3D-Drucker

3D-Drucker (drei D Drucker) werden zumeist in der Industrie eingesetzt und schichten dabei dreidimensional Werkstücke. Unterschieden werden bei 3D-Druckern verschiedene Techniken mit unterschiedlichen Anwendungsgebieten und Vorteilen. 3D Drucker werden sowohl für den Heimgebrauch als auch großindustriellen Einsatz entwickelt. Es gibt verschiedene Druckerarten sowie Materialien die verwendet werden können.

Synonym(e): 3D Druck Technologie / 3D Druck Verfahren

Bauteile für Medizingeräte mithilfe von 3D-Druck Technologie herstellen - Quelle: Hoffmann + Krippner GmbH

Beim Drucken mit 3D-Druckern handelt es sich um ein generatives genauer gesagt additives Fertigungsverfahren.

Druckreife 3D-Scans von Menschen für Fotofiguren zu erstellen, ist für die Betreiber von 3D-Print-Stores oft ein zeitraubender Prozess. Zum einen ist die verwendete Scanner-Technologie häufig nicht schnell genug. Zum anderen müssen die Scanergebnisse oft langwierig manuell nachbearbeitet werden, bevor ein 3D-Druck möglich ist. Dieser Prozess, der mitunter Stunden in Anspruch nimmt, lässt sich mit dem professionellen 3D-Bodyscannern deutlich verkürzen.

3D-Drucker Aufbau

Ein 3D-Drucker besteht in der Basis aus folgenden Komponenten:

• Bedieneinheit: Die Bedieneinheit dient der Steuerung der 3D-Drucker.
• Extruder/Druckkopf: Hierbei wird meist nach direktem Extruder und Bowden-Extruder unterschieden.
• Druckplatte/Druckbett: Das Druckbett wird auch Buildplate oder Buildplattform genannt und kann sich horizontal oder vertikal bewegen.
• Filament: Hierfür gibt es verschiedene Materialien, die sich besser oder schlechter für 3D-Drucker eignen.

Arten

Für 3D-Drucker gibt es verschiedene Druckerarten. Nachfolgend die wichtigsten Druckerarten in der Übersicht:

1. Extruson: FDM, FFF und sonstige Extrusionsverfahren
2. Pulver: Pulverbasierter 3D-Druck, EBM, SL, SLM, SLS und 3DP
3. Jetting: Farb-3D-Druck mittels CJP und MJ
4. Resin: SLA, DLP, LCM und SLT
5. Spezial: Essens-Drucker, Bio-Plotter und andere speziellere Anwendungen

3D-Drucker Vorteile

Beispiel: Eiffelturm mittels additiver Fertigung

Die Verwendung additiver Fertigungsverfahren gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren bietet folgende Vorteile:

• Keine Herstellung und kein Auswechseln von Formen notwendig
• Geringer Materialverlust
• Energetisch günstigere Fertigungsprozesse
• Konstruktion komplexerer Formen wird realisierbar
• Geringe Lagerkosten, Teile werden erst dann gefertigt wenn sie gebraucht werden
• Genauigkeit von +- 0,2%
• Keine Werkzeuge nötig

3D-Drucker Verwendung & Einsatzgebiete

3D-Drucker werden zur Herstellung von Prototypen, Kleinserien und Modellen verwendet. Auch zur Produktion von Werkstücken geringer Anzahl werden sie genutzt. Beispielsweise nutzt das Unternehmen Boing zur Herstellung seines Kampfjets F-18 Hornet über 80 Teile, die durch das Lasersinter Verfahren erstellt wurden.

Zukünftig möchte auch Airbus zehn Prozent seiner Bau- und Ersatzteile selbst produzieren und hat dazu bereits erste 3D-Drucker angeschafft. Ab 2016 wird mit der Serienproduktion von Bauteilen aus Titan und Edelstahl, zudem ab 2017 von Bauteilen aus Aluminium, begonnen. Airbus erhofft sich dadurch Materialersparnisse von bis zu 90 Prozent sowie filigranere Strukturen die leichter und stabiler sind.

3D-Drucker werden in folgenden Bereichen zur Prototypenentwicklung eingesetzt:

• Kunst und Design
• Architektur
• Modellbau
• Maschinenbau
• Automobilbau
• Bauverfahren (Contour Crafting)

3D-Drucker werden zur Serienfertigung in folgenden Bereichen eingesetzt:

• Luft- und Raumfahrtindustrie
• Medizin- und Zahntechnik
• Verpackungsindustrie
• Bioprinting

Materialien

3D-Drucker - Glass 3D Printing (G3DP)

Nachfolgend werden die wichtigsten Materialien zur Verarbeitung im 3D-Druck aufgeführt. Nicht jedes Material lässt sich mit jedem Drucker verwenden. Die sog. Filamente werden auch aus anderen Materialien hergestellt – z. B. für Nähfäden.

ABS

ABS – Acrylnitril Butadien Styrol ist ein Thermoplastik. Es wird zur Herstellung von Haushaltsgeräten verwendet. Nach der Verarbeitung hat es eine glatte Oberfläche, ist sehr steif und belastbar. Temperaturen von bis zu 80 °C hält das Material aus. Es eignet sich zur Produktion von beweglichen mechanischen Teilen und wird durch das Schmelzverfahren gedruckt.

Carbon

Kohlefaser wird voraussichtlich zukünftig viele Aufgaben des Metalls übernehmen. Besonders in der Raumfahrt, Automobilindustrie und der Rüstungstechnik kommen bereits 3D gedruckte Teile zum Einsatz. Dies liegt besonders an den besonderen Eigenschaften des Carbons: Es ist zwanzigmal so stabil wie Stahl, wiegt aber nur einen Bruchteil.

Gips

Gips wird in der Regel mit einem Sintern Verfahren verarbeitet. Gemischt mit Harzen wird es zur Herstellung dekorativer Modelle verwendet.

Holz

Mischt man pulverisiertes Holz mit einem Polymer - so lassen sich hervorragende 3D-Drucke erzielen. Die dadurch hergestellten Bauteile oder Skulpturen fühlen sich wie Holz an und riechen sogar danach.

Bioprinting

Durch Bioprinting soll es zukünftig möglich sein, Gewebe aus gezüchteten Zellen mit 3D-Druckern herzustellen. Aus diesen Zellen sollen Organe oder künstliches Fleisch für die Lebensmittelindustrie entstehen. So sollen Spenderorgane durch die künstlichen Organe ersetzt und die Schlachtung von Tieren durch künstliches Fleisch verhindert werden.

Metall (Aluminium, Chrom, Edelmetalle, Nickel, Stahl)

Metalle werden vor allem mittels des selektiven Lasersinterns, des selektiven Laserschmelzen und des Elektronenstrahlschmelzen verarbeitet. Die werden zur Herstellung von Prototypen hergestellt. Nach der Verarbeitung sind sie stabil, besitzen das Gewicht des Endprodukts und verhalten sich für Tests so wie das finale Produkt. Die Metallverarbeitung mit 3D-Druckern wird auch im Modedesign, beispielsweise zur Schmuckherstellung, genutzt.

Polyamide

Hierbei handelt es sich um eine Gruppe von Thermoplastiken. Verarbeitet wird es in der Regel mit der Lasersintern Technik. Nach der Verarbeitung hat es eine glatt oder leicht raue Oberfläche. Temperaturen von bis zu 70 °C hält das Material aus.

Polymethylmethacrylate (PMMA)

Polymethylmethacrylate (PMMA) sind auch unter dem Namen Acrylglas bekannt. Es ist ein harter Kunststoff, der sich wie Glas anfühlt. PMMA eignet sich zur Herstellung von Modellen mit hoher Detailvielfalt. Nach der Verarbeitung hat es eine raue Oberfläche. Da PMMA zwar hart aber nicht flexibel ist, eignet es sich nicht zur Herstellung von Bauteilen.

Silikon

Zur Herstellung von Prothesen wird in der Medizin Silikon durch 3D-Druck verarbeitet. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht das exakte Herstellen von Prothesen für Patienten.

Druckqualität und -präzision

Die Druckqualität bei 3D-Druckern ist wie die Druckpräzision schwer zu bestimmen. Abhängigkeiten entstehen aus der Verwendung unterschiedlicher Materialien. Hersteller nennen für die Druckqualität meist die Schichthöhe. Für die Druckqualität ist die Schichthöhe relevant, für den Qualitätseindruck hingegen kommen weitere Faktoren ins Spiel.
Druckqualität ist eine Kombination aus für das menschliche Auge Sichtbare, sowie weiteren funktionellen Eigenschaften. Darunter fallen:

• Maßhaltigkeit
• Oberflächengüte
• Ablagerungen
• Antriebsmechanik
• Bewegungssteuerung
• und Materialeigenschaften

Aus diesem Grund ist eine genau Definition der Druckqualität meist sehr schwer, kann aber durch bestimmte (Test)Geometrien festgestellt werden, bei denen individuelle Eigenschaften genau geprüft werden. Hierfür gibt es wiederum eigene einzelne spezifische Verfahren.

3D-Drucker Hersteller

• selektives Lasersintern/Selektives Laserschmelzen: Concept Laser, EOS, MTT Technologies, SLM Solutions, ReaLizer, Protolabs
• Elektronenstrahlschmelzen: Arcam
• Stereolithografie: 3D Systems, Huntsman, Protolabs
• Digital Light Processing Modeling: Envisiontec, Rapidshape, Z Corporation
• Polyjet-Modeling: Objet, Voxeljet, Protlabs
• Fused Deposition Modeling: Stratasys, Reprap Austria, Bits from Bytes, Makerbot Industries, German RepRap, 3D Systems, iRapid GmbH, Membino GmbH, Multec GmbH, Ultimaking
• 3D-Sanddruck, -Metalldruck: ExOne
• Modelle/Bausätze: Prusa

Was kostet ein 3D-Drucker?

Wer sich einen 3D-Drucker für Zuhause anschaffen will, muss mit Preisen zwischen 400€ bis 1.500€ rechnen. 3D-Drucker zum selber aufbauen findet man schon ab 100€. Für den industriellen Bereich muss natürlich mehr Geld in die Hand genommen werden.

Wo kann man 3D-Drucker kaufen?

Zur Heimanwendung können 3D-Drucker z. B. bei Conrad, Hornbach, Amazon, ebay... gekauft werden.

3D-Modelle & Software

Der 3D-Drucker muss mit 3-dimensionalen Daten (CAD-Dateien) gefüttert werden. Die 3D Modelle müssen im Vergleich zum 3D Rendering zusätzliche Kriterien erfüllen, wie z. B. eine gesicherte Wandstärke. Lösungen und Software für die Erstellung von 3D Modellen erhalten oft eine Zusatzkomponente für den 3D-Druck. Solch eine Software ist z. B. Blender.

3D-Modellierung
Mit einem Programm zur 3D Modellierung werden die 3D Modelle für das Werkstück erstellt. Dieses Modell wird für den 3D-Druck mit Hilfe eines Slicers und Host-Programms verwendet.

• MeCube
• 3DCreative.ly
• Art of Illusion
• Autodesk
• Blender
• Cinema 4D
• Cubify
• Tinkercat
• Maya

Slicer
Slicer (engl. slice für Scheibe) sind Programme mit denen 3D-Modelle für die additive Fertigung vorbereitet werden. Sie "schneiden" das Modell in Scheiben und generieren die Befehle für den 3D-Drucker. Die meisten Slicer sind Open Source und somit kostenlos.

• Repetier Host
• KISSlicer
• Slic3r
• Zortax Z-Suite
• Cura

Host-Programm
Das Host Programm steuert den Drucker. Dazu nutzt es die vom Slicer generierten Befehle. Ein Großteil der 3D-Drucker kommt heute mit einem eigenen Controller, was Host-Programme oft überflüssig macht. Dies gilt allerdings nur, wenn die Daten aus dem Slicer über eine SD-Karte direkt am Drucker eingelesen werden. Wer das 3D-Druckverfahren über einen Computer steuern möchte, braucht auch weiterhin ein Host-Programm.

• Repetier Host
• Cura
• MakerBot MakerWare
• ReplicatorG

Weiterentwicklungen & Zukunft

Analysten sagen dem Markt ein starkes Wachstum voraus. Lag der Marktwert des Additive Manufacturing 2013 noch bei 2,2 Milliarden Euro, soll er bis 2023 auf 7,7 Milliarden anwachsen. Gründe dafür sind die immer weiter sinkenden Fertigungskosten für AM mit Metall. Diese sollen um zwei Drittel sinken, und die Fertigungsgeschwindigkeit soll sich erhöhen. Brauchte man 2013 zum Drucken von 10cm³ noch eine Stunde, soll Prognosen zufolge 2023 in der gleichen Zeit der Druck von 80cm³ möglich sein - eine Steigerung um 800%.

Glass 3D Printing (G3DP)

In Zusammenarbeit mit dem Department of Mechanical Engineering und dem Glas Lab entwickelte die Mediated Matter Group das G3DP Verfahren. Mit diesem gelang es erstmals transparentes Glas im 3D-Druck zu drucken. Der Druck erfolgt im Brennofen, einer auf 500 Grad Celsius erhitzten Keramikkammer, mit Kalk-Natron-Glas (Eigenschaften & Funktion). Dieses wird in einen, über dem Brennofen sitzenden, Schmelztiegel eingefüllt, dessen Temperatur ca. 1100 Grad Celsius beträgt. Durch eine behitzte Düse läuft das Glas in den Brennofen. Der 3D-Drucker verschiebt beim Druck stets den gesamten Schmelztiegel.
Dieses neue Verfahren besitzt noch einige Nachteile. Viele Schritte müssen von Hand erfolgen. Der Druck kann nicht automatisch gestartet oder beendet werden und durch regelmäßiges Nachfüllen verursachte Unterbrechungen sind später am Werkstück sichtbar. Zudem ist eine starke Nachbearbeitung nötig um scharfe Kanten zu entfernen und den Boden zu polieren.

MultiFab - 3D-Drucker und Scanner

Der neue 3D-Drucker der im Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL) ­des MIT entwickelt wurde, kombiniert Photopolymer-3D-Drucktechnik mit 3D-Scantechniken. Dies ermöglicht es dem Drucker sich selbst zu korrigieren um die Druckgenauigkeit zu erhöhen. Zudem erlaubt das System den Druck um Objekte herum und die Nutzung von zehn verschiedenen Materialien gleichzeitig. So können beispielsweise Sensoren direkt im Objekt integriert oder bewegliche Systeme in einem Zug mit einer Auflösung von 0,04 Millimetern angefertigt werden.

3D-Drucktechnologie weitere Infos

• 3D House Printing - Diese Community teilt Neuigkeiten rund um das Thema Häuserbau mittels 3D-Druck
• 3D-Bodyscanner zur Körpermaßerfassung

3D-Druck Literatur

• Gebhardt, Andreas: Generative Fertigungsverfahren | Dieses Buch für Fortgeschrittene beschreibt von Grund auf in 6 Kapiteln wie (industrielle) Fertigungsverfahren im 3D-Druck funktionieren.
• Hausmann, Kalani Kirk; Horne, Richard: 3D-Druck für Dummies | Die Grundlagen des 3D-Drucks so wie der Bau eines RepRap 3D-Druckers erklärt. 2014
• A. Kindtner, M. Kindtner, W. Kollenberg: Realisierung keramischer Prototyping mittels 3D-Druck und Heißgießen. In: Werkstoffzentrum Rheinbach
• Lipson, Hob; Kurman, Melba: Die neue Welt des 3D-Drucks | Dieses Buch beleuchtet verschiedene Facetten der 3D-Drucks und wirft einen Blick in die Zukunft. 2014