3D Druck – Schicht für Schicht zur perfekten Form

Dreidimensionale Bauteile schnell fertigen – das gelingt mit dem 3D Druck. Das Verfahren findet vielfältige Anwendung in der Industrie. Aber auch im Privatleben nutzen immer mehr Menschen die Gestaltungsmöglichkeiten dieser Technologie. Erfahren Sie, welche Vorteile die Drucktechnik bietet und wie sie funktioniert.

Definition der Technologie

Der 3D Druck ist ein Verfahren für die Fertigung dreidimensionaler Bauteile. Es wird auch als Additive Fertigung bezeichnet. Das Grundprinzip dieser Herstellungstechnik besteht darin, das Material schichtweise zur gewünschten Form aufzutragen. Damit unterscheidet sich diese Produktionsweise von herkömmlichen Verfahren in der Herstellung von Werkstücken, wo etwa Bauteile aus einem Materialstück herausgefräst werden. Die Ursprünge der Technologie liegen in den achtziger Jahren, ihr Erfinder ist der Ingenieur Charles Hull.

Rechnerunterstützte Konstruktion

Die Steuerung des 3D Drucks erfolgt über den Computer. Über die rechnerunterstützte Konstruktion Computer-Aided Design (CAD) werden digitale Konstruktionsmodelle entwickelt. Diese Modelle stellen die Informationen bereit, über die sich in vorgegebenen Maßen Formen realisieren lassen. Per Drucktechnik gelingt der Übergang vom virtuellen zum realen Modell.

Materialien für den Druck in drei Dimensionen

Als Material dienen einzelne Werkstoffe oder auch mehrere Grundstoffe. Geeignet sind dafür beispielsweise Kunststoffe und Metalle. Aber auch Kunstharze und Keramiken kommen zum Einsatz. Für den Druck von Kohlenstoffteilen wurden Materialien aus Graphit und Carbon entwickelt. Das Material kann sowohl fest als auch flüssig sein. Die dreidimensionale Form entsteht durch chemische und physikalische Prozesse, bei denen die Werkstoffe schmelzen und aushärten.

Verfahrensarten des 3D Drucks

Es existieren verschiedene Verfahren, die sich bei Materialien, Qualität und Kosten unterscheiden. Der folgende Überblick stellt die wichtigsten Techniken vor:

  • Beim 3D Printing baut der Drucker die gewünschte Form in zahlreichen Schichten aus mit Bindemittel gemischtem Polymergips auf. Aufgrund des eher porösen Materials eignet sich das Verfahren vor allem für Bauteile, die nicht so stark belastet werden.
  • Electron Beam Melting (EBM) ist ein Verfahren, bei dem ausschließlich Metall als Material zum Einsatz kommt. Dieses wird in Pulverform auf einen Untergrund auftragen und per Laser belichtet. EBM eignet sich vor allem für die wirtschaftliche Produktion von Prototypen und Kleinserien.
  • Bei Fused Deposed Modeling (FDM) handelt es sich um ein Schmelzbeschichtungsverfahren, mit dem sehr stabile Modelle aus Kunststoff hergestellt werden können. Denn Drucker im FDM Verfahren formen Bauteile aus Acrylnitril-Butadien-Styrol, einem schmelzfähigen Kunststoff mit hoher Strapazierfähigkeit. Werkstücke mit herausragenden Bauteilen erfordern beim Druck Stützkonstruktionen etwa aus Pappe, die später wieder entfernt werden müssen. FDM Verfahren zeichnen sich durch günstige Anschaffungs- und Betriebskosten aus.
  • Ein weiteres Additives Fertigungsverfahren ist das Multi Jet Modelling (MJM). Als Material kommen dabei lichtempfindliche Polymere zum Einsatz, die im geschmolzenen Zustand in Schichten aufgetragen und mit Licht fixiert werden. Einsetzbar sind auch Pulver, die mit einem Kleber vermischt sind. Das Verfahren ist sehr präzise.
  • Die Stereolithografie (SLA) arbeitet ebenfalls mit lichtempfindlichen Polymeren, die ein Laser schrittweise in dünnen Schichten aushärtet. Gearbeitet wird in einem Flüssigbad. Beim Druck größerer Bauteile sind Stützstrukturen erforderlich, die wieder entfernt werden müssen. SLA erzeugt sehr glatte Oberflächen, gehört jedoch zu den kostenintensiven Druck-Verfahren.
  • Zu den Additiven Fertigungsverfahren gehört ebenfalls das Selektive Laser Sintern (SLS). Dabei kommen verschiedene Werkstoffe in Pulverform zum Einsatz. Das Werkstück entsteht schichtweise, einzelne Stellen werden per Laser bearbeitet. Die aufwendige Technik ermöglicht komplexe Geometrien und die Produktion belastbarer Bauteile. Das Lasersintern ist derzeit noch durch hohe Anlagen- und Betriebskosten gekennzeichnet.

Anwendungsbereiche

Der 3D Druck findet Anwendung sowohl im Privatbereich als auch in der Industrie. Privatpersonen, die sich ein solches Gerät anschaffen, nutzen es meist für den Modellbau oder Do-it-yourself-Anwendungen.

In der Industrie gehört die Herstellung von Prototypen zu den wesentlichen Einsatzbereichen der Technik. Die Produktion solcher Versuchsmodelle von Produkten oder Bauteilen erleichtern die Entwicklung. So lassen sich mithilfe dieser Elemente Design, Funktionen, Technik oder Geometrie von Bauteilen zu einem frühen Zeitpunkt testen und – falls erforderlich – optimieren. Die verschiedenen Verfahren zur schnellen Herstellung von Musterbauteilen werden unter dem Begriff Rapid-Prototyping-Verfahren zusammengefasst.
Ebenfalls kommen Drucksysteme für 3D im Werkzeug- und Formenbau zum Einsatz.
Zu den weiteren Anwendungsfeldern der Drucktechnologie gehören Endprodukte, Wissenschaft und Forschung, das Baugewerbe, Kunst und Medizin.

Vorteile für die Industrie

Das Druckverfahren in drei Dimensionen macht in vielen Bereichen zusätzliche Werkzeuge zur Speicherung der geometrischen Form – wie Gussformen für die Produktion – überflüssig. Es ermöglicht, schnell und kostengünstig Modelle und Muster herzustellen. Prozesse, deren Design und Produktion vorher Wochen gedauert haben, können mithilfe der Drucktechnologie in Stunden stattfinden. Kurzfristige Korrekturen am Prototyp sind möglich.

Weiterhin sind die gewünschten Objekte frei skalierbar – ein Vorteil etwa in der Architektur. Da die Formen schnell realisierbar sind, kann on Demand gefertigt werden. Eine Lagerhaltung entfällt. Testmodelle und Kleinserien lassen sich kostengünstig drucken.

Mehr Know-how im 3D Printing – durch Weiterbildung

Die Drucktechnologie in 3D eröffnet zahlreiche Möglichkeiten für die Auslegung und Gestaltung von Bauteilen. Um das Potential dieser Verfahren kennenzulernen, empfiehlt sich ein Kurs zum Erstellen von Prototypen im 3D Druck. Eine solche Weiterbildung bietet gute Gelegenheiten, eigene Bauteile aufzubereiten und den Drucker selbstständig zu bedienen.