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Nachdem ich jetzt schon seit längerem in meinem Bekanntenkreis jedem erzähle, wie toll 3D Drucken ist und immer noch oft die Frage kommt: “Was ist denn 3D Druck”, “Was bedeutet denn 3D Drucken” oder “Wie funktioniert das denn?”, gebe ich euch hier mal eine kurze Zusammenfassung.

Definition

Mit dem Begriff 3D Druck werden umgangssprachlich eine ganze Menge von Technologien bezeichnet, die sich mit der automatisch-maschinellen Erzeugung von Gegenständen aus festen, flüssigen oder pulverförmigen Materialien befassen. Die Beschreibung der Form der zu druckenden Gegenstände liegt digitalisiert (d.h. letztendlich in Form einer Datei) vor.

Diese Beschreibung kann und wird meist mit Hilfe sogenannten CAD Programmen erstellt und bearbeitet oder kann alternativ durch das 3-dimensionale Abtasten (3D-Scannen) eines bestehenden Gegenstandes erzeugt werden. Ein alternativer Begriff ist auch “generative/additive Fertigung“.

Es wird als additiv bezeichnet weil immer Material hinzugefügt wird, also aufgeschmolzen und geschichtet oder im Pulver gelasert oder Flüssigkeit erhärtet wird.

Technologien – 3D Drucktypen

Auf der einen Seite kann man die 3D Drucker natürlich anhand der Materialien, mit denen sie drucken können unterscheiden. Die meisten Drucker verwenden diverse Kunststoffe (Plastik) oder Kunstharze (sowas wie Klebstoff). Es gibt jedoch auch einige Drucker für Keramik, Metall und seit neuerem auch Schokolade, Zucker, Ton oder Lebensmittel.

Da Metall und Keramik aber wesentlich schwieriger zu bearbeiten sind (wegen der hohen Temperatur die Stahl zum Schmelzen benötigt zum Beispiel), sind 3D-Drucker für Metalle und Keramik derzeit noch ziemlich teuer.

Drucke mit Metall sind inzwischen durchaus auch relativ günstig auf einem FDM Drucker wie der BQ Witbox 2/dem Hephestos 2 möglich – z.B. mit Bronze– / Kupfer.

Ähnlich wie bei den allseits bekannten 2D Druckern, bei denen es zwei unterschiedliche Technologien des Drucks gibt (Laserdrucker und Tintenstrahldrucker) gibt es auch beim 3D Druck grundlegend verschiedene Druckertypen.

Technologie
Stereolithografie
Additiv
Punkt für Punkt
Laser
flüssig
DLP-Litografie
Additiv
vollständige Schicht
kein Laser
flüssig
SLS
Additiv
Punkt für Punkt
Laser
Pulver
FDM
Additiv
Punkt für Punkt
kein Laser
flüssig
Laminatherstellung
Substraktiv
vollständige Schicht
Laser
fest
Highspeed 
Substraktiv
Punkt für Punkt
kein Laser
fest

 

FDM

3D printing-FDM-modeling-fused-deposition

  • Düse
  • extrudiertes Material
  • Stützmaterial
  • Druckbett
  • Plattform
  •  Materialführung
  • Extruder

Der Standard unter den 3D Druckern. FDM steht für Fused Deposition Modeling und kann am ehesten mit “Modellierung durch Ablagerung von Geschmolzenem” ins Deutsche übersetzt werden. Diese etwas sperrige Übersetzung erklärt aber auch schon recht gut das Vorgehen beim Druck.


Dabei wird der Druckrohstoff (meist ein Kunststoff oder Kunstharz) erhitzt und geschmolzen und dann wie mit einer Heißklebepistole als Faden an den jeweiligen Ort “gespritzt”.

Es wird meist mit möglichst dünnen Fäden gearbeitet (0,1 -0,3 mm), die aus der Düse des Druckers (dem Druckkopf) kommen und aus denen der zu druckende Gegenstand aufgebaut wird. Das ganze geschieht Schicht für Schicht, so dass der Druckkopf nur in zwei Achsen bewegt werden muss, während sich der eine Basisplatte, auf der der zu druckende Gegenstand wächst (das Druckbett) langsam, Schicht für Schicht, absenkt.

Ich weiss, die Beschreibung klingt kompliziert, also einfach folgendes Video anschauen, bei dem ein Yoda gedruckt wird.

Der Druckrohstoff wird meistens in Form von langen “Schnüren”, auch Filament genannt (ähnlich wie z.B. Lötzinn, sieht aber aus wie ein Kabel) in den Drucker eingezogen. In Fadenform gibt es inzwischen auch Holz, Metall und flexible Filamente.

Sintern

3D printing-synthesized-selective-laser

  1. Laser
  2. Optik
  3. Scannerspiegel
  4. Pulverrolle
  5. ungesintertes Pulver
  6. Konstruktion
  7. receiving powder cartridge
  8. of the cylinder and bed dust
  9. cartridge feed

Bei Sintering-Verfahren wird meist mit pulvrigen Druck-Grundstoff gearbeitet. Durch gezieltes Erhitzen wird der gewünschte Gegenstand erzeugt. Auch hier wird wieder Schicht für Schicht von unten nach oben gearbeitet. Jedes mal wird dabei die Basis abgesenkt und eine neue Schicht Pulver auf der gesamten Fläche aufgetragen. Teile dieser neuen Schicht werden dann wieder Ausgehärtet. Dadurch entsteht der Gegenstand als 3D Gebilde in einem soliden Würfel aus Pulver. Das restliche Pulver muss im Nachhinein entfernt werden (mit Pinsel, Staubsauger, Gebläse etc.).

Die Sinterverfahren unterscheiden sich jedoch sehr stark dadurch, mit welchem Werkstoff gedruckt werden soll und damit hinsichtlich des Verfestigungs- / Aushärtungs-prinzips des Grundstoffes (schmelzen bei Metallen, aushärten bei Kunstharzen, trocknen / brennen bei Keramik etc.). Am weit verbreitetsten einfachsten ist das Lasersintern (SLS = Selective Laser Sintering), das auch in der deutschen Wikipedia recht gut beschrieben ist.

 

Lithographie Verfahren

3D printing-stereolithography

  1. Laser
  2. Aufzug
  3. Behälter
  4. Harz
  5. Plattform

Ein Spezialverfahren, das technisch zu den 3D Drucktechnologien gehört, aber hauptsächlich aus der Herstellung von Microchips verwendet wird. Hierbei wird eine photo-instabile Flüssigkeit meist mit Licht oder Laser stellenweise gehärtet, wodurch ebenfalls ein dreidimensionaler Gegenstand erzeugt werden kann. Auch hier wird wieder Schicht für Schicht ein Objekt aus einem Flüssigkeitsbecken gehärtet.

Ein Beispiel für das Litographie Verfahren bietet z.B. unser Sunrise 3D Drucker – die Pläne hierfür findet ihr übrigens auf Github. Ihr könnt euch den Drucker also selbst nachbauen.

Sunrise DLP

Sunrise DLP

Vorgehen für den 3D-Druck

Schritte vom 3D Modell zu gedruckten Gegenstand

Schritte vom 3D Modell zu gedruckten Gegenstand

 

Was passiert beim 3D Drucken in welcher Reihenfolge?

Zuerst muss für einen 3D Druck der zu druckende Gegenstand beschrieben werden. Die Beschreibung ist quasi eine technische Zeichnung des Gegenstandes, bei der Höhe, Breite und Tiefe jedes Einzelteils genau beschrieben werden müssen. Für die Erstellung einer solchen Beschreibung gibt es zweierlei Möglichkeiten. Im einfacheren Fall gibt es schon eine Vorlage für den Gegenstand, der gedruckt werden soll (z.B. ein Wachsmodell, oder wenn ein Originalteil gebrochen ist, kann man es provisorisch wieder kleben). In dem Fall kann man die Vorlage einfach automatisiert von Computern vermessen lassen – auch 3D Scan genannt. Sofern noch keine Vorlage existiert muss man die Beschreibung mittels eines CAD Programms selber erstellen.

Cura GCode

Cura GCode

Im zweiten Schritt muss man die Beschreibung ins STL-(Datei-)Format exportieren.

Cura GCode Ansicht

Cura GCode Ansicht

Im dritten Schritt errechnet ein sogenannter Slicer (z.B. das Programm Cura von Ultimaker) die Bahn, die der Druckkopf für den Druck abfahren muss. Hierbei ist es natürlich wichtig, wie solide (sprich wie stark ausgefüllt) der jeweilige Gegenstand gedruckt werden soll. Massiv gefüllt (100% Infill) oder im Extremfall innen leer / hohl (0% Infill). Resultat des Slicers ist der sogenannte G-Code. Der G-Code kann dann von jedem 3D Drucker gedruckt werden.