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3D-Druck ist ein Herstellungsprozess, der ein physisches Objekt aus einer digitalen Modelldatei erstellt. Die Technologie funktioniert, indem Schicht für Schicht Material hinzugefügt wird, um ein vollständiges Objekt aufzubauen.

Einführung in den 3D-Druck

Das 3D-Druckverfahren wurde in den 1980er Jahren entwickelt und war ursprünglich als „Rapid Prototyping“ bekannt. Es ermöglichte Unternehmen, Prototypen schneller und genauer als mit anderen Methoden zu entwickeln. Nach über 30 Jahren Innovation sind seine Einsatzmöglichkeiten heute weitaus vielfältiger.

Hersteller, Ingenieure, Designer, Pädagogen, Mediziner und Bastler nutzen die Technologie gleichermaßen für eine Vielzahl von Anwendungen.

3D-Druck ist ein „additives“ Herstellungsverfahren, bei dem ein Objekt in Schichten aufgebaut wird
Ein 3D-gedrucktes Teil, das in der Automobilindustrie verwendet wird

Die Entwicklung kompakterer „Desktop“-3D-Drucker und ihre erschwinglichen Kosten haben die Technologie im Laufe der Zeit auch immer zugänglicher gemacht.

Wie funktioniert 3D-Druck?

Wie wir bereits gesehen haben, umfasst der 3D-Druckprozess den Aufbau von Schicht um Schicht aus geschmolzenem Kunststoff, um ein Objekt zu erstellen. Während jede Schicht aushärtet, wird die nächste Schicht darauf gedruckt und das Objekt aufgebaut.

Um einen 3D-Druck zu erstellen, wird eine digitale Datei benötigt, die dem 3D-Drucker mitteilt, wo das Material gedruckt werden soll. Das gebräuchlichste Dateiformat dafür sind die G-Code-Dateien. Diese Datei enthält im Wesentlichen „Koordinaten“, um die horizontalen und vertikalen Bewegungen des Druckers zu steuern – auch als X-, Y- und Z-Achse bekannt.

3D-Drucker können diese Schichten in unterschiedlichen Dicken drucken, die als Schichthöhe bezeichnet werden. Ein bisschen wie Pixel auf einem Bildschirm, mehr Schichten in einem Druck ergeben eine höhere „Auflösung“. Dies ergibt ein besser aussehendes Ergebnis, dauert aber länger zum Drucken.

3D-Druck vs. additive Fertigung?

Diese Aneinanderreihung von Schichten gibt dem 3D-Druck seinen alternativen Namen – „Additive Manufacturing“.

Sie werden oft sehen, dass sich die verwendeten Begriffe auf denselben Herstellungsprozess beziehen. Die additive Fertigung ist das Gegenteil von „subtraktiven“ Prozessen, bei denen Material von einem größeren Block entfernt (oder subtrahiert) wird, um das endgültige Objekt zu erstellen, z. B. CNC-Bearbeitung.

FDM vs. FFF 3D-Druck – erklärt

Eine andere Sache, die Neueinsteiger in den 3D-Druck verwirren kann, sind Verweise auf FDM- (Fused Deposition Modeling) und FFF- (Fused Filament Fabrication) Prozesse. Auch dies sind im Wesentlichen unterschiedliche Namen für dasselbe, da sie sich beide auf einen bestimmten Typ von 3D-Drucker beziehen.

Es gibt verschiedene Arten von 3D-Druckern? Ja! Aber kein Grund zur Verwirrung – wir werden uns diese als Nächstes kurz ansehen.

Was sind die verschiedenen 3D-Drucktechnologien?

Kunststoffe sind ein vielseitiges Material, daher gibt es viele Herstellungsmöglichkeiten. Der 3D-Druck ist da keine Ausnahme, also lassen Sie uns die verschiedenen Methoden untersuchen.

Die am weitesten verbreiteten Technologien sind FFF-3D-Druck, SLA (Stereolithographie) und SLS (selektives Lasersintern).

Was ist FFF-3D-Druck?

Ein FFF-Drucker extrudiert einen dicken Materialstrang, allgemein als Filament bezeichnet, durch eine beheizte Düse. Die Düse ist auf einem Bewegungssystem montiert, das sie um einen Baubereich bewegt, wo geschmolzenes Filament auf eine Bauplatte aufgebracht wird. Während das Material abkühlt und sich verfestigt, bewegt sich die Bauplatte Schicht für Schicht um den Bruchteil eines Millimeters nach unten, bis das Objekt fertig ist.
Das FFF-3D-Druckverfahren

Was ist SLA-3D-Druck?

Beim SLA-3D-Druck wird ein UV-härtbares Harz als Rohmaterial verwendet. Das Harz wird in einen Behälter mit Glasboden gegossen, in den eine Konstruktionsplattform eingetaucht wird. Ein Laser strahlt UV-Licht auf das Harz, um einen Querschnitt der erforderlichen Form selektiv zu härten. Die Plattform hebt sich allmählich aus dem Behälter heraus, um den Druck aufzubauen.

Was ist SLS-3D-Druck?

Beim SLS-3D-Druck wird ein pulverförmiges Rohmaterial verwendet, typischerweise ein Polymer. Das Pulver befindet sich in einem Behälter, in dem eine Klinge eine dünne Materialschicht auf den Baubereich verteilt. Ein Laser verschmilzt die kleinen Materialpartikel zu einer einzigen horizontalen Schicht des Teils, dann bewegt sich der Behälter um den Bruchteil eines Millimeters, um eine neue Schicht zu beginnen, und die Klinge streicht über den Baubereich, um eine neue Rohschicht aufzubringen Material. Dieser Prozess wiederholt sich, um das fertige Objekt zu erstellen.
Ein Modell, das auf einem SLA-Drucker in Harz gedruckt wurde
Entfernen eines fertigen SLS-3D-gedruckten Teils

Dies ist keineswegs eine vollständige Liste, und Sie können auch auf Folgendes stoßen:

  • DLP (direkte Lichtverarbeitung) – Ein harzbasierter Prozess ähnlich dem SLA. Anstatt dass ein Laser jeweils nur einen einzelnen Harzpunkt aushärtet, verwendet DLP Licht, um ein Bild der gesamten Schicht in das Harz zu projizieren
  • Binderdüsen – Ein pulverbasierter Prozess ähnlich SLS, außer dass das Pulver durch ein Bindemittel und nicht durch einen Laser verschmolzen wird
  • Materialspritzen – Eine Variation des „2D“-Tintenstrahldrucks, mit der 3D-Teile durch Auftragen von Wachs oder Kunststoffmaterial und anschließendes Aushärten mit UV-Licht erstellt werden können
  • SLM (Selektives Laserschmelzen) – Eine von wenigen ähnlichen Variationen der SLS-Technologie für den Metall-3D-Druck

Möchten Sie die Vor- und Nachteile der einzelnen Technologien verstehen? Lesen Sie unseren ausführlichen Leitfaden zum Vergleich von 3D-Druckverfahren.

Welche Materialien werden beim 3D-Druck verwendet?

Kunststoffpolymere sind das am häufigsten verwendete Material im 3D-Druck. Die Verwendung anderer Materialien ist möglich. Zum Beispiel gibt es dedizierte Metall-3D-Drucker, aber diese sind Nischen im Vergleich zu Polymerdruckern. Und für Baumaterialien wie Beton wird mit der Entwicklung überdimensionaler Maschinen auf Basis der 3D-Drucktechnologie begonnen.

Mainstream-3D-Druckertypen wie FFF und SLS können Mischungen aus Polymeren und anderen Materialien (wie Metall, Glas oder Holz) drucken. Diese sind als Verbundwerkstoffe bekannt und bieten einige der Eigenschaften des gemischten Materials.

Im Zusammenhang mit dem FFF-3D-Druck werden die Begriffe „3D-Druckmaterial“ und „3D-Druckfilament“ möglicherweise synonym verwendet. Dies liegt daran, dass das Rohmaterial auf Spulen aus dünnem Filament geliefert wird.

In den folgenden Abschnitten werden wir uns einige 3D-Druck-Filamente genauer nach Kategorien ansehen.

Startermaterialien für den 3D-Druck

PLA

Aus organischen, nachwachsenden Rohstoffen gewonnen und einfach zu drucken, ist PLA das erste Filament für Anfänger. PLA hat auch hervorragende optische Eigenschaften. Aufgrund seiner geringen Temperaturbeständigkeit und der Tatsache, dass sich die mechanischen Eigenschaften im Laufe der Zeit verschlechtern können, wird PLA jedoch häufig für funktionelle und mechanische Anwendungen übersehen.

PETG

Eine ausgewogene Mischung von Eigenschaften hat PETG zu einem der am häufigsten verwendeten 3D-Druckmaterialien werden lassen. Es könnte durchaus als „Ingenieursmaterial“ eingestuft werden, ist aber dank guter Bedruckbarkeit auch für Einsteiger eine gute Option. Durch die Kombination von Schlag- und Chemikalienbeständigkeit mit guten thermischen Eigenschaften, während es gleichzeitig billiger als viele andere technische Materialien ist, ist es für viele Anwender das Filament der Wahl für technische Anwendungen.

Technische 3D-Druckmaterialien

Nylon

Nylon ist chemikalienbeständig und in der Lage, erheblichen mechanischen Belastungen standzuhalten und ist eine vielseitige Option für Endverbraucherteile.

ABS

ABS bietet im Vergleich zu PLA überlegene mechanische und hitzebeständige Eigenschaften und ist ein Material für anspruchsvollere Anwendungen. Es kann jedoch schwierig sein, damit zu drucken, insbesondere auf einem billigeren Open-Frame-3D-Drucker. Eine geschlossene Baukammer und kontrollierte Temperatur sorgen für ein viel zuverlässigeres Erlebnis.

Visuelle Prototypen sollten gute ästhetische und taktile Eigenschaften aufweisen
Endverbrauchsteile benötigen Materialeigenschaften, die zu ihrer Anwendung passen, wie z. B. Verschleißfestigkeit oder Flammschutz

Flexible Materialien für den 3D-Druck

TPU

Durch seine gummiähnlichen Eigenschaften lässt sich TPU verdrehen, dehnen und hält Stößen problemlos stand.

PP

Halbflexibel und ermüdungsbeständig, PP (oder Polypropylen, wie Sie es vielleicht kennen) ist ideal für Anwendungen, die eine gewisse Flexibilität erfordern, wie z. B. Scharniere oder Flüssigkeitsbehälter.

Spezielle Materialien für den 3D-Druck

Kompositmaterialien

Diese Filamente kombinieren ein Polymer mit Fasern aus einem anderen Material, um verbesserte Eigenschaften zu erzielen. Es gibt zwei Hauptkategorien. Technische Verbundwerkstoffe wie Glas-, Kohlenstoff- oder Metallfasern bieten verbesserte mechanische Eigenschaften wie Festigkeit und Steifigkeit. Und für einzigartige visuelle Eigenschaften gibt es Verbundstoffoptionen wie Keramik- oder Holzfilamente für den 3D-Druck oder sogar Glow-in-the-Dark. (Hinweis: Die Fasern in Verbundfilamenten können Abrieb verursachen, überprüfen Sie daher, ob Ihr Drucker kompatibel ist, bevor Sie einen verwenden).

Während sie sich manchmal mit den oben genannten Kategorien überschneiden, gibt es auf dem Markt viele weitere spezielle 3D-Druck-Filamente zu entdecken, wie z. B. ESD-sichere oder flammhemmende Materialien.

Hilfsmaterialien

Lassen Sie uns zunächst kurz erklären, was diese sind.

Jede neue Schicht eines 3D-Drucks erfordert die darunter liegende Schicht, um sie zu unterstützen. Probleme treten auf, wenn das Design eines Drucks einen Überhang oder ein Element erfordert, das in der Luft hängt. Diese Materialien „stützen“ es also während des Druckvorgangs buchstäblich und werden danach entfernt. Stützen können mit dem gleichen Material wie der Rest des Drucks gedruckt werden, aber ihre Entfernung kann die Oberflächenqualität und Maßhaltigkeit beeinträchtigen. Um dies zu vermeiden, wurden spezielle Stützmaterialien entwickelt.

Lösliches Trägermaterial

Lösliche Stützmaterialien sind auflösbar, sodass keine Gefahr besteht, dass Ihr Teil beim manuellen Entfernen beschädigt wird. PVA-Trägermaterial löst sich in Wasser auf, während HIPS das Lösungsmittel d-Limonen benötigt.

Ausbrechen

Irgendwo zwischen den bisher erwähnten Optionen ist ein Material wie Breakaway ein eigenständiges Stützmaterial, das manuell entfernt wird. Dies macht den Prozess schneller als das Warten auf das Auflösen, während die Maßhaltigkeit des Teils erhalten bleibt.
Ein 3D-gedrucktes Teil mit Stützmaterial (links) und nachdem das Stützmaterial entfernt wurde (rechts).