3D-Drucker – das Drucken von dreidimensionalen Elementen

Normale Tintenstrahldrucker oder Laserdrucker gehören längst zum Standard in jedem privaten Haushalt oder geschäftlichen Büro. Seit einigen Jahren sind aber auch die 3D-Drucker auf dem Vormarsch die Bilder – wie der Name vermuten lässt – in einer dreidimensionalen Darstellung wiedergeben können.

Gearbeitet wird dabei mit unterschiedlichen Materialien, Techniken und Ergebnissen. Alle 3D Drucker zeichnen sich aber dadurch aus, dass kleine oder große Bauteile dimensional gedruckt und anschließend für verschiedene Anwendungen genutzt werden können.

Erscheinungsbild ein 3D-Druckers

Optisch unterscheiden sich die 3D-Drucker immens von den normalen Druckervarianten, die Bilder in zweidimensionaler Ansicht drucken. Ein 3D-Drucker ähnelt einer kleinen Spritzgussmaschine, die generell in der Industrie bei der Herstellung von Kunststoffteilen eingesetzt wird.

Der 3D-Drucker besteht aus einem Sockel, der – je nach Technik – fest oder in der Höhe verstellbar ist. Darüber befindet sich die Druckkammer, die meist von Wänden aus Glas oder anderen Materialien umschlossen ist. In der Druckkammer entsteht später das fertige Bauteil. Damit das Bauteil gedruckt werden kann, ist ein Druckkopf notwendig.

Der Druckkopf befindet sich über der Druckkammer. Der Druckkopf ähnelt einem schmalen Ventil oder einer Düse, durch welche das Druckmaterial gedrückt wird. Der Druckkopf ist horizontal frei beweglich, sodass Bauteile schichtweise komplett gedruckt werden können.

Die restlichen optischen Eigenschaften wechseln von Hersteller zu Hersteller. Während einige Hersteller einen Eingabebildschirm am Drucker anbringen, verzichten viele Hersteller auf solch eine Funktion und nutzen den eigenen PC, um Daten eingeben zu können. In der optischen Gestaltung und am Design sind die Hersteller sehr frei in der Ausübung.

Die Dateneingabe

Grundsätzlich kann die Dateneingabe auf vielfache Weise erfolgen. Während in der Industrie meist CAD-Dokumente genutzt werden, können private Personen für kleine Bauteile auch auf hauseigene 3D-Scanner zurückgreifen, die wie eine Digitalkamera wirken.

Zur Erklärung: Bei CAD-Dokumenten handelt es sich um Dateien, die mit Konstruktionsprogrammen – wie Solid Edge oder Solid Works – hergestellt wurden. Die Bezeichnung CAD steht für Computer Aided Design und bedeutet nichts anderes, als dass ein Bauteil nicht auf dem Zeichenbrett konstruiert wurde, sondern direkt im digitalen Format am PC. Solche CAD-Programme sind in der Regel aber sehr teuer, weswegen Hersteller für private Personen auf andere Hilfsmittel zurückgreifen.

Private Nutzer können bestehende reale Objekte mit einer speziellen Kamera einscannen, die dann die aufgenommenen 3D-Fotografien verarbeitet und in eine Druckvorlage umwandelt.

Alternativ gibt es im Internet zahlreiche 3D-Vorlagen, die kostenlos heruntergeladen und in den 3D-Drucker eingespeist werden können.

Funktionen

Sollte ein 3D-Drucker angeschafft werden wollen, kann direkt beim Kauf entschieden werden, mit welchen Materialien die Drucker arbeiten sollen. 3D-Drucker arbeiten nicht mit Tinte und Papier, sondern erstellen dreidimensionale Objekte entweder aus Metall oder Kunststoff.

Der gängigste 3D-Drucker, welcher auch für den privaten Einsatz gedacht ist, ist der FDM-Drucker, welcher auch als Fused Deposition Modeling Drucker bezeichnet wird. Daneben gibt es den SLA-Drucker (Stereolithographie Drucker) für industrielle Einsätze mit Epoxidharz. Zuletzt ist dann noch der SLS-Drucker von hoher Bedeutung, der als selektiver Laserdrucker bezeichnet wird und mit Metall arbeitet.

Zwar gibt es neben diesen Druckern noch sehr viele andere Verfahren, doch gehören diese drei Varianten zu den gängigsten Typen.

  • Der FDM-Drucker: Beim FDM-Drucker werden Kunststoffe verarbeitet, die als sogenannte Filamente in den Drucker gegeben werden. Filamente sind aufgerollte Kunststofffäden, die dann im Druckkopf aufgeschmolzen und durch die Düse in die Druckkammer gegeben werden. Beim FDM-Drucker werden beispielsweise ABS oder PLA Kunststoff eingesetzt. Während das Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) für dickwandige und reißfeste Objekte genutzt wird, wird Polyactid für einfache „Plastik“-Bauteile verwendet. Einweg-Trinkbecher fallen beispielsweise in diese Kategorie. Der Vorteil von ABS: Es ist bis knapp 220 Grad Celsius temperaturbeständig und kann vielseitig genutzt werden.
  • Der SLA-Drucker: Der SLA-Drucker besitzt ebenfalls eine Druckkammer, das flüssige Epoxidharz wird allerdings punktuell in der Kammer mit einem Laser ausgehärtet. SLA-Drucker arbeiten aber ebenfalls schichtweise, durch den Laser können aber höhere Härtegrade und eine erhöhte Präzision erreicht werden. Gearbeitet wird mit Epoxidharz, welches sich dadurch auszeichnet, dass es sehr schlagfest, zäh und abriebsfest ist.
  • Der SLS-Drucker: Anders als bei den anderen Varianten, wird bei diesem Drucker mit Metallpulver gearbeitet, welches in der Druckkammer gesintert wird. Das bedeutet, dass das Pulver durch eine Temperaturzugabe erhärtet und schichtweise aufgetragen wird. Oft werden Pulver aus Aluminium genutzt, es können aber auch Kunststoff-Metall-Verbindungen für erhöhte Festigkeiten eingesetzt werden.

Die restlichen Verfahren (MJM, 3DP, usw.) arbeiten ebenfalls schichtweise, benutzen meist aber andere Druckköpfe oder Laser, um verschiedene Materialien bearbeiten zu können. Mit der Wahl des Materials ändert sich meist auch der verwendete Drucker.

Druckkapazitäten

Die Geschwindigkeit der 3D-Drucker hängt von den Zusatzfunktionen des Druckers und des zu druckenden Objekts ab. Je kleiner ein Objekt ist, desto schneller kann der Drucker das dreidimensionale Objekt erstellen. Auch runde Objekte oder gerade Bauteile können vom Druckkopf schneller bearbeitet werden, als wenn das Bauteil sehr eckig wäre.

Die Druckzeiten können aber nicht mit den Zeiten von normalen Laserdruckern oder Tintenstrahldruckern verglichen werden. Ein dreidimensionales Objekt kann zwischen 15 Minuten und 15 Stunden dauern – je nach Material, Bauteildimension und Drucker.

Wer die Geschwindigkeit erhöhen möchte, kann einen 3D-Drucker kaufen, der eine zusätzliche Kühlung besitzt. Somit können die Schichten schneller aushärten und der Drucker arbeitet automatisch schneller.  

Zubehör

Beim Zubehör kommt es beim Drucker vor allem auf das verwendete Material an. Wie bereits erwähnt, können 3D-Drucker sowohl mit Metall, als auch mit Kunststoff arbeiten. In nachstehender Liste wird aufgelistet, welche Materialien gerne genutzt werden und wofür sie in der Regel eingesetzt werden können.

  • ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) – für hitzebeständige Bauteile
  • PLA (Polyactid) – für  kostengünstige Serien-Bauteile
  • PA (Polyamid) – für Bauteile, die nachbearbeitet werden sollen
  • Epoxidharz – für schlagfeste Bauteile
  • Aluminium – für leichte Bauteile
  • Titan – für hochwertigste Metall-Bauteile
  • Co-Polymere – vielfache Anwendung

Co-Polymere können sehr unterschiedlich aussehen, denn jeder Hersteller kann Co-Polymere mit unterschiedlichen Kunststoffen versetzen. Ein Co-Polymer besteht aus mehreren Kunststoffen, um bestimmte Eigenschaften zu erzeugen. Wie die Zusammensetzung ist, halten die meisten Hersteller geheim.

Tipp! Generell sind Drucke mit Kunststoff oder Metall relativ geruchsarm. Nutzer werden lediglich einen leichten Geruch nach warmen Kunststoff bemerken. Die Ausnahme bildet ABS – ABS-Konstruktionen können beim Druck einen verbrannten Geruch hinterlassen, weswegen der Drucker nicht unbedingt neben dem normalen Arbeitsplatz aufgestellt werden sollte.

Besonderheiten

3D-Drucker überzeugen im Test durch ihre flexible Arbeitsweise. In der Industrie werden solche Drucker gerade dann gerne eingesetzt, wenn Ersatzteile in geringer Stückzahl nachgeliefert werden sollen. Durch die geringe Druckgeschwindigkeit eignet sich der Drucker zwar nicht für die Serienfertigung, kann aber exzellent für den Bau von Prototypen genutzt werden.

Vorteile

  • Drucken von 3D-Elementen
  • Bester Einsatz für Ersatzteile
  • Dateneingabe durch CAD oder Scan möglich
  • Arbeitet mit Metall oder Kunststoff
  • Viele Verfahren zum Vergleich vorhanden

Nachteile

  • Kostengünstige 3D-Drucker sind oft ungenau
  • Geringe Druckgeschwindigkeit

Kundensegment

Wie bereits erwähnt, können 3D-Drucker sowohl in der Industrie, als auch im privaten Haushalt eingesetzt werden. Ein 3D-Drucker wird in der Industrie für Ersatzteile und Prototypen eingesetzt – im privaten Alltag wird er gerne für Spielereien eingesetzt. So können Spielfiguren für Kinder gedruckt werden oder Modelle, die dann in die Vitrine gestellt werden. Die Einsatzmöglichkeiten werden nur durch die eigene Fantasie begrenzt – und im letzten Schritt von der Konstruktion des 3D-Druckers.