Grundlage für jeden 3D-Druck: Das digitale 3D-Modell

Ähnlich wie bei einem “normalen” Papierdrucker, benötigt der 3D-Drucker eine Datei mit den digitalen Informationen, des zu druckenden Objekts.

Dieses Prinzip funktioniert dabei ähnlich, als würde man eine gewisse Anzahl von Bierdeckel (=Layer) miteinander verkleben, um einen Papierdeckel-Würfel (=3D-Objekt) zu erhalten.

Populäre 3D-Druckverfahren

1. 3D-Druck mit Pulver (3DP – 3 Dimensional Printing)

Eine sehr erfolgsversprechende Technologie aus dem Bereich “additive Layer” druckt mit Pulver. Vereinfacht gesagt funktioniert ein solcher Drucker ähnlich wie ein Tintenstrahl Drucker. Einziger Unterschiede hier ist, dass anstelle von Tinte eine Art Klebstoff und anstelle des Papiers eine Pulverschicht verwendet wird.
Als Datengrundlage dienen die einzelnen 2D-Layer des zerlegten 3D-Modells.
Der unterste Layer, wird dabei wie ein Bild auf eine Pulverschicht aufgedruckt, und so miteinander verklebt. Danach wird eine frische, hauchdünne Pulverschicht auf das erste “Bild” gezogen und der Druck des nächsten Layers erfolgt. Damit das 3D-Objekt von unten nach oben wachsen kann, wandert das Pulverbett immer um die Hohe eines Layers nach unten.
Das Pulver und der Kleber können dabei aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So wird zwar vorrangig mit Kunststoffpulver gedruckt, aber auch Keramik, Glas und andere pulverförmige Materialen können theoretisch so verarbeitet werden.

Der große Vorteil dieses Verfahrens ist, dass damit auch überhängende Strukturen erstellt werden können. Das Pulver, welches nicht verklebt wird dient gleichzeitig als Stützstruktur für geplante Hohlräume. Weiters ist dieses Verfahren sehr Ressourcen schonend, da das nicht verklebte Pulver einfach mithilfe einer Luftpistole entfernt und für den nächsten Druck wiederverwendet werden kann. Durch dieses Verfahren kann auch eine hohe Stabilität erreicht werden.
Nachteil bei diesen Verfahren ist der leider immer noch relativ große Kostenaufwand für einen solchen Drucker. Grundsysteme sind zwar bereits ab etwa 12.000 € bis 15.000 € erwerblich, jedoch für Privatanwender und kleine Betriebe oft immer noch zu teuer.

2. Selective Laser Sintering (SLS)

Ähnlich wie beim 3DP funktioniert Selective Laser Sintering bei dem auch Metalle verarbeitet werden können. Auch hier besteht der Druckmaterial aus Pulver. Hier wird jedoch nicht mit einem flüssigen Klebstoff gearbeitet, sondern ein Hochleistungslaser verwendet, der anstelle des Verklebens die einzelnen Pulverschichten miteinander verschmilzt.

3. 3D-Druck mittels geschmolzenen Materialen (FDM – Fused Deposition Modeling)

Ebenfalls sehr populär ist das Drucken mit flüssigen Materialien. Vor allem der 3D-Druck mit geschmolzenen Kunststoffen hat einen hohen Stellenwert eingenommen. Diese Form von 3D-Druck die ebenfalls zum Bereich “additive Layer” gehört ist die derzeit günstigste Form ein 3-Dimenionales Objekt zu erzeugen.
Im Grunde funktionieren solche Drucker wie eine bewegliche Heißklebepistole die auf Basis einer 3D-Datei ein Objekt von unten nach oben auf einer beweglichen (meist beheizten) Plattform aufbaut. Je nach Modell wird entweder die Düse selbst oder Plattform bewegt damit jeder Layer einzeln erstellt werden kann. Die Geschwindigkeit eines solchen Druckers ist angepasst auf die Zeit die das Material zum Trocknen benötigt, bevor die nächste Ebene gedruckt werden kann. Die Qualität eines solchen Druckers ist dabei vor allem vom digitalen Entwurf und der Feinheit der Düsen abhängig.
Ein Problem bei diesen Verfahren ist, dass überhängende Formen nur schwer realisiert werden können, da üblicherweise kein Stützmaterial existiert. Eine Alternative bieten dafür einige Drucker die mit einer zweiten Düse Wachs als Stützmaterial drucken. Dieses Wachs kann nach Abschluss des Drucks wieder aus dem Modell geschmolzen werden, damit nur der Kunststoffanteil zurück bleibt. Neben Kunstoffen und Wachs wurden auch bereits mit einigen anderen breiförmigen Materialien wie Lebensmittel, Beton, Gips und ähnliches experimentiert.
Dieses Verfahren gewann besonders durch das Open-Hardware Projekt RepRap an Bedeutung. Nachdem bei diesem Projekt die Baupläne eines solchen Druckers veröffentlicht wurden, haben einige Firmen dieses Konzept weiterentwickelt. Beinahe alle bekannten kostengünstigen 3D-Drucker basieren daher derzeit auf diesem Prinzip und stammen vom RepRap Projekt ab. Beispiele dafür sind Drucker von Makerbot, Bits from Bytes und Ultimaking.
Durch Verbesserung der Materialien, der Düsen und der 3-Dimensionalen Steuerung konnte die Druckqualität in letzter Zeit deutlich verbessert werden. Durch das Hinzufügen von weiteren Düsen und eingefärbten Materialien können bereits auch bunte Objekte gedruckt werden.

4. Stereolithographie (STL, SLA)

Ein weiteres wichtiges Verfahren mit hohen Zukunftspotential verspricht die Stereolithographie. Hier wird ein 3D-Objekt in einem Bad, bestehend aus flüssigem Harz hergestellt. Das spezielle Harz hat eine besondere Eigenschaft; es härtet bei einer bestimmten Belichtung aus. Auch hier wird jeder Layer einzeln (meist kopfüber) aufgebaut, weshalb dieses Verfahren ebenfalls das Prinzip der “additiven Layer” verfolgt. Nach der digitalen Zerlegung des Modells in 2-Dimensionale Layer wird jede Ebene dabei nicht wie bei den anderen Verfahren gedruckt, sondern durch den Einsatz eines punktgenauen Lasers in das flüssige Harz Bad gezeichnet. Dort wo der Laserpunkt trifft, wird das Material fest. Im Anschluss wird das noch nicht vollständig gehärtete Objekt aus dem Bad genommen und in einer eigenen Belichtungskammer bis zur vollständigen Aushärtung nachbelichtet. Im Gegensatz zu den anderen Verfahren ist dieses aufgrund der Materialkosten zwar teurer, es kann aber (abhängig von der Feinheit des Lasers) eine teils wesentlich höhere Druckqualität erreicht werden. Jüngste Versuche haben dieses Prinzip auch mit einem handelsüblichen Beamer realisiert.

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