Was ist 3D-Druck? Lerne die Welt der Schichten kennen!

Hier lernst du übersichtlich, was der 3D-Druck ist, was einen 3D-Drucker ausmacht und welche Persönlichkeiten eine Rolle in der Entwicklung dieser Technologie spiel(t)en.

Viel Spaß beim Entdecken!

Was ist 3D Druck?

Der 3D Druck wird in der Literatur zu den urformenden Fertigungsverfahren gezählt. Das heißt, dass hierbei aus einem formlosen Stoff ein fester Körper hergestellt wird, welcher eine geometrisch definierte Form besitzt. Beim 3D Druck werden physische Objekte aus digitalen Dateien erzeugt. Diese “digitale Basis” lässt sich auf mehrere Arten generieren:

Die auf diese Weise entstandenen Daten können vom 3D Drucker nicht gelesen und 3D gedruckt werden. Dazu wird eine Software benötigt, die die geometrische Form in die Maschinensprache des 3D Druckers (in den sogenannten G-Code) “übersetzt”. Diese Software nennt sich Slicer. Ein Slicer wie Cura von Ultimaker zerschneidet ein 3D Objekt zunächst in einzelne 2D-Scheiben. Anschließend berechnet sie auf Basis vorgegebener Einstellungen den Verfahrweg des 3D Druckkopfs (Print Head). Daraufhin wird beim 3D-Druck durch das schichtweise Auftragen von Material aus der digitalen Datei ein fester Körper hergestellt. Deswegen auch Additive Fertigung – es wird bei diesem Verfahren etwas hinzugefügt. Das Prinzip des Auftragens erfolgt je nach verwendeter Technologie unterschiedlich.

3D Druck Prozess
Der 3D Druck Prozess (exemplarisch)

Wie ist ein 3D Drucker aufgebaut?

3D Drucker unterscheiden sich nicht nur durch ihre Technologie voneinander. Auch innerhalb einer Technologie gibt es verschiedene Bauweisen. Im Prinzip sind sie sich aber alle ähnlich. Nachfolgend wird der Aufbau eines Fused Deposition Modeling (FDM) 3D Druckers mit zwei Düsen (Nozzles) gezeigt.

Aufbau 3D Drucker FDM
Der Aufbau eines FDM 3D Druckers – Infografik von Sercan Kahraman, CC-BY-SA; Bildquelle: threedom.de

Wie funktioniert ein 3D Drucker?

Im Falle des oben gezeigten 3D Druckers sind die Schritte folgendermaßen:

  1. Aufheizen des Heizbetts und der Düse bzw. Düsen
  2. Das Druck- bzw. Heizbett fährt hoch zum Druckkopf
  3. Es wird geschmolzenes Filament auf das Heizbett aufgetragen bis die erste Schicht vollendet ist
  4. Anschließend fährt das Heizbett einen Weg von einer Schichthöhe (Gemessen in Mikrometer) herunter
  5. Die nächste Filament-Schicht wird auf die vorherige aufgebracht und mit ihr verschmolzen
  6. An Stellen mit einem Überhang kann entweder eine Stützstruktur aus demselben Material oder – wie in der Abbildung – aus einem anderen Material verwendet werden. Idealerweise lässt sich dieses Material im Wasser oder einer anderen Lösung auflösen (siehe PVA-Filament und HIPS-Filament).
  7. Wiederholen der letzten Schritt bis das Druckobjekt vollendet ist

Wer ist der Erfinder des 3D Drucks?

Bereits im 19. Jahrhundert gibt es erste Vorläufer des 3D Drucks und des 3D Scannens. 1859 erfindet der französische Bildhauer und Fotograf François Willème eine Apparatur, mit der es ihm gelingt, mithilfe mehrerer Kameras ein 3D Modell zu erstellen. Darauf basierend kann er dann Kopien des “gescannten” Objekts in unterschiedlichen Größen herstellen.

Der Österreicher Joseph E. Blanther meldet 1892 ein Patent zur Herstellung von Relief-Landkarten an. Hierfür werden zunächst Wachsplatten laminiert. Anschließend schneidet man die gewünschte Form aus den Wachsplatten heraus und klebt sie aufeinander. Dadurch entsteht Schicht-für-Schicht eine 3D-Landkarte. 

Es kann eigentlich nicht von einem Erfinder gesprochen werden, wenn es um den 3D-Druck geht. Viele Ideen basieren auf alten Entwicklungen und schlussendlich sind nur die Namen der Erfinder in der Öffentlichkeit, die kommerziellen Erfolg mit ihren Produkten feiern konnten. threedom möchte aber alle Namen erwähnen, weil jeder seinen Platz in unserer Geschichte verdient.

Weitere Informationen: 3D Druck Geschichte & Entwicklung

Hideo Kodama (SLA)

Der japanische Erfinder Hideo Kodama meldet 1980 ein Patent an, in dem er beschreibt, wie ein Photopolymermaterial unter dem Einsatz von UV-Licht aushärtet und so schichtweise ein Modell entsteht. Das ist auch das Prinzip der Stereolithographie. Fehlende finanzielle Mittel führen dazu, dass er die weiteren Schritte der Patentanmeldung nicht bezahlen kann, wodurch er heute nur wenigen Menschen in der Szene bekannt ist.

Alain le Méhauté, Olivier de Witte und Jean-Claude André (SLA)

Im Jahre 1984 melden die drei französischen Wissenschaftler Alain le Méhauté, Olivier de Witte und Jean-Claude André drei Wochen vor dem US-Amerikaner Chuck Hull ein Patent für ein Verfahren an, in dem Flüssigkeit mithilfe einer Lichtquelle gehärtet wird. Dieses Verfahren nennen die drei Stereolithographie. Das erste Druckobjekt der drei Erfinder ist eine Wendeltreppe. Das Forschungsinstitut, über welches sie das Patent anmelden, erkennt das Potenzial ihrer Erfindung nicht und stoppt die Finanzierung des Vorhabens, ein marktreifes Gerät zu entwickeln.

Chuck W. Hull (SLA)

Der US-Amerikaner Chuck W. Hull meldet ebenfalls im Jahre 1984 ein ähnliches Patent an. Er untersuchte zuvor das Verhalten von Photopolymeren unter UV-Licht und fand in langen Versuchsreihen die beste Kombination zwischen Lichtstärke, Bestrahlungsdauer sowie Photopolymer. 1986 gründet er auf Basis seines Patents das heute noch bekannte und aktive Unternehmen 3D Systems.

Carl R. Deckard (SLS)

Carl S. Deckard ist Student der University of Texas, als ihm die Idee dazu kommt, Objekte ohne Gussformen herstellen zu können. Die Universität erkennt das Marktpotenzial und unterstützt ihn. So kann er sich während des Studiums und der anschließenden Dissertation um die Optimierung der Technologie kümmern. Das Patent für das Selektive Lasersintern (SLS) meldet er 1987 an. Die University of Texas hat jahrzehntelang gute Einnahmen mit der Lizenzierung des Verfahrens an andere Unternehmen erzielt.

Steven Scott Crump (FDM)

Eigentlich möchte Steven Scott Crump nur einen Spielzeugfrosch für seine Tochter herstellen und testet hierbei ein selbst gemischtes Material aus Wachs und Kunststoff in einer Heißklebepistole. Diese Versuche führen dazu, dass er die Heißklebepistole mit einer Apparatur verknüpft, die XYZ-Achsen besitzt. So kann er fortan schönere Frösche herstellen als von Hand. 1989 meldet er das Patent für das Fused-Deposition-Modeling (FDM) an und bringt 1992 den ersten voll funktionsfähigen FDM-Drucker auf den Markt. Er und seine Frau Lisa gründen das Unternehmen Stratasys, in dessen Aufsichtsrat er noch heute sitzt.

SLA-1, der erste 3D-Drucker
Das ist der erste 3D-Drucker namens SLA-1 (Bildquelle: 3dhubs.com)

Welche 3D Druck Verfahren gibt es?

Um keine Patente von anderen Unternehmen zu verletzen, haben im Laufe der Zeit viele Unternehmen neue 3D Druck Verfahren entwickelt. Diese Verfahren erlauben bestimmte Funktionsweisen oder sind nur für bestimmte Zwecke sowie Materialien geeignet.

3D Druckverfahren

Fused Deposition Modeling (FDM)

Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird Kunststoff in Drahtform (genannt Filament) im Hotend des 3D Druckers geschmolzen und auf das Druckbett schichtweise aufgetragen. So entsteht additiv das gewünschte 3D Druck Objekt.

Stereolithographie (SLA)

Bei der Stereolithographie (SLA) dient Flüssigharz (auch Resin genannt) in einem Behälter als Ausgangsmaterial. Das Harz wird mithilfe eines Lasers beleuchtet und härtet an diesen Stellen aus.

Digital Light Processing (DLP)

Beim Digital Light Processing (DLP) wird Licht verwendet, um Flüssigharz auszuhärten. Im Gegensatz zum SLA Verfahren (Lichtquelle=Laser) dient bei DLP ein Projektor oder ein LCD Display als Lichtquelle.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) besteht das Ausgangsmaterial aus Metallpulver. Dieses Pulver wird mit einem starken Laser geschmolzen und erzeugt das gewünschte 3D Druckobjekt.

Selektives Lasersintern (SLS)

Das Selektive Lasersintern (SLS) unterscheidet sich im Prinzip wenig vom Laserschmelzen. Es wird jedoch eine Hitzequelle verwendet, die den Innenraum des SLS Druckers mitsamt Material und Bauraum erhitzt. Anschließend wird mit einem Laser Kunststoffpulver schichtweise geschmolzen, um das 3D Druck Objekt zu erhalten.

Binder Jetting

Beim Binder Jetting wird das pulverförmige Ausgangsmaterial im Bauraum mithilfe eines Klebstoffes – dem Binder – geklebt. Schichtweise entsteht so das gewünschte Objekt.

Material Jetting

Beim Material Jetting dienen Photopolymere als Ausgangsmaterial. Das Material wird erhitzt und in den Druckkopf geleitet. Dieser arbeitet in ähnlicher Weise wie ein Tintenstrahldrucker aus dem Büro oder Zuhause. Das erwärmte Material wird in feine Tröpfchen zerstäubt und schichtweise aufgetragen.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) erfordert leitfähiges Material in Pulverform als Ausgangsmaterial. Dieses Metallpulver wird mit einem Hochenergiestrahl aus Elektronen beschossen und geschmolzen. Jede vorherige Schicht schmilzt mit der neuen zusammen und erzeugt so einen festen Körper.

Welche Materialien können mit einem 3D Drucker gedruckt werden?

Beim 3D Druck hängt die Auswahl des Materials auch vom verwendeten 3D Druck Verfahren ab. Während manche eine breite Palette an Materialien drucken können, sind andere Verfahren stark beeinträchtigt. Auch gibt es 3D Drucker – ähnlich heute erhältlicher Tintenstrahl- und Laserdrucker – die nur das Material des jeweiligen Herstellers verarbeiten können. Meist erfolgt die Umsetzung beim 3D Druck auch mit einem Chip. Auf diesem ist beispielsweise der Materialtyp und die Menge des Materials gespeichert.

Wir beschreiben bereits viele Materialien mit ihren Vor- und Nachteilen sowie auch mit diversen Tipps zu Druckereinstellungen. Ferner zeigen wir dir auf, wie das beschriebene Material im 3D Druck (und im Alltag ohne den 3D Druck) zum Einsatz kommt.

3D Drucker Material
3D Drucker Material – Übersicht unterteilt nach Filament, Resin/Harz und Pulver

3D-Druck Vorteile

  • Weniger Abfall
  • Keine Werkzeugkosten
  • Hohe Prozessgeschwindigkeit
  • Individuelle Produkte – “Losgröße 1”
  • Komplexe Designs

Die Vor- und Nachteile des 3D-Druck findest du in detaillierter Version im Beitrag 3D-Druck: Vorteile und Nachteile

Nachteile des 3D-Druck

  • Hohe Kosten bei großen Stückzahlen
  • Eingeschränkte Material- und Farbauswahl
  • Genauigkeit
  • Begrenzte Stabilität

3D Druck Einsatzgebiete

Eine kurze Antwort auf die Frage “Wo wird der 3D Druck eingesetzt” wäre “fast überall”. So einfach will ich es mir aber nicht machen.

Aktuell werden 3D Drucker in folgenden Bereichen beziehungsweise Branchen eingesetzt:

Architektur und 3D Druck

3D Druck in der Architektur

Früher war die Erstellung von maßstabgetreuen Modellen in der Architektur ein langwieriger Prozess. Hier mal weniger Farbe oder da mal eine Wand weniger kannst du deinem Kunden natürlich nicht vorstellen und deswegen wurden solche Modelle bis ins kleinste Detail in mühevoller Handarbeit gebaut. Was passierte, wenn der Kunde noch Änderungen wünschte? Das wollen wir uns jetzt gar nicht erst vorstellen. Heutzutage können sowohl große Architekturbüros als auch unabhängige Architekten schnell und einfach mithilfe des 3D Drucks Modelle anfertigen. Dazu benötigen Sie nur die CAD Daten und können auch bei Änderungen schneller neue Modelle herstellen als nach der traditionellen Methode. Es ist je nach 3D Druck Verfahren ja auch möglich, diverse Fassadenfarben etc. zu kommunizieren.

Additive Fertigung in der Automobilindustrie

Während andere Branchen den 3D Druck gerade erst kennen lernen, gehört die Automobilindustrie zu den “Early Adoptern” dieser Technologie. Beispielsweise wurden relativ früh Prototypen und Fertigteile im Motorsport verwendet. Heute werden Bauteile aus mehreren Einzelteilen per 3D Druck hergestellt, um Gewicht zu sparen und dadurch letztendlich auch die Kraftstoffkosten zu senken. Der deutsche Autohersteller Porsche nutzt den 3D Druck auch, um Ersatzteile für Oldtimer herzustellen. Dadurch senken sie ihre Lagerhaltungskosten und produzieren nur auf Abruf.

Weitere Infos: Porsche Classic Programm

Einsatz des 3D Drucks in Luft- und Raumfahrt

3D Druck in Luft- und Raumfahrt

Wie auch die Automobilindustrie sind Unternehmen der Luft- und Raumfahrt Branche früh dazu über gegangen, den 3D Druck in der Herstellung von Prototypen und Fertigteilen einzusetzen. Mein Lieblingsraumfahrtunternehmen SpaceX von Elon Musk hat mit Hilfe des 3D Drucks die Triebwerkskammern für das SuperDraco-Triebwerk hergestellt.  Der SuperDraco wird auf der Dragon Raumsonde installiert. Diese Entscheidung verkürzte die Durchlaufzeit drastisch. Die Motorräume wurden aus Inconel, einer Hochleistungs Superlegierung, gedruckt und haben sich bereits mehrere Male in Tests bewährt.

Medizin & 3D Druck – Ein Dream-Team?!

3D Druck in der Medizin

Kaum ein anderer Bereich profitiert so stark vom 3D Druck wie die Medizin. Dieser Fachbereich ist riesig und deswegen sind auch die Möglichkeiten nahezu unendlich.

Ein möglicher Bereich der Medizin, der durch den 3D Druck beschleunigt wird, ist die Dentaltechnik. So können zum Beispiel Schienen oder Bohrschablonen heute mit 3D Druckern hergestellt werden. Bohrschablonen werden für Implantate genutzt. Es ist dort wichtig, dass der Winkel, mit dem der Bohrer eingeführt wird, perfekt eingestellt ist. Wird ein 3D Bild des Kiefers erstellt, kann die Schablone passend dazu konstruiert werden. Der Zahnarzt muss dann “nur” noch den Bohrer bedienen. Weiterhin geht die Technologie soweit, dass auch Kronen damit inzwischen produziert werden können. Auch Hörgeräte sind zu erwähnen, die immer kleiner und leistungsstärker werden. Diese sind auch schon seit langem das Ergebnis des 3D Drucks. Angepasst an das jeweilige Ohr sind nicht nur passgenaue Hörgeräte möglich, sondern auch in allen möglichen Farben. Besonders bei Kindern kann dies die Akzeptanz erhöhen, wenn sie Hörgeräte in ihrer Lieblingsfarbe haben.

Produktdesign mit Additiver Fertigung

3D Druck im Produktdesign

Produktdesigner nutzen den 3D Druck, um Testprodukte zu drucken, die sie dann einer Testgruppe von potenziellen Kunden zeigen. So nutzt ein Hersteller von Keramikbädern den BigRep, um mehrere Designvarianten einer Wanne zu erstellen. Diese werden dann verschiedenen Gruppen gezeigt. Die beliebtesten Varianten kommen weiter und so kann ein Design optimiert und an die Bedürfnisse der Zielgruppe angepasst werden, ohne den Einsatz von teuren Werkzeugen.

3D Druck im Maschinenbau – Wie werden 3D Drucker dort eingesetzt?

3D Druck im Maschinenbau

Der 3D Druck verringert die Kosten. Wie beim Produktdesign können Ingenieure verschiedene Lösungen für ein Problem designen und 3D drucken. Durch das haptische Feedback und auch das Betrachten von Bewegungsabläufen bei mechanischen Teilen sind viele Probleme weit vor der Produktion der Endprodukte zu ermitteln und zu beseitigen.

Modellbau – Ein Traum wird wahr

Modellbauer dürften sich über die Erfindung des 3D Drucks oder besser über die erschwinglichen 3D Drucker Bausätze gefreut haben. Es gibt derzeit keine andere Technologie, die es dem Menschen ermöglicht, die eigene Kreativität auszuleben wie der 3D Druck. Über das Internet können die 3D Drucker Vorlagen untereinander getauscht und auch bearbeitet werden. Es werden heute nicht nur “Zubehörteile” für den Modellbau gedruckt, wie zum Beispiel Ampelanlagen, Brücken und Rampen. Daniel Norée beispielsweise hat 2013 das Projekt Open R/C ins Leben gerufen und in dessen Rahmen diesen Formel 1 Wagen kreiert. Die Daten stehen jedem kostenlos zur Verfügung. ➡ Zu Daniels Homepage Weiterführende Informationen von threedom:3D Druck Anwendungsgebiete

Wie geht es weiter mit dem 3D Druck?

Jährlich werden schätzungsweise 300.000 3D Drucker im Endkundenmarkt verkauft. Wer den Markt etwas verfolgt, weiß, dass diese Zahl sich stetig vergrößert. 3D Hubs geht von einer Verdopplung dieser Zahl pro Jahr aus. Das ist schon eine Ansage. Um durch den Dschungel an verschiedenen Typen der 3D Drucker zu gehen, sind Blogs wie meins ja da.

Der Erfinder des 3D-Drucks: Chuck W. Hull
Chuck W. Hull – Gilt als der Erfinder des 3D-Drucks (Bildquelle: industryweek.com)