Ist es nicht faszinierend, Objekte quasi „aus dem Nichts“ zu erschaffen? Genau das gelingt mit dem sogenannten 3D-Druck, in der Fachsprache auch „additive Fertigung“ genannt.
So bezeichnet man die Konstruktion eines dreidimensionalen Objekts auf der Grundlage eines CAD-Modells oder eines digitalen 3D-Modells. Bei diesem Verfahren wird das Material computergesteuert aufgetragen und dabei in der Regel Schicht für Schicht zusammengefügt.
In den 1980er Jahren galten 3D-Druckverfahren nur für die Herstellung einfacher Prototypen als geeignet, das Ganze wurde damals folgerichtig als „Rapid Prototyping“ bezeichnet. Mittlerweile sind Präzision, Wiederholbarkeit und Materialvielfalt des 3D-Drucks so weit fortgeschritten, dass einige 3D-Druckverfahren sogar als industrielle Produktionstechnologie in Frage kommen.
Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, sehr komplexe Formen bzw. Bauteile herzustellen, die von Hand kaum realisierbar wären – z. B. hohle Teile oder Teile mit internen Fachwerkstrukturen, um das Gewicht zu reduzieren und gleichzeitig weniger Materialabfall zu erzeugen.
Die Entstehungsgeschichte des 3D-Druckers
Das allgemeine Konzept und Verfahren für den 3D-Druck wurde erstmals 1945 von Murray Leinster in seiner Kurzgeschichte „Things Pass By“ beschrieben. Hierbei handelte es sich allerdings im weiteren Sinne um Science Fiction Der Autor beschrieb also ein Verfahren, das zu dieser Zeit noch nicht in Form technischer Entwicklungen existierte.
Der Begriff Additive Manufacturing (AM) gewann schließlich in den 2000er-Jahren an Popularität, inspiriert durch das Fortschreiten der Technologien für das Zusammenfügen verschiedener Materialien auf unterschiedliche Arten. Anfang der 2010er-Jahre entwickelte sich der Begriff 3D-Druck dann wiederum zum alternativen Oberbegriff für sämtliche additiven Technologien.
Weitere Begriffe, die mit den Jahren als Synonyme für den 3D-Druck aufkamen, sind „Desktop Manufacturing“, „Rapid Manufacturing“ (als logischer Nachfolger des Rapid Prototyping auf der Produktionsebene) sowie „On-Demand Manufacturing“ (was an den On-Demand-Druck im Sinne des 2D-Drucks erinnert).
Die Tatsache, dass die Verwendung der Adjektive „schnell“ und „auf Abruf“ in den 2000er-Jahren noch sehr neu waren, verdeutlicht das lange Zeit vorherrschende Modell der früheren Industrieära, in der fast alle Produktionsverfahren lange Vorlaufzeiten für die mühsame Entwicklung von Werkzeugen erforderten.
Heute steht der 3D-Druck für einen „agilen“ Werkzeugbau. Darunter versteht man die Verwendung modularer Mittel zur Konstruktion von Werkzeugen, um ein schnelles Prototyping und/oder eine schnelle Reaktion auf den Bedarf an Bauteilen zu ermöglichen. Es ist eine kostengünstige und qualitativ hochwertige Methode, um schnell auf Kunden- und Marktbedürfnisse zu reagieren. Zusätzlich hat sich der 3D-Druck im Hobbybereich etabliert, im Handel gibt es unzählige Modelle in verschiedenen Preisklassen für den Heimanwender im Handel.
Wie funktioniert ein 3D Drucker?
Der Prozess beginnt mit einem digitalen 3D-Modell des gewünschten Objekts, das entweder durch Computer-Aided Design (CAD) erstellt oder durch 3D-Scannen eines physischen Objekts erfasst wird. Das digitale Modell wird dann in dünnere horizontale Schichten oder Scheiben zerlegt – normalerweise durch eine spezielle Software, die als „Slicer“ bezeichnet wird. Der Slicer bereitet das Modell für den Druck vor, indem er es in eine Abfolge von Schichten aufteilt und entsprechende Anweisungen für den Drucker generiert.
Je nach verwendetem Druckverfahren und Material wird das Druckmaterial vorbereitet. Übliche Materialien sind Kunststoff-Filamente, Harze oder Pulver. Der Drucker beginnt dann mit dem eigentlichen Druckprozess. Bei FDM (Fused Deposition Modeling) Druckern beispielsweise schmilzt der Druckkopf Kunststoff-Filamente und extrudiert sie schichtweise auf eine Bauplattform. Bei Stereolithographie (SLA) Druckern wird flüssiges Harz auf eine Bauplattform gesprüht und durch UV-Licht ausgehärtet.
Der Drucker arbeitet Schicht für Schicht, indem er jede Schicht des Objekts nacheinander aufbaut. Nach dem Auftragen oder Aushärten jeder Schicht wird das Objekt stabilisiert – entweder durch Aushärtung mit UV-Licht oder durch Abkühlung, abhängig von der Art des verwendeten Materials.
Sobald alle Schichten gedruckt wurden, ist das Objekt fertig. Es wird entnommen und gegebenenfalls nachbearbeitet, etwa durch Entfernen von Stützstrukturen oder Polieren. Der gesamte Prozess vom digitalen Modell bis zum fertigen Objekt kann je nach Größe und Komplexität des Objekts sowie der Druckgeschwindigkeit mehrere Stunden oder sogar Tage in Anspruch nehmen.
3D-Druck in der Industrie
Wie bereits angedeutet, wird der 3D-Druck heute vor allem in der industriellen Fertigung von Prototypen, Einzelstücken und Kleinserien angewendet. Für die Großserienproduktion sind andere Verfahren wirtschaftlicher. Teilweise werden aber auch mehrere Verfahren miteinander kombiniert, etwa das Lasersintern in Kombination mit dem 3D-Druck oder mit Spritzgussverfahren.
Da sich der 3D-Druck jedoch rasant weiterentwickelt, ist damit zu rechnen, dass er zukünftig auch im Bereich der Großserienfertigung zum Einsatz kommen könnte – insbesondere bei komplizierteren Bauteilen, die schlecht mit anderen Verfahren hergestellt werden können.
Moderne 3D-Drucker für zuhause
Moderne 3D-Drucker für den Heimgebrauch sind kompakt, benutzerfreundlich und einfach zu bedienen, was sie ideal geeignet für Einsteiger macht. Im Vergleich zu industriellen Druckern sind sie erschwinglich sowohl in der Anschaffung als auch im Betrieb.
Solche 3D-Drucker unterstützen verschiedene Druckmaterialien und können eine breite Palette von Objekten drucken – von Spielzeug bis hin zu funktionalen Bauteilen, beispielsweise für den KFZ- oder Modellbaubereich. Die Druckqualität variiert je nach Modell, viele bieten mittlerweile gute Auflösungen und Detailgenauigkeit.
Hinzu kommt, dass diverse Heim-3D-Drucker Teil einer aktiven Open-Source-Community sind, so dass der Benutzer von zahlreichen Ressourcen wie Software-Updates und Online-Support profitieren kann. 3D-Drucker für den Heimgebrauch erfordern in der Regel keine aufwändige Wartung und sind leicht zu reinigen und zu pflegen.
Fazit
Ob industrielle Anwendung oder Heimgebrauch – 3D-Drucker sind mittlerweile kaum noch aus unserem modernen Leben wegzudenken. Sie ermöglichen sie schnelle und günstige Herstellung von Prototypen, Einzelstücken und kleinen Serien und werden in naher Zukunft sicher noch viele weitere Einsatzbereiche abdecken können.