Hier lernst du, was 3D-Druck ist, wie ein 3D-Drucker aufgebaut ist und welche Menschen die Technik erfunden haben. Viel Spaß beim Entdecken!
Was ist 3D-Druck?
3D-Druck ist ein Fertigungsverfahren, bei dem ein Gegenstand Schicht für Schicht aus einer digitalen Datei entsteht. Die Norm ISO/ASTM 52900 nennt das Verfahren additive Fertigung: Eine Geometrie entsteht, indem nacheinander Material hinzugefügt wird. Die digitale Datei lässt sich auf mehrere Arten erzeugen:
- CAD-Modellierung
- Daten aus 3D-Scannern
- 3D-Modellierung
Diese Daten kann der 3D-Drucker nicht direkt lesen. Dazu braucht es eine Software, die die Form in die Maschinensprache des 3D-Druckers übersetzt, den sogenannten G-Code. Diese Software heißt Slicer. Ein Slicer wie Cura von UltiMaker zerschneidet das Modell zuerst in einzelne Schichten. Danach berechnet er anhand deiner Einstellungen den Weg des Druckkopfs. Der Drucker trägt das Material dann Schicht für Schicht auf, bis der Gegenstand fertig ist. Wie das Material aufgetragen wird, hängt vom Verfahren ab.
Wie ist ein 3D-Drucker aufgebaut?
Ein FDM-Drucker besteht im Kern aus einem Druckkopf mit Düse, einem Druckbett und dem Druckmaterial, dem Filament. 3D-Drucker unterscheiden sich je nach Verfahren und Bauweise, das Prinzip ist aber ähnlich. Die Grafik zeigt die wichtigsten Bestandteile eines Fused-Deposition-Modeling-Druckers (FDM) mit zwei Düsen:
- Druckmaterial: das Filament, aus dem das Druckobjekt entsteht.
- Stützmaterial: ein zweites Filament für Stützstrukturen, bei diesem Drucker mit eigener Düse.
- Düse (Nozzle): Hier tritt das geschmolzene Filament aus. Die Düsen sitzen am Druckkopf, der auf einer Schiene fährt.
- Druckobjekt: der Gegenstand, der Schicht für Schicht entsteht.
- Stützstruktur: trägt überhängende Teile, solange sie gedruckt werden.
- Druck- oder Heizbett: die Fläche, auf der das Objekt haftet. Bei diesem Drucker fährt es nach jeder Schicht nach unten.
Dazu kommen Bauteile, die die Grafik nicht zeigt:
- Extruder: schiebt das Filament zum Hotend.
- Hotend: Heizkammer mit Düse, in der das Filament schmilzt.
- Motoren: Schrittmotoren bewegen Druckkopf und Druckbett über Riemen oder Gewindespindeln.
- Rahmen: hält alle Teile in Position.
- Steuerplatine: arbeitet den G-Code ab und steuert Motoren und Heizung.
Wie funktioniert ein 3D-Drucker?
Ein FDM-Drucker schmilzt Filament im Hotend und legt es durch die Düse Schicht für Schicht auf das Druckbett, bis der Gegenstand fertig ist. Beim oben gezeigten Drucker laufen die Schritte so ab:
- Heizbett und Düse bzw. Düsen heizen auf.
- Das Druck- bzw. Heizbett fährt hoch zum Druckkopf.
- Es wird geschmolzenes Filament auf das Heizbett aufgetragen, bis die erste Schicht fertig ist.
- Anschließend fährt das Heizbett um eine Schichthöhe nach unten (gemessen in Mikrometern).
- Die nächste Filament-Schicht wird auf die vorherige aufgebracht und mit ihr verschmolzen.
- 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 nach dem Druck auflösen: PVA in Wasser, HIPS in Limonen (siehe PVA-Filament und HIPS-Filament).
- Die letzten Schritte wiederholen sich, bis das Druckobjekt fertig ist.
Wer hat den 3D-Druck erfunden?
Den einen Erfinder gibt es nicht: Mehrere Menschen haben unabhängig voneinander Verfahren angemeldet, die schichtweise Gegenstände erzeugen. Erste Vorläufer gibt es schon im 19. Jahrhundert. Der Pariser Bildhauer und Fotograf François Willème entwickelt die Fotoskulptur: Er fotografiert ein Modell aus mehreren Richtungen und überträgt die Umrisse auf eine Skulptur. Sein US-Patent Nr. 43,822 „Photo-Sculpture“ ist auf den 9. August 1864 datiert.
Der Österreicher Joseph E. Blanther meldet 1890 ein Patent zur Herstellung von Relief-Landkarten an, erteilt wird es 1892 (US-Patent Nr. 473,901). Dafür schneidet er die Höhenlinien einer Karte aus Wachsplatten aus und legt die Platten aufeinander. So entsteht Schicht für Schicht eine 3D-Landkarte.
Viele Ideen basieren auf alten Entwicklungen, und bekannt sind vor allem die Namen derer, die mit ihren Produkten kommerziellen Erfolg hatten. threedom nennt hier auch die weniger bekannten Namen, weil jeder seinen Platz in der Geschichte des 3D-Drucks verdient.
Weitere Informationen: 3D-Druck: Geschichte und Entwicklung
Hideo Kodama (SLA)
Der Japaner Hideo Kodama meldet am 12. April 1980 in Japan ein Patent für ein Gerät an, das räumliche Figuren erzeugt (JP S56-144478). Er gehört damit zu den Ersten, die ein schichtweises Verfahren mit Licht und Harz beschreiben, das Prinzip der Stereolithographie.
Alain Le Méhauté, Olivier de Witte und Jean-Claude André (SLA)
Am 16. Juli 1984 melden die drei Franzosen Alain Le Méhauté, Olivier de Witte und Jean-Claude André ein Patent für ein Verfahren an, bei dem eine Flüssigkeit mit Licht gehärtet wird (FR 2 567 668). Anmelderin ist das Unternehmen CILAS. Die Anmeldung liegt gut drei Wochen vor der von Chuck Hull.
Chuck W. Hull (SLA)
Das Patent des US-Amerikaners Charles W. „Chuck“ Hull wird am 8. August 1984 angemeldet, damals von der Firma UVP, und am 11. März 1986 erteilt (US-Patent Nr. 4,575,330, „Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography“). 1986 gründet Hull mit anderen das Unternehmen 3D Systems. Von 3D Systems stammt auch das Dateiformat STL.
Carl R. Deckard (SLS)
Carl R. Deckard entwickelt an der University of Texas das selektive Lasersintern (SLS). Die Universität meldet sein Patent am 17. Oktober 1986 an, erteilt wird es am 5. September 1989 (US-Patent Nr. 4,863,538).
S. Scott Crump (FDM)
S. Scott Crump gründet 1988 zusammen mit seiner Frau Lisa H. Crump das Unternehmen Stratasys. Das Patent für das Fused Deposition Modeling (FDM) meldet Stratasys am 30. Oktober 1989 an, erteilt wird es am 9. Juni 1992 (US-Patent Nr. 5,121,329). Crump sitzt laut Stratasys im Verwaltungsrat des Unternehmens (Stand Oktober 2026).
Welche 3D-Druck-Verfahren gibt es?
Die wichtigsten 3D-Druck-Verfahren sind FDM (auch FFF), Stereolithographie (SLA), Digital Light Processing (DLP), selektives Lasersintern (SLS), selektives Laserschmelzen (SLM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Binder Jetting und Material Jetting. Sie unterscheiden sich darin, welches Material sie wie verbinden: geschmolzenen Kunststoff aus einer Düse, flüssiges Harz unter Licht, Pulver unter Laser oder Elektronenstrahl oder Pulver mit einem Binder. Alle sieben Verfahrensgruppen nach der Norm ISO/ASTM 52900 und einen Vergleich findest du in der Übersicht 3D-Druck-Verfahren.
Fused Deposition Modeling (FDM)
Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird Kunststoff in Drahtform (genannt Filament) im Hotend des 3D-Druckers geschmolzen und Schicht für Schicht auf das Druckbett aufgetragen. FDM ist eine Marke von Stratasys. Deshalb heißt dasselbe Verfahren bei vielen Herstellern FFF, Fused Filament Fabrication; den Begriff hat das RepRap-Projekt geprägt, damit er frei verwendbar ist.
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) härtet Licht aus einem Projektor das Flüssigharz, Schicht für Schicht als ganzes Bild. Das Bild formt ein Chip mit Millionen winziger Spiegel, den Texas Instruments unter dem Namen DLP herstellt. Im Gegensatz dazu fährt beim SLA-Verfahren ein Laser die Fläche ab. Harzdrucker, die mit einem LCD-Bildschirm belichten, arbeiten ebenfalls mit einem ganzen Schichtbild, sind aber streng genommen kein DLP.
Selektives Laserschmelzen (SLM)
Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) besteht das Ausgangsmaterial aus Metallpulver. Ein Laser schmilzt das Pulver Schicht für Schicht vollständig auf, der Bauraum ist dabei mit Schutzgas gefüllt. Anders als beim Lasersintern von Kunststoff brauchen Überhänge Stützen, auch damit die Wärme in die Bauplatte abfließt.
Selektives Lasersintern (SLS)
Das selektive Lasersintern (SLS) verarbeitet Kunststoffpulver, meist Polyamid 12. Das Pulverbett wird knapp unter die Schmelztemperatur geheizt und dort gehalten, ein Laser verschmilzt dann Schicht für Schicht die Stellen, die zum Objekt gehören. Das lose Pulver trägt das Teil, deshalb braucht SLS keine Stützen.
Binder Jetting
Beim Binder Jetting trägt ein Druckkopf einen flüssigen Klebstoff, den Binder, gezielt auf eine Pulverschicht auf. Schicht für Schicht entsteht so das gewünschte Objekt.
Material Jetting
Beim Material Jetting dienen lichthärtende Kunststoffe als Ausgangsmaterial, bei manchen Anlagen auch Wachs. Der Druckkopf arbeitet ähnlich wie ein Tintenstrahldrucker: Er setzt das Material als feine Tröpfchen gezielt ab, und UV-Lampen härten jede Schicht sofort aus. Für Überhänge druckt ein eigener Druckkopf ein Stützmaterial, das sich später entfernen lässt.
Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
Das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) erfordert leitfähiges Material in Pulverform als Ausgangsmaterial. Dieses Metallpulver wird im Vakuum mit einem Elektronenstrahl geschmolzen, nachdem jede Schicht stark vorgeheizt wurde. Jede vorherige Schicht schmilzt mit der neuen zusammen und erzeugt so einen festen Körper.
Welche Materialien können mit einem 3D-Drucker gedruckt werden?
Welche Materialien du drucken kannst, hängt vom 3D-Druckverfahren ab. FDM-Drucker verarbeiten Filamente aus Kunststoff, Harzdrucker flüssiges Harz, Pulverdrucker Kunststoff- oder Metallpulver.
Viele Filamente beschreiben wir mit ihren Vor- und Nachteilen und mit Tipps zu den Druckereinstellungen. Außerdem zeigen wir dir, wofür das Material im 3D-Druck und im Alltag eingesetzt wird.
Welche Vorteile hat 3D-Druck?
- Weniger Abfall
- Keine Werkzeugkosten
- Schnell zum ersten Teil, weil kein Werkzeug gebaut wird
- Individuelle Produkte („Losgröße 1“)
- Komplexe Designs
Welche Nachteile hat 3D-Druck?
- Hohe Kosten bei großen Stückzahlen
- Eingeschränkte Material- und Farbauswahl
- Genauigkeit
- Begrenzte Stabilität
Ausführlicher stehen die Vor- und Nachteile im Beitrag 3D-Druck: Vorteile und Nachteile.
Wo wird 3D-Druck eingesetzt?
3D-Druck wird unter anderem in Architektur, Automobilindustrie, Luft- und Raumfahrt, Medizin, Produktdesign, Maschinenbau und Modellbau eingesetzt. Die kurze Antwort wäre „fast überall“. So einfach will ich es mir aber nicht machen.
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 konnte man dem Kunden natürlich nicht vorstellen, deswegen wurden solche Modelle bis ins kleinste Detail in mühevoller Handarbeit gebaut. Heute drucken viele Architekturbüros ebenso wie einzelne Architekten solche Modelle. Dazu brauchst du nur die CAD-Daten und kannst auch bei Änderungen schneller neue Modelle herstellen als von Hand. Je nach Verfahren lassen sich auch Fassadenfarben zeigen.
Additive Fertigung in der Automobilindustrie
Die Automobilindustrie nutzt den 3D-Druck für Prototypen und Ersatzteile. Porsche Classic zum Beispiel druckt sehr seltene Ersatzteile für Oldtimer, die nur in kleiner Stückzahl gebraucht werden.
3D-Druck in der Luft- und Raumfahrt
Auch Unternehmen der Luft- und Raumfahrt setzten den 3D-Druck früh für Prototypen und Bauteile ein. Mein Lieblingsraumfahrtunternehmen SpaceX druckt laut eigener Mitteilung von 2014 die Brennkammer des SuperDraco-Triebwerks für die Dragon-Raumkapsel, aus Inconel, einer Superlegierung für hohe Temperaturen.
3D-Druck in der Medizin
Auch die Medizin nutzt den 3D-Druck, zum Beispiel für Teile, die an einen einzelnen Menschen angepasst werden.
Ein Beispiel ist die Dentaltechnik: Schienen und Bohrschablonen lassen sich heute mit 3D-Druckern herstellen. 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. Inzwischen lassen sich auch Kronen drucken. Auch die Gehäuse von Im-Ohr-Hörgeräten werden gedruckt, laut dem Hersteller Sonova seit 2001/2002, angepasst an das jeweilige Ohr und in verschiedenen Farben. Besonders bei Kindern kann dies die Akzeptanz erhöhen, wenn sie Hörgeräte in ihrer Lieblingsfarbe haben.
3D-Druck im Produktdesign
Produktdesigner drucken Testprodukte in mehreren Varianten und zeigen sie Gruppen möglicher Kunden. Die beliebtesten Varianten kommen weiter. So lässt sich ein Design an die Zielgruppe anpassen, ohne dass teure Werkzeuge gebaut werden müssen.
3D-Druck im Maschinenbau
Prototypen aus dem 3D-Drucker sparen Werkzeugkosten. Wie beim Produktdesign können Ingenieure verschiedene Lösungen für ein Problem designen und 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.
3D-Druck im Modellbau
Modellbauer dürften sich besonders über erschwingliche 3D-Drucker-Bausätze gefreut haben. Über das Internet lassen sich 3D-Drucker-Vorlagen tauschen und bearbeiten. Gedruckt werden heute Zubehörteile für den Modellbau, etwa Ampeln, Brücken und Rampen, und ganze Modelle. Weiterführende Informationen von threedom: 3D-Druck-Anwendungsgebiete.
Warum gibt es heute günstige 3D-Drucker für zu Hause?
Weil das Grundpatent für FDM 2009 ausgelaufen ist und das offene RepRap-Projekt die Technik schon vorher frei verbreitet hat. Laut Google Patents lief Crumps FDM-Patent 2009 aus, Hulls Patent für die Stereolithographie 2004; nach dem Ende des FDM-Patents kamen laut Wikipedia viele neue Hersteller auf den Markt. Im Februar 2004 stellte Adrian Bowyer das RepRap-Projekt vor, dessen Drucker viele seiner eigenen Teile drucken kann. Gewerbliche Maschinen kosteten damals laut Projekt rund 30.000 Euro, das Material für einen RepRap rund 350 Euro. Am 29. Mai 2008 zeigte das Projekt die erste vollständige Tochtermaschine, deren Druckteile ein RepRap gedruckt hatte. Um durch den Dschungel an verschiedenen 3D-Druckern zu kommen, sind Blogs wie meins ja da.
Drei Drucker für den Einstieg
Bambu Lab A1
Bambu Lab A1 mini
