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3D Druck: So funktioniert ein 3D-Drucker

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Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

08.08.2016, 16:42 Uhr | tb, t-online.de

3D Druck: So funktioniert ein 3D-Drucker. Beispiel für einen 3D-Drucker und CAD-Software am PC. (Quelle: Thinkstock by Getty-Images)

Beispiel für einen 3D-Drucker und CAD-Software am PC. (Quelle: Thinkstock by Getty-Images)

3D-Drucker können inzwischen beinahe jeden gewünschten Gegenstand ausdrucken: kleine Plastikteilchen für den Haushalt, die es im Handel nicht mehr gibt, Spielfiguren, ganze Häuser, echte Lebensmittel und sogar Waffen. Eine aktuelle Folge der US-Fernsehserie “Good Wife” (Ausstrahlung Juli 2016) beschäftigt sich mit der Waffenthematik, die als äußerst heikel gilt: Das Material ist Plastik und somit durch Metalldetektoren nicht aufspürbar, die Baupläne gibt es als Gratis-Dateien im Netz. Wie funktioniert eigentlich das Zauberwerk namens 3D-Druck?

3D-Druck: kein völlig neues Verfahren

Natürlich sind die Aussichten, mit einem 3D-Drucker jedes beliebige Teil selbst herstellen zu können, unglaublich verlockend. Daher erwecken die Möglichkeiten sehr großes Interesse, zumal die benötigten Geräte langsam so preiswert zu haben sind, dass sich Privatanwender dafür interessieren. Doch das Verfahren ist keineswegs vollkommen neu, es rückt nur seit einigen Jahren in den Blickpunkt der breiten Öffentlichkeit.

Die Industrie wendet den 3D-Druck schon länger für die Entwicklung ihrer Prototypen und auch für Kleinserien an. Es war aber lange Zeit sehr teuer, erst in jüngster Zeit wurde es als Spielwiese für Bastler interessant. Und immer noch erscheint es verhältnismäßig kompliziert, was Interessierte abseits der Kosten für einen 3D-Drucker oft abschreckt. Wichtig zu wissen: Es gibt keinesfalls nur ein einziges 3D-Druckverfahren.

3D-Druck ist ein Sammelbegriff für mehrere Fertigungstechniken nach unterschiedlichen Prinzipien. Jede dieser Techniken benötigt ganz bestimmte Materialien. Der einzige gemeinsame Nenner ist die Herstellung von dreidimensionalen Objekten durch den schichtweisen Aufbau von Material. Damit handelt es sich um additive (hinzufügende) Verfahren im Gegensatz zu den subtraktiven (wegnehmenden) Verfahren des Fräsens, Hobelns, Sägens, Bohrens oder Abscheidens per Wasserstrahl.

3D-Druckverfahren Fused Deposition Modeling

Das sogenannte FDM verarbeitet Materialien, die durch Hitze weich und damit formbar werden, also thermoplastische Kunststoffe wie PLA oder ABS, ebenso Modellierwachs und Schokolade für den 3D-Druck von Lebensmitteln. Der Druckkopf einer FDM Maschine ist grundsätzlich eine heiße Düse. In diese wird das feste Rohmaterial hineingepresst, es verflüssigt sich und tritt als dünner, weicher Faden aus. Der Druckkopf zeichnet damit Schichten des gewünschten Objekts. Äußere Konturen werden als einfassende Linie modelliert, die Flächen sind Schraffuren. Wenn eine Schicht fertig ist, zeichnet der Kopf die nächste Lage.

Schicht für Schicht trägt der Druckkopf den Kunststoff auf. (Quelle: Thinkstock by Getty-Images)Schicht für Schicht trägt der Druckkopf den Kunststoff auf. (Quelle: Thinkstock by Getty-Images)

FDM 3D-Drucker sind vergleichsweise kostengünstig zu haben und dominieren den Bastlermarkt, als Rohmaterial kommt Filament (Plastikdraht) in Stärken von 1,75 oder 3,0 mm zum Einsatz. Der Draht ist im Ausgangszustand fest, daher gibt es auch die Bezeichnung FFF Drucker für “Fused Filament Fabrication”. Das relativ simple System kostet Zeit, denn Plastik erstarrt nicht sofort.

Die Strukturen müssen zunächst gestützt werden, die Software fügt daher Gitterstrukturen aus dem Plastik hinzu, welche der Anwender zum Schluss abbricht und auch wegschleift. Es gibt auch lösliche oder aus anderen Materialien bestehende Stützstrukturen. Den fertigen Teilen sieht man das Verfahren an, sie sind geriffelt, was nicht unbedingt stören muss.

Selective Laser Melting: Pulver und Licht für den 3D-Druck

Die Industrie verwendet für ihre Prototypen härtere Materialien, nämlich Stahl, Titan oder Polyamid in pulverisierter Form. Das Pulver wird ausgeblasen und dann durch den Druckkopf in der gewünschten Form verfestigt. Das geschieht durch einen Laserstrahl und punktgenau Körnchen für Körnchen, was dem Verfahren den Namen SLM für Selective Laser Melting oder SLS für Selective Laser Sintering verlieh.

Auch Farben lassen sich hinzufügen, die Farbe dient gleichzeitig als Kleber zwischen den Pulverkörnchen. Es gibt im Gegensatz zum FDM-Verfahren keine Überhängsel am fertigen Objekt, nicht verbrauchtes Pulver fällt herunter. Die Oberflächen solcher Ausdrucke sind rau und ähneln feinem Sandpapier, die Objekte sind robust, elastisch und auch sehr filigran. Mit Farbdruckern in SLM-Technik lassen sich sehr realistische Miniaturen herstellen.

Stereolithografie

Stereolithografie (SLA) ist das dritte 3D-Druckverfahren, bei dem das Werkstück in einem Becken voll flüssigem Kunstharz seine Gestalt erhält. Der Füllstand wird für die Schichten minimal erhöht, während die Flüssigkeit unter UV-Licht punktuell aushärtet. Für die Formen kommen entweder ein Laser oder ein Beamer zum Einsatz. Mit Stereolithografien lassen sich feinste Details in 3D modellieren, allerdings sind sie zerbrechlich, was auch am eingesetzten Kunstharz liegt. Dieses kann zudem sichtbar altern.

Die Stereolithografie gibt es schon seit den 1980er Jahren, es ist damit die älteste 3D-Drucktechnik. In einschlägigen 3D-Foren wird häufig eine Sendung von “Good Morning America” aus dem Jahr 1989 zitiert, in welcher ein Stereolithografie 3D-Drucker die Frisur der Ansagerin nachformte.

Bausatz für einen 3D-Drucker

Da die 3D-Drucker auch in FDM-Ausführung immer noch vierstellige Preise kosten, können sich Interessenten auch einen 3D-Drucker-Bausatz bestellen. Er fertigt Kunststoffteile, Dekorationen, kleine Spielzeuge und Accessoires, wird daheim zum Drucker zusammengebastelt und ist RepRap-kompatibel. Das bedeutet, dass für den Betrieb frei verfügbare 3D-CAM-Programme genügen. Die Software steht als Open Source kostenlos zur Verfügung. Mit Online-Modelldaten können die 3D-Künstler ihre eigenen Modelle entwerfen.

In der Regel lassen sich Modelle um 20 × 20 × 20 cm herstellen, die Auflösung in X-Y-Richtung beträgt 0,015 mm. Damit ist der Drucker schnell (300 mm/s) und auch sehr präzise. Zum Bausatz gehört zum Beispiel ein stabiler Aluminiumrahmen, verarbeitet wird ABS- und PLA-Filament im ø 3,0 mm. Die Extrusionsdüse hat einen Durchmesser von 0,5 mm, der Aufbau des gesamten Druckers soll in fünf bis acht Stunden erledigt sein. Zu einem solchen 3D-Drucker-Bausatz gehört grundsätzlich ein Windows-, Mac- oder Linuxrechner für die Softwareverarbeitung.

Vorlagen für den 3D-Druck

Für den Betrieb des Druckers stehen spezielle Dateitypen (in der Regel im STL-Dateiformat) zur Verfügung. Kostenlose Open-Source-Programme sind unter anderem OpenSCAD, FreeCAD, Blender, SketchUP oder Wings3D. Einige der Programme stehen zum Download, andere (3dtin.com, Tinkercad) als webbasierte Browserversion bereit. Wer ein 3D Modell am PC erstellt hat, kann es in verschiedenen Formaten wie STL, OBJ oder PLY abspeichern. Nun möchte aber nicht jeder Hobby-3D-Bastler selbst seine Modelle erstellen. Daher gibt es auch Datenbanken mit Vorlagen für den 3D-Druck, die in den meisten Fällen kostenlos angeboten werden.

Das am meisten verbreitete Format ist STL, die Datei wird in die Druckersoftware geladen, der Ausdruck kann beginnen. Interessierte finden kostenlose Software und Modellvorlagen auf einschlägigen 3D-Modell-Plattformen, angeboten werden jede Menge Gadgets, ebenso aber komplizierter Schmuck oder auch R/C Modelle. Wer kostenlos etwas lädt und verwendet, muss davon ausgehen, dass nicht alles tauglich ist: Die technischen Eigenschafen sollten Interessenten vorab überprüfen, damit das 3D-Modell am Ende so funktioniert, wie man es sich vorgestellt hat.

Spezialvarianten beim 3D-Druck

Der Vollständigkeit halber soll noch auf einige Spezialvarianten hingewiesen werden, mit denen ebenfalls 3D-Druck möglich ist. Es gibt Drucker – beispielsweise die Objet-Serie von Stratasys –, die per PolyJet-Verfahren das Kunstharz tröpfchenweise ausdrucken und danach sofort mit UV-Licht härten. Durch mehrere parallel arbeitende Düsen und Köpfe ist es bei diesem aufwendigeren Verfahren möglich, verschiedene Materialien gleichzeitig zu einem Objekt zu verarbeiten. Andere 3D-Drucker mischen auch Kunststoffe zusammen, die sehr verschiedene, beliebig wählbare Elastizitäten und Härten aufweisen.

Selbst der 3D-Druck von Gold und Silber ist möglich, wobei er auf indirektem Weg erfolgt: Das Modell wird in 3D aus Modellierwachs gedruckt, danach erfolgt das Schmelzen des Edelmetalls auf konventionelle Weise im Wachsausschmelzverfahren. Nicht zuletzt gibt es 3D-Druck mit Papier, das mit einem Tintenstrahlkopf vorab beliebig gefärbt werden kann. Für die Haltbarkeit der Papierblätter untereinander kommt flüssiger Leim zum Einsatz. Das fertige Papierobjekt wird in der Regel noch in Kunstharz getränkt, um es haptisch angenehmer zu machen. Die Oberfläche glänzt dann seidig.

Fazit zum 3D-Druck

Der rasante Fortschritt bei 3D-Druckern lässt sich nicht mehr aufhalten. Experten erwarten bis 2020 stark sinkende Preise, sodass gängige Prognosen darauf hinauslaufen, dass viele Menschen in einigen Jahren wohl einen 3D-Drucker zu Hause betreiben – so wie heute den normalen Laser- oder Tintenstrahldrucker.

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