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3D Druck

3D Druck - gedrucktes Logo auf dem Ultimaker 2
3D Druck – gedrucktes Logo auf dem Ultimaker 2 (Druckverfahren FDM)

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck zählt zu den generativen Fertigungsverfahren, welche auch als Additive Fertigung (Additive Manufacturing AM) bezeichnet werden. Dabei entstehen aus flüssigen, festen oder pulverförmigen Ausgangswerkstoffen (z.B. Kunststoff, Kunstharz, Keramik, Metall oder Verbundwerkstoffe) dreidimensionale Werkstücke.

Obwohl es mittlerweile viele unterschiedliche Druckverfahren gibt, ist die Prozesskette bis zum fertigen Bauteil im Prinzip immer dieselbe. Eine Software zerlegt ein 3D erzeugtes CAD-Modell in einzelne Scheiben und erzeugt das Fertigungsprogramm für den 3D-Drucker. Dieser baut das Werkstück dann Schicht für Schicht in der jeweiligen Verfahrensform auf.

Prozesskette beim 3D-Druck

  1. 3D-Modell (CAD-Modell)
  2. Prozessvorbereitung
    1. Konvertierung in STL-Datei
    2. Software – Orientierung des Modells im Druckraum, ggf. hinzufügen von Stützstruktur, Slicing (nach vorgegebener Schichtdicke wird das digitale 3D-Modell in Scheiben geschnitten und für Scheibe der G-Code geschrieben)
    3. Vorbereitung des 3D-Druckers
  3. Druckprozess
    1. Physische Herstellung
    2. Entnahme des physischen, dreidimensionalen Modells
  4. Nachbearbeitung
  5. Fertiges Bauteil

Früher und heute – Entwicklung des 3D Drucks

Im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren, zählt der 3D-Druck natürlich zu den neueren. Jedoch hatte der US-amerikanische Erfinder und Ingenieur Charles W. Hull die Stereolithografie schon 1981 erfunden. Und diese gilt als erstes 3D-Druckverfahren überhaupt. Weitere Verfahren wie das Lasersintern 1987 oder das Fused Deposition Modeling 1988 folgten.

Zu Beginn wurden die Verfahren nur im Prototypenbau eingesetzt. So entstand der Begriff Rapid Prototyping. Man erkannte die Vorteile gegenüber den subtraktiven Fertigungsverfahren, wie z.B. der wegfallende Materialverlust. Außerdem müssen im Gegensatz zu anderen generativen Fertigungsverfahren (z.B. Spritzgießen) keine aufwändigen Formen erstellt werden. So wird das Verfahren heute auch in der Serienfertigung eingesetzt, wenn wirtschaftlich sinnvoll – Rapid Manufacturing.

Durch die Maker-Szene haben 3D-Drucker mittlerweile auch Einzug in viele Privathaushalt gefunden. Drucker sind erschwinglich und auch im Netz hat sich schon eine große Community um das Thema 3D-Druck gebildet. Hier bieten Designer, Architekten, Ingenieure und Tüftler ihre 3D CAD-Modelle zum Kauf oder auch kostenlos an. Wer als Heimanwender also mal nicht weiß, welches Objekt er als nächstes drucken soll, wird auf den vielen Plattformen fündig. Und auch wer keinen 3D-Drucker zuhause hat, muss nicht auf diese Technologie verzichten. FabLabs oder ortsnahen Dienstleister gewährleisten eine kundennahe Produktion dreidimensionaler Objekte.

Vorteile und Nachteile von 3D-Druck

Vorteile

  • Geringer Materialverbrauch
  • Ganz neue Konstruktionen sind möglich (z.B. bionische Strukturen) – hohe Geometriefreiheit
  • Wirtschaftlichkeit steigt mit steigender Komplexität der Geometrie
  • Wirtschaftlich sinnvoll für kleinere Stückzahlen (nach aktuellem Stand der Technik)
  • Werkzuglose Fertigung – für den Druckprozess alleine werden keine weiteren Werkzeuge benötigt
  • Hohes Potenzial in der Leichtbautechnik
  • Hohes Potenzial in der Digitalisierung von Prozessketten
  • Beeinflussung der Bauteil- bzw. Materialeigenschaften durch verfahrensgerechte Konstruktion möglich
  • Entwicklungs- und Innovationsprozesse können beschleunigt werden – siehe auch: Gründe für den Einsatz von 3D Drucker in der Produktentwicklung
  • Kundennahe Produktion möglich – kürzere Lieferketten
  • Dezentrale Fertigung (Cloud Producing) sowie die Fertigung ausschließlich auf Bedarf (on demand) bietet Chancen in der Nachhaltigkeit

Nachteile

  • Lange Fertigungszeiten, relativ kleine Aufbaugeschwindigkeit
  • Begrenztes Bauvolumen – abhängig vom jeweiligen Drucker
  • Eine Nachbearbeitung ist oft notwendig
  • Hohe Stückzahl (noch) nicht wirtschaftlich
  • Bauteil- und Materialeigenschaften sind abhängig vom jeweiligen 3D-Druckverfahren und teilweise sehr unterschiedlich
  • Die Möglichkeit, „alles“ reproduzieren zu können birgt Konfliktpotenzial mit dem Urheberrecht bzw. Patentrecht

Welche 3D-Druckverfahren gibt es?

Im Laufe der Zeit haben sich eine Vielzahl unterschiedliche und aber im Prinzip teilweise auch sehr ähnliche technische Verfahren entwickelt. Diese additiven Fertigungsverfahren werden laut aktuellem Normentwurf DIN EN ISO/ ASTM 52900 (Additive Fertigung – Grundlagen – Terminologie) in folgende Kategorien eingeteilt:

  1. Freistrahl-Bindemittelauftrag,
  2. Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung,
  3. Materialextrusion,
  4. Freistrahl-Materialauftrag,
  5. pulverbettbasiertes Schmelzen,
  6. Schichtlaminierung und
  7. badbasierte Photopolymerisation

Einige spezifische 3D-Druckverfahren im Überblick und Vergleich:

Sind 3D-Drucker gesundheitsgefährdend?

Forscher am Illinois Institute of Technology haben in einer Studie herausgefunden, dass 3D-Drucker, die auf Kunststoffbasis arbeiten, Feinstaubpartikel produzieren können – Ist Filament gesundheitsschädlich?.

Durch das Aufheizen und Drucken der Kunststoffe können ultrafeine Partikel (UFP) unter 100 Nanometer im Durchmesser ausgestoßen werden. Eine Person, die direkt am Drucker arbeitet, atmet diesen Feinstaub ein. Wer über längere Zeit solch hohen Konzentrationen von UFPs ausgesetzt ist, kann an Lungenkrebs oder Asthma erkranken oder sogar einen Schlaganfall erleiden.

Die Messungen wurden mit einem 3D-Drucker für Schmelzschichtverfahren (FDM – fused deposition modeling) durchgeführt. Dabei wurde ein dreidimensionaler Frosch auf mehreren Druckern gefertigt und die Konzentration von UFP in der Luft gemessen. Als Material wurde Polyactid (PLA) und Acryl-Butadien-Styrol (ABS) verwendet. ABS besitzt eine wesentlich höhere Emissionsrate an UFP wie PLA.

Laut der Studie gibt ein 3D-Drucker die gleiche Menge an Feinstaubemissionen frei, wie sie ein Gas- oder Elektroherd beim Kochen abgibt. Viele „günstigere“ Modelle sind nicht mit Ventilatoren und Filtereinheiten ausgestattet. Deswegen und durch die hohe Emissionsrate appellieren die Forscher an kommerzielle Nutzer, die die Drucker in Bürogebäuden benutzen, Filteranlagen im Bereich der 3D-Drucker einzubauen.

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