Wie arbeiten 3D Drucker? – Lesen und Verstehen – Teil 2

3D Drucker sind DIE Drucker des 21. Jahrhunderts. Ob Familienfoto oder professionelles Gebilde: mit dieser Maschine lassen sich viele verschiedene dreidimensionale Objekte herstellen. Doch wie genau funktioniert das eigentlich? Und welche verschiedenen Arten von 3D Druckern gibt es?

Allgemeine Funktionsweise von 3D Druckern

Beim 3D Druck werden dreidimensionale Werkstoffe in einzelnen Schichten aufeinander aufgebaut. Dies erfolgt computergesteuert und mithilfe von flüssigen oder festen Stoffen, abhängig von der Technik die angewandt wird. Beispiele für Werkstoffe sind beispielsweise Metalle, Keramiken, Kunstharze oder Kunststoffe. Auch mit Papier ist das theoretisch Möglich, Vergleichbar ist das auch mit den bereits benutzen Multiloft Techniken für Visitenkarten oder auch einem negativ Prozess des Auschneidens von Stempeln aus einem Gummi Rohling. Der Vorteil, keine Schnittreste!

Selektives Laserschmelzen

Momentan gibt es ca. sieben verschiedene Techniken zur Herstellung eines 3D Drucks.
Eine sehr weit verbreitete Technik ist das selektive Laserschmelzen. Hierbei wird zunächst der Werkstoff in Pulverform auf die Grundplatte aufgetragen. Mittels Laserstrahlung wird er komplett umgeschmolzen, erstarrt und bildet so eine feste Materialschicht. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, bis alle Schichten umgeschmolzen sind. Das entstandene Objekt wird anschließend von verbliebenem Pulver befreit und kann verwendet werden.

Ein fertiges 3D Werkstück in Ballform
Ein gedrucktes Werkstück aus dem 3D Drucker kann für viele Zwecke genutzt werden

Elektronenstrahlschmelzen für besonders schnelles 3D Drucken

Mithilfe eines Elektronenstrahls, der als Energiequelle dient, wird ein Metallpulver aufgeschmolzen. Auf diese Weise können kompakte Objekte aus den Konstruktionsdaten hergestellt werden. Diese Technik funktioniert ähnlich wie das selektive Laserschmelzen. Es wird abwechselnd eine Pulverlage auf die vorherige aufgetragen und durch einen Elektronenstrahl belichtet. So kann das jeweilige Bauteil in mehreren Schichten erstellt werden.

Selektives Lasersintern (SLS)

Bei dem sogenannten Lasersintern handelt es sich, wie auch bei den beiden vorherigen Verfahren, um ein Schichtbauverfahren. Durch die Technik „Sintern“ können aus pulverförmigen Ausgangsstoffen individuelle Produkte hergestellt werden. Aufgrund des hohen maschinellen Aufwands des Lasersinterns wird diese Technik hauptsächlich für Prototypen oder niedrige Stückzahlen sehr komplizierter Objekte verwendet. Es wird jedoch versucht, die Technik zu verbessern, damit künftig auch schneller in 3D gedruckt werden kann.

Stereolithografie

Die Stereolithografie ist eins der schnelleren 3D Druck-Verfahren. Auch hierbei wird das Objekt schichtweise aufgebaut. Hierbei wird ein Kunststoff, der im Licht aushärtet, zum Beispiel Acryl-, Epoxid- oder Vinylesterharz durch einen Laserstrahl in dünnen Schichten ausgehärtet. Dies geschieht in einem Bad aus den jeweiligen Basismonomeren des lichtempfindlichen Kunststoffs. Nach jedem Schritt wird das Werkstück in diese Flüssigkeit getränkt und wieder zurückgefahren, jedoch in eine etwas niedrigere Position als zuvor. Ein Wischer sorgt nun dafür, dass der flüssige Kunststoff gleichmäßig verteilt wird, Anschließend fährt der Laser über das Produkt, wodurch es ausgehärtet wird. Dieser Schritt wiederholt sich so lange, bis das Objekt fertig erstellt wurde.
Ein Vorteil ist, dass bei der Mikrostereolithografie keine Stützstrukturen benötigt werden. Häufig entfällt sogar auch die Nachhärtung. Bei Stereolithografieverfahren für große Bauteile ist dies jedoch nicht der Fall, hier ist das Harz noch relativ weich. Außerdem sind bestimmte Formelemente (z. B. Überhänge) während der Produktion noch sicher zu fixieren. Aus diesem Grund werden bei der Herstellung auch Stützstrukturen mitgebaut.

Digital Light Processing

Beim Digital Light Processing werden digitale Bilder auf einen Lichtstrahl aufmoduliert, um so ein 3D-Bild zu erstellen. Hierzu wird der Lichtstrahl durch viele beweglichen Mikrospiegel in Pixel zerlegt. Pixelweise wird dann in den Projektionsweg hinein oder aus dem Projektionsweg heraus reflektiert. Wichtigster Bestandteil dieses Aufbaus ist das sogenannte Digital Micromirror Device (deutsch: digitale Mikrospiegel Einheit).

Multi-Jet Modeling – Ein oft vorkommender 3D Drucker

Ein einfaches Modell eines 3D Druckers
Hier wird per Düsen ein Werkstoff Schicht für Schicht aufgetragen

Viele 3D Drucker besitzen außerdem die Multi-Jet Modeling Funktionsweise. Hierbei gibt es einen Druckkopf, der mehrere Drüsen besitzt. Hierdurch gelangt der Werkstoff in feinen Tropfen auf die Grundplatte und das Objekt wird, wie es bei vielen anderen Techniken auch der Fall ist, schichtweise erbaut. Durch die minimale Größe der Tröpfchen können so auch kleinste Details dargestellt werden, was als großer Vorteil dieser Technik gilt.

Fused Deposition Modeling

Das Fused Deposition Modeling (zu deutsch: Schmelzschichtung), auch Fused Filament Fabrication (FFF) genannt, ist ein 3D Verfahren, durch das schichtweise ein bestimmtes Objekt erstellt wird. Verwendet werden hierzu schmelzfähige Kunststoffe. Wie bei einem normalen Drucker auch wird zunächst ein Punkteraster aufgetragen. Anschließend erfolgt das schichtweise Auftragen des Werkstoffes. Ausladende Formen können nur durch Stützen, zum Beispiel aus Pappe, realisiert werden.

Hier nochmal vom Experten zum Allgemeinen 3D Drucken

Jasmin Schmidt

Jasmin Schmidt ist Redakteurin bei Overnightprints. Recherchen zu Branchenentwicklungen im Druckbereich, neue Drucktechnologien sowie Marketingstrategien mit Printmedien und klimaneutrale Produktion gehören zu den bevorzugten Themengebieten.

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