3D Druck Verfahren – Die Übersicht der bekanntesten Verfahren

In diesem Beitrag werden alle derzeit eingesetzten 3D Druck Verfahren vorgestellt. Dabei gehe ich kurz auf die Funktionsweise ein und zeige dir anhand von Videos, wie jedes Verfahren funktioniert. Zu manchen von ihnen habe ich auch tiefergründigere Informationen ausgearbeitet. Die Links dazu findest du am Ende jedes Abschnitts zum jeweiligen Verfahren.

Die hier vorgestellten 3D Druckverfahren sind:

  • Fused Deposition Modeling (FDM)
  • Stereolithografie (SLA)
  • Selektives Laser Sintern (SLS – Selective Laser Sintering)
  • Pulver-Binder-Verfahren / Binder Jetting
  • Poly Jet/ Material Jetting
  • Selektives Laser Schmelzen (SLM – Selective Laser Melting)

Fused Deposition Modeling (FDM Verfahren) – Das bekannteste 3D Druck Verfahren


Das Fused Deposition Modeling, kurz FDM, ist wohl das bekannteste Verfahren der additiven Fertigungstechnologien. In der Öffentlichkeit wird der Begriff 3D Druck mit diesem Verfahren gleichgestezt, weil in den einschlägigen Medien auch häufig nur das FDM-Verfahren gezeigt wird. Beim FDM Verfahren wird das Material – hier Filament genannt – von einer Spule abgerollt und in den Druckkopf (Hotend) des 3D Druckers hineingeschoben. Dieser Druckkopf besteht aus einer Düse, aus der das Material heraus extrudiert wird.

Im Prinzip ähnelt das Verfahren der Nutzung einer Heißklebepistole.

Das geschmolzene Material wird auf ein zumeist beheiztes Druckbett (auch Heizbett/Heatbed genannt) aufgetragen. Es ist beim FDM Verfahren sehr wichtig, dass die erste Schicht perfekt haftet. Nichts ist schlimmer, als nach einer Nacht zum 3D Drucker zu gehen und zu entdecken, dass sich das Druckobjekt vom Heizbett gelöst hat. (Ich nutze seit geraumer Zeit Pertinaxplatten als Dauerdruckplatten ein und habe seitdem keine Probleme mehr mit diesem Phänomen.) Das Filament wird also aufgetragen und kühlt sich im Verlauf des Drucks so ab, dass sie sich mit der nächsten Schicht verbindet, aber nicht komplett verschmilzt. So wird die Nutzung eines Bauteilelüfters beispielsweise bei PLA fast immer bevorzugt, da die Umgebungstemperatur nicht ausreicht, um das Material entsprechend zu kühlen.

Welche Materialien können mit dem FDM Verfahren 3D gedruckt werden?

Der Materialmarkt für das FDM Verfahren wächst durch die große Popularität des Verfahens stetig und ermöglicht es dir und mir, das beste Material für das gewünschte Ergebnis einzusetzen. Die Materialauswahl reicht von PLA, ABS, Nylon, PETG bis hin zu exotischen Lösungen mit beigesetztem Carbon, Kupfer, Holz oder auch Stahl. (Erfahre hier mehr über 3D Druck Material)
Das Fused Deposition Modeling gilt als das kostengünstigste 3D Druck Verfahren und bietet schnelle Ergebnisse im Rapid Prototyping an. Für Endprodukte eignet sich dieses Verfahren nur dann, wenn eine entsprechende Nachbearbeitung erfolgt, um die sichtbaren Schichten zu glätten. Für mechanisch beanspruchte Objekte eignet es sich besonders dann, wenn neben dem Material auch die Druckrichtung und somit die Richtung der Schichten mit in die Betrachtung einfließen.

Es werden immer mehr Lösungen angeboten, mit denen die Nutzung von mehreren Farben bzw. Materialien gleichzeitig ermöglicht wird. Ich bin gespannt, was uns dort noch erwartet.

➡ Möchtest du einen FDM 3D Drucker kaufen? Dann schaue dir doch den Beitrag 3D Drucker Bausatz kaufen – Welche gibt es? an oder gehe direkt zum Testbericht meines aktuellen Lieblings “Creality CR 10”.

Erfahre hier mehr über das Fused Deposition Modeling!

Stereolithografie (SLA Verfahren) / Digital Light Processing (DLP Verfahren)


Sowohl das Stereolithografie Verfahen (SLA) als auch das Digital Light Processing (DLP) erzeugen 3D Druckobjekte aus einem flüssigen (Photopolymer-)Harz, indem sie eine Lichtquelle verwenden, um das flüssige Material zu verfestigen.

Um ein 3D Druckobjekt zu erstellen, wird eine Bauplattform in einen transluzenten Tank mit flüssigem Harz getaucht. Sobald die Bauplattform untergetaucht ist, bildet ein Licht jede Schicht des Objekts durch den Boden des Tanks ab und verfestigt so das Material. Nachdem die Schicht durch die Lichtquelle verfestigt wurde, hebt sich die Plattform hoch und lässt eine neue Harzschicht unter dem Objekt wieder fließen. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt, bis das gewünschte 3D Objekt fertiggestellt ist. Es gibt aktuell zwei gängige Methoden, die sich nach der Lichtquelle unterscheiden:

Das 3D Druckverfahren SLA verwendet einen Laser, während DLP einen Projektor nutzt.

SLA & DLP 3D-Drucker produzieren hochpräzise Teile mit glatter Oberfläche und werden häufig für hochdetaillierte Skulpturen, Schmuckformen und Prototypen verwendet. Wegen ihres relativ kleinen Bauraums im Desktopbereich, eignen sie sich nicht unbedingt für Großprojekte.

Der derzeit wohl bekannteste SLA Drucker ist der Formlabs Form 2, welchen du für knapp 3600€ bei igo3D bestellen kannst. Er ist sicherlich eher für Prosumer und Unternehmen geeignet.
Wenn du dennoch in den Genuss von hochauflösenden Drucken kommen möchtest, empfiehlt sich der DLP 3D Drucker Wanhao Duplicator 7 hierfür, dessen Preis inkl. Versand bei ca. 500€ liegt.

Erfahre hier mehr über das Stereolithographie Verfahren!

Selektives Lasersintern (SLS Verfahren)


Das Selektive Lasersintern (SLS) ist ein 3D Druckverfahren, das einen Laser verwendet, um pulverförmiges Material zu schmelzen und zu verfestigen.
SLS Drucker besitzen zwei Kammern, in denen jeweils eine vertikal bewegliche Plattform vorhanden ist. Die erste Kammer dient sozusagen als Materiallager und in der zweiten Kammer wird der tatsächliche Druckvorgang durchgeführt. Dieser ist ganz einfach erklärt:

Es wird aus der ersten Kammer mithilfe einer Walze Material in die zweite Kammer “gedrückt”. Zu Beginn des Druckprozesses bildet ein Laser die erste Schicht des Objektes im Pulver ab, das das Material selektiv schmilzt – oder sintert. Sobald eine Schicht erstarrt ist, bewegt sich das Druckbett leicht nach unten, während das andere Bett aus dem “Materiallager” sich um die gewählte Layerhöhe nach oben drückt. Die Walze transportiert dann wiederum Material in den Druckraum. Dieser Vorgang wiederholt sich bis das gewünschte Objekt fertig gestellt ist.

SLS wird häufig für die Herstellung von Funktionsprototypen und auch von Endprodukten eingesetzt. Der größte Vorteil des Lasersinterns ist die nahezu vollständige Gestaltungsfreiheit. Überschüssiges Pulver dient als Supportmaterial für das 3D Druck Objekt, wodurch komplexe und komplizierte Formen ohne zusätzliche Unterstützung hergestellt werden können. Jedoch benötigen die gedruckten Objekte eine gewisse Abkühlzeit nach dem Druckvorgang, wodurch die Durchlaufzeiten wiederum erhöht sind.

Zu den Materialien des SLS Verfahrens gehören verschiedene Kunststoffe wie Polyamide (Nylon), Polystyrole und thermoplastische Elastomere.
Das SLS Verfahren galt bis vor einigen Jahren als zu teuer für den Heimanwender. Jedoch sind mit dem Sintratec S1 und dem Sinterit Lisa zwei SLS Drucker erschienen, die mit derzeit ca. 5000€ immerhin in Reichweite gerückt sind.

Es gibt jedoch auch kreative Maker wie Vulcaman aus Dortmund (ebenfalls Ruhrgebi3Dler), die SLS Drucker selbst gebaut haben, die bereits in der frühen Entwicklungsstufe akzeptable Ergebnisse liefern. Schau dir dazu mal seine englische Anleitung auf Instructables an.

Lerne hier mehr über das Selektive Lasersintern!

3D Druck Verfahren: Metalldruck mit SLM/EBM


Das Selektive Laserschmelzen (SLM) und das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) sind zwei der bekanntesten 3D-Drucktechnologien für Metalle. Ähnlich dem SLS Verfahren entstehen hier Objekte aus dünnen Schichten pulverförmigen Materials durch selektives Schmelzen mit Hilfe einer Wärmequelle. Die Wärmequelle beim SLM ist ein Hochleistungslaser, wohingegen beim EBM ein Elektronenstrahl zum Einsatz kommt.

Der Aufbau dieser Drucker ähnelt ebenfalls denen de SLS Drucker. Während des Druckprozesses verteilt die Maschine eine Schicht Metallpulver auf eine Bauplattform, die mit einem Laser (SLM) oder einem Elektronenstrahl (EBM) aufgeschmolzen wird. Die Bauplattform wird anschließend abgesenkt und mit einer neuen Schicht Metallpulver mithilfe einer Walze beschichtet. Dies wird wiederholt, bis das Objekt fertig ist. Im Gegensatz zum SLS Verfahren werden bei SLM und EBM Stütztstrukturen benötigt, die das gedruckte Objekt und die überhängenden Strukturen an der Bauplattform verankern. So wird die Wärme vom geschmolzenen Pulver weg geleitet. Während für den SLM Druck eine sauerstoffarme Umgebnung benötigt wird, findet der EBM Druck im Vakuum statt, um beispielsweise Verformungen vorzubeugen.

SLM und EBM werden im industriellen Bereich eingesetzt und haben dementsprechend ihren Preis. Bei Nachfragen auf der formnext 2017 waren Preise über 100.000 € die Regel.

Wusstest du, dass immer mehr kritische Bauteile mit diesen Verfahren hergestellt werden?

SpaceX setzt den 3D Druck für den Bau von Raketenbauteilen an:

Lerne das Selektive Laserschmelzen (SLM) hier genauer kennen!

Binder Jetting – Was kann dieses 3D Druck Verfahren?

Das Binder Jetting, auch Pulver-Binder-Verfahren genannt, ähnelt in der Art und Weise dem SLS Verfahren. Beim Binder Jetting werden ebenfalls zwei Kammern benötigt und das Ausgangsmaterial ist pulverförmig. Um ein Objekt aufzubauen, wird jedoch kein Laser verwendet, sondern ein Bindemittel. Dieses Bindemittel dient dazu, das Pulver an der gewünschten Stelle miteinander zu verbinden.
Es wird Pulver von einer in die andere Kammer verbracht und dort das Bindemittel aufgetragen. Wie beim SLS Verfahren wird per Walze zusätzliches Material hinzugefügt und dann wiederum bearbeitet. So baut sich Schicht für Schicht das 3D Druck Objekt auf. Nach dem Druckvorgang wird das Objekt von überschüssigem Pulver befreit und mit einem Klebstoff beschichtet. Dadurch wird das Objekt fester und widerstandsfähiger gegen Verfärbungen.
Das Binder Jetting Verfahren wird in der Industrie eingesetzt und ermöglicht es, in Vollfarbe (Sandstein) zu drucken. Dadurch ist es ebenfalls möglich, gescannte Menschen, Objekte, Tiere oder ganze Architekturmodelle in Vollfarbe auszudrucken. Die Technologie ist im Gegensatz zu SLS günstiger, da der Druckprozess weniger Energie benötigt. Jedoch sind die gedruckten Objekte nicht so belastbar.

Achtung: Der Begriff 3D Druck bezieht sich in Fachkreisen auf das Pulver-Binder-Verfahren. Im allgemeinen Sprachgebrauch hat sich aber der Begriff 3D Druck als Synonym für den Oberbegriff „Additive Fertigungsverfahren“ etabliert. Aus dem Grund nutzen wir hier den Begriff 3D Druck ebenfalls als Oberbegriff. Pulver-Binder-Verfahren bzw. Binder Jetting werden somit hier nicht mit dem Begriff 3D Druck gleichgesetzt.

Material Jetting (Polyjet / MultiJet Modeling Verfahren)


Wenn du jetzt denkst “Polyjet, kommt mir irgendwie bekannt vor”, dann kommt das nicht von ungefähr. Das Verfahren nennt sich eigentlich Material Jetting und die beiden Konkurrenten Stratasys (PolyJet) und 3DSystems (Multijet Modeling) haben sich verschiedene Namensrechte dazu gesichert. Bei der Technologie wird ähnlich dem heimischen Tintenstrahldruck auf Papier, flüssiges Photopolymer auf eine Bauplattform aufgetragen und im selben Vorgang mit UV-Licht ausgehärtet.

Der Druckkopf spritzt dazu das flüssige Material auf die Bauplattform und die eingebaute UV-Einheit härtet diese aus. Bei Überhängen wird ähnlich dem FDM Verfahren Supportmaterial eingesetzt. Dieses besteht hierbei aus einenm gelartigen Trägermaterial, welches ebenfalls vom Drucker direkt aufgetragen werden kann. Das Supportmaterial ist leicht entfernbar.
Das Material Jetting wird ebenfalls in der Industrie eingesetzt und die Auswahl an diversen Phtopolymeren erlaubt es, dem Endprodukt verschiedene Eigenschaften zu verleihen. Die neuesten Modelle werden mit mehreren Düsen ausgestattet und so können mehrere Materialien miteinander kombiniert werden. Zudem sind hier ebenfalls Vollfarbausdrucke möglich.

Die Auflösung der Material Jetting Drucker geht bis 16 Mikron, was dünner ist als ein menschliches Haar. Die hohe Auflösung ermöglicht es, auch Endprodukte herzustellen.

Mehr Material Jetting? Gibt es hier!