Was ist 3D Druck & wie funktioniert es? 2


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?“, 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 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-Scanen) eines bestehenden Gegenstandes erzeugt werden. Ein alternativer Begriff ist auch „generative/additive Fertigung

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 (große Hitze, evtl. komplexe Aushärtung und Modellierungseigenschaften), sind 3D-Drucker für Metalle und Keramik derzeit noch ziemlich teuer.

Update 2015 – Drucke mit Metall sind inzwischen durchaus auch relativ günstig auf einem FDM Drucker wie dem Ultimaker 2 möglich – z.B. mit ColorFabb Bronze– / CopperFill.

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:

FDM

Der Standard unter den 3D Druckern. FDM steht für Fused Deposition Modeling (auch bekannt als FFF) 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 (in den meisten Fällen wird er nur nur sehr knapp über seinen Schmelzpunkt erhitzt, um ihn nicht zu verbrennen) 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 meist 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 (Druckbett) langsam, Schicht für Schicht, absenkt.

Ich weiss, die Beschreibung klingt kompliziert, also einfach folgendes Video anschauen, bei dem der liebe Yoda gedruckt wird (mit einem Infill, das aus einer Wabenstruktur besteht).

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.

Sintern

Bei Sintering-Verfahren wird meist mit pulvrigen Druck-Grundstoffen (meist Metall) 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 abgeseknt 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.). Eine gute Beschreibung der unterschiedlichen Sinterverfahren findet sich auf der englischen Wikipedia. Am weit verbreitetsten einfachsten ist das Lasersintern (SLS = Selective Laser Sintering), das auch in der deutschen Wikipedia recht gut beschrieben ist.

 

Lithographie Verfahren

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. Hier gibt es ein schön erklärendes Bild dazu.

Ein Beispiel für das Litographie Verfahren bietet z.B. der Form1 von Formlabs.

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. Die bekanntesten CAD Programme sind z.B. Vectorworks, ArchiCAD, AutoCAD, oder SolidWorks. Es tun aber auch Freeware Programme wie Google SketchUp oder Blender.

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

Im dritten Schritt errechnet ein sogenannter Slicer 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 obe er 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 (ähnlich wie .ps bei herkömmlichen Druckern).

Ich hoffe dies beantwortet die meisten Fragen? Ansonsten fragt uns doch einfach…


2 Gedanken zu “Was ist 3D Druck & wie funktioniert es?

  • Lelala

    Hallo zusammen,
    danke für die Zusammenfassung. (jetzt müsst ihr nur noch paar Sätze schöner/runder gestalten, liest sich nämlich teilweise wie die Slides vom Kommunikations-Leghatenie Informatik-Prof ;-)

    Warum baut ihr nicht so ne Kette für 3D-Druck, ähnlich dem „Mailbox Franchise“, welche in fast jeder Stadt zu finden sind? Das ist sozusagen euer next Step ;-)

    Grüße,
    Lelala

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