 3D-Technologie auf dem Markt. Mit dem Aufkommen von RepRap, einer Open-Source-Entwicklungsgemeinschaft, wurde FDM zu einer beliebten Technologie für Heimwerker in aller Welt. Die Materialextrusion wird zudem industriell genutzt, um Teile mit komplexen Geometrien herzustellen.

Pulverbettschmelzen

Das 3D-Druckverfahren, bei dem eine Wärmequelle selektiv Pulverpartikel in einem bestimmten Bereich zu einem festen Teil verschmilzt, wird international Powder Bed Fusion (PBF) genannt. Hier lernen wir die verschiedenen Arten von PBF kennen.

Selektives Lasersintern (SLS): Beim Selektiven Lasersintern wird hauptsächlich Polymerpulver verwendet, das erhitzt und auf eine Bauplattform aufgebracht wird. Nach diesem Schritt tastet ein CO2-Laserstrahl die Oberfläche ab, wodurch das Pulver selektiv gesintert wird. Der Laser verfestigt den gesamten Querschnitt, woraufhin sich die Bauplattform um eine Schicht nach unten verschiebt, um Platz für eine neue Pulverschicht zu schaffen. Der nächste Querschnitt des Objekts wird dann wieder gesintert, und zwar auf den gerade erstarrten Schichten – der Prozess wiederholt sich, bis das Objekt fertig ist. Zum Schluss wird das Objekt mit Druckluft gereinigt und gebürstet.

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) und Selektives Laserschmelzen (SLM): Das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS) und das Selektive Laserschmelzen (SLM) basieren auf demselben Prinzip und werden ausschließlich zur Herstellung von Metallteilen verwendet. SLM wird eingesetzt, um das Pulver von Metallen wie Aluminium, Edelstahl oder Kobaltchrom vollständig zu schmelzen und daraus feste Objekte zu formen, während DMLS das Pulver nicht schmilzt, sondern erhitzt und auf molekularer Ebene verschmilzt. DMLS sintert Legierungen, darunter auch solche auf Titanbasis.

Multi Jet Fusion (MJF): Multi Jet Fusion (MJF) unterscheidet sich geringfügig von den oben genannten Methoden: Statt eine neue Schicht auf eine feste Schicht aufzutragen, wird eine neue Portion des Materials hinzugefügt, während die vorherige noch geschmolzen ist. Technisch gesehen wird eine Tintenstrahlanordnung verwendet, um Fixier- und Detaillierungsmittel aufzutragen, die dann durch Erhitzen der Elemente zu einer festen Schicht verschmolzen werden. Ein Laser ist nicht erforderlich, da die Schmelzmittel entlang bestimmter Konturen aufgespritzt werden. Nach Fertigstellung des Objekts wird das Pulverbett zu einer Verarbeitungsstation transportiert, wo der Großteil des losen Pulvers durch ein integriertes Vakuum entfernt wird. Im Vergleich zu Objekten, die mit Hilfe des SLS-Verfahrens hergestellt werden, bietet dieses Verfahren eine höhere Dichte und eine geringere Porosität, wodurch das fertige Teil eine glattere Oberfläche erhält.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM): Diese Technik ist ein weiteres Pulverbettschmelzverfahren. Beim Elektronenstrahlschmelzen werden Elektronen, das heißt ein hochenergetischer Strahl, zum Verschmelzen der Metallpulverpartikel verwendet. Während beim SLM ein Laserstrahl als Energiequelle verwendet wird, kommt beim EBM stattdessen ein Elektronenstrahl zum Einsatz, wobei der Rest des Prozesses recht ähnlich abläuf. Aufgrund der höheren Energiedichte ist das EBM-Verfahren sehr viel schneller, doch ist seine Anwendung auf leitfähige Materialien wie Zirkonium oder Titan beschränkt.

Schichtlaminierung

Die nächste Kategorie von 3D-Drucktechnologien ist die Blattlaminierung (SL), die manchmal auch als Laminated Object Manufacturing (LOM) bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein von Helisys Inc. entwickeltes Rapid-Prototyping-System, bei dem Materialschichten (mit Klebstoff beschichtete Papier-, Metall- oder Kunststofflaminate) durch Hitze und Druck verschmolzen werden. Die Technik wurde von dem israelischen Unternehmen Solido 3D bekannt gemacht, das Teile aus Polyvinylchlorid (PVC) und einem speziellen Klebstoff druckt. Die verschmolzenen Schichten werden dann mit einem Laser oder einem Messer in die gewünschte Form geschnitten. Die auf Papier basierende Schichtlaminierungs-Technik ist noch nicht weit verbreitet, aber ihre Erfinder experimentieren weiter, um die Methode zu perfektionieren.

Gerichtete Energiedeposition

Ein komplexeres 3D-Druckverfahren, die gerichtete Energiedeposition (Directed Energy Deposition, DED), wird häufig eingesetzt, um vorhandene Industrieteile wie Propeller oder Turbinenschaufeln zu reparieren oder ein anderes Material hinzuzufügen, anstatt neue Teile von Grund auf zu bauen. Das liegt vor allem daran, dass DED-3D-Drucker riesige Industriegeräte sind, die mehr Platz, Know-how und Kontrolle erfordern.

Bei dieser Methode wird das Material (meist Metallpulver oder Drahtmaterial) direkt mit einem Laser oder elektronischen Strahl geschmolzen und durch eine Düse, die sich in mehrere Richtungen bewegen kann, auf das wachsende Teil aufgetragen. Zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten wird das Teil häufig in 3D gescannt.

Weitere gängige Bezeichnungen für diese Methode sind Direct Metal Deposition (DMD), Laser Engineered Net Shaping (LENS), Laser Deposition Welding (LDW), Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) und 3D Laser Cladding.

Materialien für den 3D-Druck

Nachdem Sie nun einiges darüber, auf welche weisen 3D-Drucker feste Objekte erstellen, wissen, werden Sie sich vielleicht fragen, was die gängigsten 3D-Druckmaterialien sind. Oder, einfach ausgedrückt, was bei 3D-Druckern der zu verwendenden „Tinte“ entspricht. Geeignete Materialien gibt es in einer großen Vielfalt – bei der Auswahl der richtigen Materialien für Ihr Projekt müssen Sie daher zunächst das Anwendungsziel und die Design Ihres Objekts berücksichtigen.

Hier finden Sie einen kurzen Überblick über die 3D-Druckmaterialien, die am häufigsten in verschiedenen 3D-Drucktechnologien verwendet werden. Erwähnenswert ist, dass viele dieser Materialien nicht unbedingt ausschließlich mit einer 3D-Drucktechnologie in Verbindung gebracht werden.

SLA: Harze

Harze sind starr und doch empfindlich und werden in verschiedenen Formen bei Technologien wie SLA, DLP, Multijet oder CLIP eingesetzt. Harze oder Fotopolymere sind im Wesentlichen 3D-druckbare Flüssigkeiten, die sich durch eine sehr hohe chemische Beständigkeit und eine geringe Schrumpfung auszeichnen. Im Vergleich zu anderen 3D-anwendbaren Materialien können Harze manchmal in ihrer Festigkeit und Flexibilität eingeschränkt sein, doch gibt es sie in verschiedenen Formulierungen mit einem breiten Spektrum an optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften. Aufgrund ihrer hohen Photoreaktivität erfordern Harze oft eine kompliziertere Lagerung, was ebenfalls eine Einschränkung darstellen kann.

Standardharze gelten als das preisökonomischste SLA-Material, um hochauflösende Drucke mit feinen Merkmalen und einer glatten Oberfläche zu erzeugen. Dieses transluzente Material, das häufig für Prototyping-Anwendungen verwendet wird, bietet eine gute Detailgenauigkeit, ist aber in Bezug auf die Gestaltung eingeschränkt, da es während des Drucks eine Stützstruktur für das Modell erfordert.

Harze für SLA wurden entwickelt, um Konstruktionsspezialisten eine größere Auswahl an Materialeigenschaften für verschiedene Anwendungen zu bieten. Verschiedene Harze unterscheiden sich voneinander unter anderem dadurch, wie vergleichsweise zäh, schnell, dauerhaft und hitzebeständig sie sind. Alle Harze bedürfen jedoch einer Nachhärtung unter ultraviolettem Licht, um ihre mechanischen Eigenschaften voll zur Geltung zu bringen.

FDM: ABS, HIPS, HDPE, PLA, Verbundwerkstoffe und mehr

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS): Acrylnitril-Butadien-Styrol ist ein gängiges thermoplastisches Polymer, das bekanntlich zur Herstellung von LEGO Steinen verwendet wird. Der Begriff „thermoplastisch“ bedeutet, dass diese Art von Material unter Hitzeeinwirkung flüssig und biegsam wird (mit einem „Glasübergang“). Daraus folgt: ABS lässt sich bis zu seinem Schmelzpunkt erhitzen, leicht formen und schnell verfestigen. Es wird in zahllosen Anwendungen eingesetzt, ist ziemlich zäh und fest (was sie wissen, falls Sie schon einmal auf einen LEGO-Stein getreten sind) und behält seine Farbe perfekt bei. Es handelt sich um ein ungiftiges Material, das außerdem wasser- und chemikalienbeständig ist. ABS verträgt jedoch keine UV-Strahlung und ist daher nicht für einen längeren Außeneinsatz geeignet.

Hochschlagfestes Polystyrol (HIPS): Dieses leicht lösliche Trägermaterial, das häufig zusammen mit ABS verwendet wird, teilt mit diesem eine Reihe von Eigenschaften. HIPS ist jedoch etwa leichter, stoßfester und kostengünstiger. Wenn HIPS für Stützstrukturen verwendet wird, löst es sich kurzzeitig in D-Limone auf und ermöglicht so eine präzise Entfernung der Stützstruktur. Dieses Material ist extrem einfach zu drucken und eignet sich hervorragend für das Ausprobieren schneller Prototypen für die Vorproduktion.

HDPE: Ein thermoplastisches Polymer, das aus dem Monomer Ethylen hergestellt wird, trägt den Namen Polyethylen hoher Dichte (HDPE) und wird zur Herstellung von Rohrleitungen, Geomembranen, recycelbaren Kunststoffflaschen und -verpackungen (mit dem Recycling-Code 2) und sogar Kunststoffholz verwendet. Mit einem Schmelzpunkt von etwa 230 Grad Celsius (446 Grad Fahrenheit) und einem beachtlichen Verhältnis von Festigkeit zu Dichte ersetzt HDPE manchmal ABS, um leichtere, stärkere und flexiblere Teile herzustellen. Dies erfordert jedoch höhere und genau kontrollierte Temperaturen, ein beheiztes Druckbett und einen Extruder, der hohe Temperaturen verträgt.

PLA ist ein polymerer Kunststoff, der aus Pflanzen wie Zuckerrohr oder Mais hergestellt wird, was ihn zu einem der umweltfreundlichsten Filamente auf dem Markt macht. Es ist auch eines der beliebtesten: Im Vergleich zu ABS ist dieses Material kostengünstig, biologisch abbaubar und lässt sich leichter und bei niedrigeren Temperaturen drucken. Nachteilig ist, dass PLA nicht so hitzebeständig ist und oft spröde sein kann. PLA ist vor allem als Material für den stationären 3D-Druck bekannt, wird aber auch für die Herstellung von Teilen für viele professionelle Anwendungen verwendet.

Verbundwerkstoffe kombinieren in der Regel eine PLA-, Nylon- oder PET-Basis mit verschiedenen Partikeln oder Fasern. Einfach ausgedrückt werden diese Materialien kombiniert, um von ihren ursprünglichen Eigenschaften zu profitieren. Nach einer kleinen Nachbearbeitung können die 3D-Modelle zum Beispiel die Ästhetik von echtem Holz oder Metall aufweisen, während die Filamente nur etwa 30 % Holz- oder Metallpartikel enthalten. Auch das Hinzufügen von Farbe und das Experimentieren mit der Temperatur können das endgültige Aussehen eines 3D-gedruckten Teils verändern.

Eine andere Art von Verbundwerkstoffen sind solche mit Verstärkungsfasern. Drei der gängigsten Vertreter dieser Art sind Kohlefaser, Glasfaser und Kevlar. Da die Fasern spröde und dünn sind, werden sie manchmal mit ungekochten Spaghetti verglichen. Sie sind für sich allein nicht gerade das am einfachsten zu handhabende Material – in Verbindung mit dem Kunststoff, der als Matrix bezeichnet wird, sind sie jedoch unverzichtbar für die Herstellung starker, leichter 3D-Teile.

Keramiken: Obwohl der 3D-Druck in der Regel mit Kunststoffen, Harzen und Verbundwerkstoffen in Verbindung gebracht wird, haben Keramiken einen besonderen Platz unter den 3D-Druckmaterialien. Aufgrund ihrer Haltbarkeit, chemischen Beständigkeit, Ästhetik und Taktilität, ganz zu schweigen von der unglaublichen Kosteneffizienz, werden keramische Materialien für den 3D-Druck von Industrieteilen, Zahnimplantaten, Geschirr und Kunstprojekten verwendet. Keramik wird in der Regel in klassische Keramik (aus Ton - Steinzeug, Steingut und Porzellan) und technische Keramik (beliebte Beispiele sind Aluminiumnitrid, Zirkoniumdioxid, Siliziumnitrid, Siliziumkarbid und Tonerde) unterteilt. Häufig werden die mit Keramik 3D-gedruckten Objekte gebrannt und glasiert – wie bei einem klassischen Töpferverfahren.

SLS: Nylon und TPU

Nylon: Nylon ist ein gängiges Material für SLS, das sich ideal für die Herstellung von Prototypen und die Endproduktion eignet. Dieser technische Thermoplast ist robust und langlebig und eignet sich für komplizierte zusammengesetzte Teile. Das Material zeichnet sich außerdem durch eine hohe Beständigkeit gegenüber UV-Strahlung, hohen Temperaturen, Wasser und chemischen Lösungsmitteln aus. Nylon gehört zur Familie der Polyamide, und seine Verbundwerkstoffe, die mit Materialien wie Aluminid, Kohlenstoff oder Glas hergestellt werden, sind sehr vielseitig und werden oft in mehr als einer 3D-Drucktechnologie verwendet.

Thermoplastisches Polyurethan (TPU): Eine Kombination aus Kunststoff und Kautschuk, bekannt thermoplastische Elastomere (TPE), ist das Material, aus dem flexible Fäden hergestellt werden. Dank seiner natürlichen Elastizität lässt sich dieses Material leicht biegen und schwingen. Thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist die am weitesten verbreitete Art von TPE, daher wird der Begriff oft für die gesamte Kategorie verwendet. Aufgrund seiner gummiartigen Eigenschaften eignet sich TPE für verschiedene Projekte, von Haushaltsgeräten und medizinischen Geräten bis hin zu tragbaren Drucken, Spielzeug und Handyhüllen. Flexible Filamente können in praktisch jede beliebige Form gebracht werden, bevor sie abkühlen und aushärten, aber sie haben auch gewisse Einschränkungen. Zum Beispiel können solche Materialien schwer zu drucken sein, weil sie möglicherweise Fäden ziehen oder Klumpen bilden.

SLM und DMLS: Metallpulver

Sehr feine Metallpulver, wie Messing, Bronze, Stahl oder Kupfer, werden in Metallfilamente eingebettet. Das Verhältnis von Metallpulver, PLA und Bindepolymer kann variieren, aber diese Filamente sind immer noch viel schwerer als Kunststoffe, wenn auch nicht so schwer wie reine Metalle. Die endgültigen Objekte, die mit diesem Material gedruckt werden, sehen realistisch aus und fühlen sich an wie Metall, insbesondere wenn sie poliert sind. Metallfilamente eignen sich hervorragend für den Druck von Figuren und Skulpturen, wobei sie letztendlich viel leichter sind als Exemplare aus Bronze. Diese Art von Material neigt jedoch dazu, rau zu sein, was bedeutet, dass Sie beim Drucken eine verschleißfeste Düse verwenden und mit Verstopfungen, die mit der Zeit auftreten können, rechnen müssen.

In den letzten Jahren wurde viel geforscht und ausprobiert, um die Begeisterung für das nächste große Ding, den 3D-Druck, in eine alltagstaugliche Realität zu verwandeln. Auf ihrem Weg von einer aufstrebenden Technologie zu einem der Motoren der heutigen Fertigungsprozesse ist die Branche bis heute gereift. Ihre praktischen Anwendungen in der modernen Welt scheinen grenzenlos – von Gadgets und Kunstwerken bis hin zu Flugzeugkomponenten und transplantierbaren Organen.

Die additive Fertigung bietet nicht nur eine großartige Möglichkeit für Unternehmen, ihre Prototyping-Technologie zu rationalisieren, sondern wird mit der zunehmenden Verfügbarkeit von 3D-Druckern und immer nutzerfreundlicherer 3D-Software auch für Nichttechniker zunehmend relevanter. Der 3D-Druck wird heutzutage auch von Designern und Heimwerkern, Lehrern und Studenten genutzt und ermöglicht die Herstellung maßgeschneiderter Produkte, ohne dass dafür eine teure oder komplizierte Infrastruktur auf Industrieniveau erforderlich ist.

Sie fragen sich nun vielleicht, warum der 3D-Druck dann noch nicht ähnlich verbreitet ist wie das Online-Shopping. Und trotz seiner Beliebtheit gibt es immer noch einige Hindernisse, mit denen der 3D-Druck konfrontiert ist, wie etwa die Kosten für die Vor- und Nachbearbeitung und die begrenzte Auswahl an Materialien. Allerdings konnte in den letzten Jahren bei vielen anderen Herausforderungen, wie den Kosten für Ausrüstung und Materialien oder mangelndem internem Fachwissen Fortschritte gemacht werden, was wiederum die Chancen für weiteres Wachstum aufzeigt.

Das Ausmaß an Innovation, das der 3D-Druck bereits für Fertigung, Lieferketten und Design gebracht hat, ist unbestreitbar: In kürzester Zeit konnte die Technologie in zahlreichen Branchen enorme Sprünge nach vorne machen, wobei die Unternehmen auf eine intelligentere, schnellere, effizientere und umweltfreundlichere Fertigung hinarbeiten.

Erschwinglich, produktionssteigernd, perfekt für Sie spezialangefertigte Produkte – das sind nur einige der Vorteile, die der 3D-Druck auch in Zukunft bringen wird. Die Bedeutung der Technologie nimmt ständig zu, so dass er zu einer treibenden Kraft in der Weltwirtschaft werden könnte.

Und sobald das eintrifft, werden wir sagen können: Wir haben schon immer gewusst.