Wie funktionieren 3D-Drucker? Teil 1

Wie funktionieren 3D-Drucker? Teil 1

Bauteile für Autos und Flugzeuge, Werkzeug, Haushaltsgegenstände, Spielsachen und sogar menschliche Organe: Mithilfe von 3D-Druckern können wir immer mehr Produkte herstellen. Dabei bietet die Technik den Vorteil, dass Bauteile und Objekte vergleichsweise einfach, schnell und kostengünstig produziert werden können. Aus diesem Grund halten viele Experten den 3D-Druck für das Fertigungsverfahren der Zukunft.

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Wie funktionieren 3D-Drucker Teil 1

Aber wie funktionieren 3D-Drucker eigentlich? Was können die Geräte wirklich? Und wo stoßen sie an ihre Grenzen? In einem zweiteiligen Beitrag schauen wir uns den 3D-Druck einmal genauer an!:

Die additive Fertigung

Die Idee hinter 3D-Druckern entstand Mitte der 1980er-Jahre. Damals entwickelte der Ingenieur Chuck Hull erstmals ein Gerät, das das Material nicht durch Verkleinern oder Formen bearbeitete, sondern nach und nach durch Schichten in einer dreidimensionalen Form aufbaute.

Dieses Verfahren wird als additive Fertigung bezeichnet – eine Fertigung durch Hinzufügen, für die nur das Rohmaterial und ein virtuelles 3D-Modell benötigt werden.

Das Fertigungsverfahren beginnt damit, dass am Computer ein Bauplan des gewünschten Objekts entworfen wird. Dieser digitale Entwurf bildet die Grundlage für eine Datei, die an den 3D-Drucker geschickt wird. Der 3D-Drucker gibt daraufhin sein Rohmaterial gezielt über den beweglichen Druckkopf so ab, wie es im Entwurf vorgesehen ist.

Damit ein 3D-Druck funktioniert, muss das Rohmaterial erhärten, geschmolzen oder geklebt werden können. Das geschieht durch einen Laser, eine Heizdüse oder mithilfe von Klebstoff.

Beim klassischen 3D-Druck wird zum Beispiel eine dünne Schicht aus Kunststoff, Gips oder Keramik in Pulverform mit einem Bindemittel verklebt. Darauf folgt die nächste Schicht Pulver, die auch wieder verklebt wird.

So geht es Schicht für Schicht weiter. Damit das fertige Objekt später in sich stabil ist, ist jede Schicht fest mit der darunterliegenden Schicht verbunden.

Der große Pluspunkt vom 3D-Druck ist die Geschwindigkeit. Sogar komplexe oder bunte Objekte lassen sich mit dem Verfahren in kurzer Zeit herstellen. Allerdings bleibt die Oberfläche der Objekte etwas rau.

Die Stereolithografie

Ein anderes Verfahren des 3D-Drucks ist die sogenannte Stereolithografie. Diese Fertigungstechnik nutzt ein flüssiges Ausgangsmaterial. Dabei kann es sich zum Beispiel um Wachs, Kunstharz oder Keramik handeln.

Für den Druck wird die Flüssigkeit in ein Bad eingefüllt. Dort härtet ein Laser das Material schichtweise in der Form, die der Entwurf vorsieht, auf einer Trägerplatte.

Anfangs ist die Trägerplatte knapp unterhalb der Oberfläche positioniert. Ist die erste Schicht fertig, fährt die Trägerplatte ein kleines Stück nach unten. Dann fließt flüssiges Material auf die schon erhärtete Schicht und bildet so die zweite Schicht. Dieser Ablauf wiederholt sich so lange, bis das dreidimensionale Objekt fertiggestellt ist.

Der größte Vorteil der Stereolithografie besteht darin, dass sie sehr feine und glatte Oberflächen erzeugt. Allerdings sind sowohl die Drucker als auch die Materialien vergleichsweise teuer.

Wie funktionieren 3D-Drucker Teil 1 (1)

Das selektive Laser Sintering

Gewissermaßen das Gegenstück zur Stereolithografie, bei der aus flüssig fest wird, ist das selektive Laser Sintering. Denn bei diesem Verfahren wird aus fest zunächst flüssig. Für den Druck wird Kunststoff, Quarz oder Metall als Pulver verwendet.

Das Pulver wird in einer dünnen Schicht auf einer Plattform verteilt. Dann schmilzt ein Laser das Pulver exakt an den Stellen auf, an denen die erste Schicht des Objekts entstehen soll.

Das aufgeschmolzene Material muss anschließend trocknen und eine harte Schicht bilden. Danach wird die nächste Schicht Pulver verteilt und der Vorgang beginnt von vorne.

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Wie die Stereolithografie ist auch das selektive Laser Sintering relativ teuer.

Seine Stärken liegen aber darin, dass eine Vielzahl an verschiedenen Materialien eingesetzt werden kann und das Verfahren ermöglicht, komplexe und mechanisch belastbare Objekte zu fertigen. Der Druck dauert allerdings vergleichsweise lange. Außerdem bleibt die Oberfläche der Objekte leicht rau.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Ein weiteres Verfahren im 3D-Druck ist das Fused Deposition Modeling. Hier kommen als Rohmaterial dünne Schnüre oder Drähte zum Einsatz, die aus Kunststoff oder Wachs bestehen. Dieses Material wird als Filament bezeichnet.

Eine beheizte Düse verflüssigt nach und nach das Filament und trägt es in Form von feinen Schnüren in Schichten auf eine Fläche auf. Nach dem Stapelprinzip entsteht auf diese Weise das geplante Objekt.

Das Verfahren punktet in erster Linie mit seinen sehr geringen Kosten. Allerdings ist es weniger präzise als andere Druckverfahren. Außerdem dauert das FDM recht lange.

Schnelle Weiterentwicklungen im 3D-Druck

Zunächst war nur die Stereolithografie möglich. Als Ausgangsmaterial wurde dabei ausschließlich Kunststoff verwendet, aus dem zum Beispiel Prototypen für Fahrzeuge oder Gebäude gefertigt wurden. Weitere Forschung hat dazu geführt, dass auch andere Druckverfahren entstehen konnten.

Außerdem können inzwischen viele weitere Materialien verarbeitet werden. Neben Kunststoff, Harz oder Keramik ist der 3D-Druck mittlerweile auch mit zum Beispiel Edelstahl, Titan und Beton möglich. Sogar mit organischem Material haben Forscher schon gedruckt.

Die schnelle Weiterentwicklung hat auch die Anwendungsgebiete der Technologie deutlich vergrößert. In der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie ist die additive Fertigung heute schon genauso Alltag wie in der Medizintechnik und der Elektronikbranche.

Vor allem Einzelstücke und Kleinserien lassen sich mit dem 3D-Drucker inzwischen wirtschaftlicher herstellen als mit klassischen Fertigungsmethoden.

Der große Vorteil dabei ist, dass weder Fabriken noch lange Fertigungsketten notwendig sind. Stattdessen können die Objekte, die gerade benötigt werden, mit der 3D-Drucktechnologie schnell und kostengünstig produziert werden.

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Fred Naue, - Inhaber eines Druck- & Copyshops, Mike Sasse, - Drucktechniker, Sami Orkac, - Rechtsberater, Tina Kaminski, - Geschäftsführerin Bereich Schreibwaren, sowie Ferya & Christian Gülcan, Unternehmer/in & Gründer/in diverser Firmen und Erfahren in Büroorganisation, B2B, B2C, Planung & Kommunikation, Redakteure und Betreiber dieser Seite, geben und schreiben hier Wissenswertes zu Bürotechnik, Fax, Kommunikation, Schreibwaren, Internet, Verbraucher und mehr. Die Inhalte z.B. Vorlagen des Informationsangebots stellen keine Rechtsberatung dar, somit ersetzen die Inhalte auch keine rechtliche Beratung.

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