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3D-Druck-Verfahren im Vergleich

Welcher 3D-Drucker ist der Richtige?

3D-Drucker bieten ihren Anwendern zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. Schnell werden potentielle Nutzer aber von der Vielzahl der angebotenen Geräte und der verwendeten 3D-Druck-Verfahren abgeschreckt. Hier den Überblick zu behalten und herauszufinden, welches Verfahren für die eigenen Anwendungszwecke am besten geeignet ist, ist keine leichte Aufgabe.

Daher werden wir im heutigen Beitrag die zur Zeit verfügbaren 3D-Druck-Verfahren vorstellen, um Ihnen so einen besseren Einblick in dieses Thema verschaffen. Wir widmen uns einigen technischen Hintergründen des 3D-Druckes, und erläutern, welche Techniken es gibt und wofür sich diese eignen.

Eigentlich ist es schon falsch, von “dem” 3D-Druck zu sprechen – in Wirklichkeit verstecken sich hinter diesem Begriff verschiedenste Drucktechniken und -verfahren, die eigentlich nur eine Gemeinsamkeit haben: Das Endprodukt ist ein dreidimensionales Objekt, dass auf Basis eines virtuell konstruierten Modells erstellt wird.

Moderner 3D-Druck wird durch verschiedene generative bzw. additive Fertigungsverfahren ermöglicht, bei denen dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebracht werden. Dies erfolgt durch physikalische oder chemische Schmelz- bzw. Härtungsprozesse, bei denen das Material, meist Kunststoff, Kunstharz, Keramik oder Metall, computergesteuert erhitzt und anschließend ausgehärtet wird. Anwendung finden die verschiedenen Techniken entsprechend ihrer Eignung in Industrie und Forschung, aber auch im Unterhaltungs- und Kunstbereich.

Der 3D-Druck – eine Erfolgsgeschichte

Analog dem herkömmlichen Digitaldruck ist auch für den 3D-Druck eine Datei in digitalem Format erforderlich, die detaillierte Informationen des zu druckenden Objekts enthält. Der Unterschied zum konventionellen Tintenstrahl- oder Laserdruck besteht darin, dass beim 3D-Druck mittels CAD-Programm hergestellte Dateien zum Einsatz kommen, da nur diese in der Lage sind, dreidimensionale Objekte exakt darzustellen. Zur bildgebenden Darstellung eines 3D-Objekts wird dieses zunächst in horizontal angeordnete, zweidimensionale Scheiben (sogenannte Layer) geschnitten, ein Vorgang, den man in der Fachsprache als Slicing bezeichnet. Aus diesen Slicings kann jeder im Handel erhältliche 3D-Drucker ein dreidimensionales Objekt, bestehend aus einzelnen 2D-Schichten, darstellen.

Seit der Produktion des allerersten 3D-Druckers entwickelten sich zahlreiche verschiedene Technologien zur Herstellung der 3D-Gegenstände, sodass eine Kategorisierung der einzelnen Verfahren unumgänglich ist.

So umfasst die generative Fertigung (additive manufacturing – AM) zahlreiche additive Fertigungsverfahren, welche von der International Standards Development Organization (ASTM) in die Bereiche binder jetting, material jetting and extrusion, vat photopolymerisation, sheet lamination, power bed fusion and directed energy deposition eingeteilt wurden.

Überblick der heute angewendeten 3D-Druck-Verfahren

3D-Druck mit erhitzten Kunststofffilamenten

Das Schmelzschichtungsverfahren (Fused Deposition Modeling – FDM)

Das als FDM abgekürzte Schmelzschichtungsverfahren wird heute bei der Mehrzahl der 3D-Drucker im Preissegment unter 4000€ angewendet, denn das Verfahren zählt zu den wirtschaftlichsten Möglichkeiten, dreidimensionale Objekte im 3D-Druck darzustellen. Gleichzeitig liefert diese 3D-Drucktechnik stabile und belastbare Ergebnisse, die in kurzer Zeit gedruckt werden können.

Verarbeitet werden dabei Materialien, die durch einen Erhitzungsprozess formbar werden, daher haben Polyethylen-Kunststoffe als Trägermaterial einen hohen Stellenwert. Es ist mit entsprechenden Geräten aber auch möglich, Nahrungsmittel, beispielsweise auf Basis von Schokolade, mit der FDM-Technik zu drucken.

In der Regel dienen aber hitzebeständige Kunststofffäden – sogenannte Filamente – als Grundlage des Drucks. Sie werden geschmolzen und, ähnlich wie bei der Verarbeitung von Klebstoff mit einer Heißklebepistole, auf einer Trägerfläche aufgetragen. Mit der FDM-Drucktechnik kann so eine Fläche von 3×2 cm durchgehend bedruckt werden.

Dabei wird aus den einzelnen Layern und auf einer beweglichen und meist beheizten Plattform – um die Deformierung und Ablösung des Templates vom Druckbett zu verhindern – ein 3D-Objekt aufgebaut. Zur Abstützung und um eine vorzeitige Erstarrung des Materials zu verhindern, müssen Überhänge oder Hohlräume während des Druckprozesses abgestützt werden. Dazu werden von der Drucksoftware Stützstrukturen ergänzt, die im Nachhinein vom fertigen Druck-Objekt wieder entfernt werden müssen.

Zum Druck wird ein sogenannter Extruder – eine Art Schleudertrommel – verwendet. Das Gerät ist beheizbar, da es das zugeführte Rohmaterial zu kleinen Stäbchen einschmilzt. Die Geschwindigkeit des Extruders wird dabei an die Zeit angepasst, die das Material später zum Aushärten benötigt. Ist die erste Schicht des Druckobjekts aufgebracht und erstarrt, wird der nächste Layer hinzugefügt. So entsteht nach und nach das Endprodukt. Abhängig von der Schichtdicke können am fertigen Objekt mehr oder weniger starke Stufen erkennbar sein. Dieser Aspekt sollte bei der Anschaffung eines 3D-Druckers unbedingt berücksichtigt werden.

Die Druckqualität ist außerdem von weiteren Faktoren abhängig: Präzison der Bewegungen, Einstellung und Sauberkeit der Düsen, thermische Eigenschaften. Durch Einsatz mehrerer Extruder – einer je Farbton – können auch mehrfarbige Objekte gestaltet werden, das Prinzip kennen wir bereits vom Tintenstrahldruck.

Die ständige Weiterentwicklung dieser FDM-Drucktechnik konnte die Druckqualität im Laufe der letzten Jahre stark verbessern und die Bandbreite der Materialien ergänzen. Die neue FDM-Druckergeneration erlaubt nun auch die Verwendung von Lebensmitteln, Beton, Gips oder ähnlichen Materialien.

Anwendung findet diese Technik vor allem in der Automobilindustrie, beispielsweise bei der Herstellung von Prototypen, aber auch im Bereich der privaten Nutzer.

3D-Druck mit pulverförmigen Materialien

Additive Techniken, die auch als “additive layer manufacturing“ bezeichnet werden, sind in der Praxis bewährt und verwenden Rohstoffe in Form Pulver als Basis für den 3D-Druck.

Das 3DP-Druckverfahren

Wird dem Pulvermaterial eine Mischung aus Farbe und Bindemittel beigefügt, spricht man vom 3DP-Druck, die Ergebnisse sind hier beliebig farbige Drucke.

Ein entsprechender 3D-Pulverdrucker verfügt über Druckköpfe, wie sie von Tintenstrahl-Druckern bekannt sind. Anstelle von Tinte wird bei dieser Drucktechnik allerdings flüssiger Klebstoff als Bindemittel auf die Pulverschicht aufgetragen. Grundlage dafür sind auch hier die einzelnen Layer des auf diese Weise zusammengefügten 3D-Objekts. Der 3D-Drucker zeichnet ein zweidimensionales Bild der aufgetragenen Schicht auf das Pulver-Template und verklebt die einzelnen Materialpartikel dauerhaft miteinander. Danach wird das erste Bild mit einer hauchdünnen Schicht frischen Pulvers überzogen und die einzelnen Layer in das Pulvermaterial schichtweise eingebettet, sodass aus den haltbar mit Klebstoff zusammengefügten Pulverteilchen allmählich ein druckbares 3D-Modell entsteht.

Ein großer Vorteil dieser Methode ist, dass keinerlei Stützkonstruktionen benötigt werden und somit eine nachträgliche Bearbeitung nicht notwendig ist. Hohlräume und Überhänge werden durch nicht verfestigtes Pulver gestützt und dieses später überflüssige Pulver bleibt nach dem Druckprozess einfach auf der Druckplattform zurück. Kennzeichnend für diese Drucktechnik ist die leicht raue Oberfläche der gedruckten Gegenstände, die an Sandpapier erinnert.

3D-Druck durch selektives Laserschmelzen (SLS)

Beinahe analog zum 3DP-Verfahren funktioniert das selektive Laserschmelzen, das selective laser sintering (SLS), denn auch hier liegt der Druckstoff in Pulverform vor. Allerdings werden die einzelnen Schichten bei dieser Drucktechnik nicht wie im 3DP-Verfahren mit flüssigem Klebstoff verbunden, sondern mittels eines CO2 Lasers unter Schutzatmosphäre verschmolzen. Auf diese Weise lässt sich neben Kunststoff auch Sand, Metall und Keramik verarbeiten. Die gedruckten Endprodukte sind sehr robust, filigran oder auch elastisch.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Das Elektronenstrahlschmelzen (electron beam melting – EBM) arbeitet nach einem ähnlichen Prinzip, allerdings werden bei dieser Drucktechnik die pulverförmigen Materialien unter Vakuum via Elektronenstrahl verschmolzen, wodurch ein Sauerstoffeinschluss verhindert wird. Mit diesem Verfahren ist auch die Verarbeitung von Metallen, die einen höheren Schmelzpunkt aufweisen, wie etwa Titan, möglich. EBM-Drucker erzielen eine schlechtere Auflösung als ihre SLS-Konkurrenten, dafür erfolgt der Druckvorgang wesentlich schneller.

3D-Druck auf Grundlage flüssiger Kunststoffe

Die Stereolithografie (SLA)

Die Stereolithografie ist die älteste 3D-Drucktechnik und erzeugt momentan die hochwertigsten Oberflächen. Dieses Verfahren verwendet flüssige Photopolymere, also Kunststoffe, die unter Einwirkung von ultraviolettem Licht ihre Eigenschaften ändern und stellt die sehr populäre 3D-Drucktechnik dar. In einem mit flüssigem Kunststoff gefüllten Becken werden die einzelnen Schichten des 3D-Modells via Laser auf das flüssige Trägermaterial aufgebracht. Sobald der erste Layer erstarrt und das Objekt an das untergelegte Druckbett gepresst ist, zieht ein Teleskoparm das Objekt um eine Schicht nach unten, um neuerlich flüssigen Trägerstoff anzusammeln. Darauf wird dann der nächste Layer aufgebracht. Nach diesem Vorgang wird der vorgehärtete Rohling aus dem Becken genommen und in einer Art Dunkelkammer bis zur völligen Aushärtung belichtet. Diese Methode ist aufgrund höherer Material- und Verarbeitungskosten wesentlich kostenaufwendiger als alternative Verfahren, allerdings entstehen bei dieser Drucktechnik keine Übergänge zwischen den einzelnen Schichten, wodurch das arbeitsaufwendige Nachbearbeiten entfällt. Um Keramikpartikel zu verbinden, können auch Photopolymer/Keramik-Mischungen verwendet werden, in diesem Fall werden in einem nachgelagerten Brennprozess die keramischen Teile miteinander verschmolzen und die Kunststoffpartikel ausgebrannt.

3D-Drucke, die mit der Stereolithographie hergestellt wurden, sind sehr detailgetreu und präzise, andererseits aber häufig auch zerbrechlicher. Manchmal unterliegen Kunststoffe einem Alterungsprozess, das heißt, das Material kann im Laufe der Zeit sein Aussehen verändern. Dieser Aspekt sollte bei der Auswahl der Rohstoffe im Hinterkopf behalten werden.

Durch ihre schnelle Druckzeit, die hohe Auflösung sowie eine umweltfreundliche Gestaltung des Fertigungsprozesses sind diese Druckertypen auch für Goldschmiede und Schmuckdesigner ideal und könnten die Gestaltung von Produktionsprozessen in Zukunft entscheidend beeinflussen.

Digital Light Processing (DLP)

Dieses 3D-Druck-Verfahren funktioniert analog der Stereolithografie, allerdings wird hier als Lichtquelle ein DLP-Projektor verwendet. Digital Light Processing funktioniert wie ein Beamer, welcher die Aufgabe hat, die Pixel des darzustellenden Bildes in der richtigen Reihenfolge auf das Objekt zu projizieren. DLP Drucker zeichnen sich durch ein hervorragendes Preis-Leistungsverhältnis aus, erzielen eine superschnelle Druckzeit, verfügen über eine hohe Auflösung und geben keine schädlichen Stoffe an die Umwelt ab. Moderne DLP-Drucker können eine Fläche von 43 x 27 x 150 mm bedrucken, das Resultat besticht durch unvergleichliche Detailgenauigkeit sowie spiegelglatte Oberflächen. Diese 3D-Drucktechnik wird unter anderem in der Medizin angewendet.

Weitere 3D-Druck-Verfahren

Neben den vorgestellten Verfahren gibt es noch weitere, speziellere Drucktechniken, auf die wir an dieser Stelle nur kurz eingehen. Das Multi Jet Modeling (MJM), das auch als Polyjet Verfahren bezeichnet wird, stellt eine Kombination aus Stereolithografie und Fused Deposition Modelling dar und wurde unter dem Namen MJM als Multi Jet Modeling Verfahren auf den Markt gebracht. Dabei wird helligkeitsempfindlicher, verflüssigter Kunststoff auf eine Plattform aufgetragen und durch einen im Druckkopf befindlichen Lichtstrahl unverzüglich zur Aushärtung gebracht. Mittels mehrerer Druckköpfe werden Stützen für Überhangstrukturen generiert, die nach der Fertigstellung beseitigt werden müssen. Unter der Bezeichnung “digital materials” stehen bei dieser Drucktechnik verschiedene Materialien aus Kunststoff bereit, die – richtig gemischt – fast jede beliebige Farbgebung erzeugen können. Das Polyjet Verfahren findet aktuell vor allem in den Bereichen von Kunst und Architektur Anwendung.

Ähnlich funktioniert auch das Film Transfer Imaging Verfahren (FTI) des auf 3D-Drucktechnik spezialisierten Unternehmens 3D Systems. Bei dieser Drucktechnik wird lichtempfindlicher Flüssigkunststoff auf eine Trägerform aufgebracht und mit Hilfe eines Projektors vollständig ausgehärtet.

Außerdem können auch Edelmetalle wie Gold oder Silber gedruckt werden. Dabei geht man indirekt vor, indem eine Gussform aus Modellierwachs gedruckt wird. In dieser Form wird anschließend das Objekt gegossen.

Fazit: Welches 3D-Druck-Verfahren und welcher Drucker sind am besten?

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks haben in den letzten Jahren einen deutlichen Zuwachs erfahren. Haben sich die Anwendung der 3D-Druck-Verfahren zunächst auf das Erstellen von Prototypen beschränkt, so haben neue 3D-Drucker durch verbesserte Technologien den Einzug in die industrielle Fertigung geschafft. Bei der Auswahl eines 3D-Druckers sollten Sie als Anwender darauf achten, zu welchen Zwecken der Drucker vor allem eingesetzt werden soll. Was sind Ihre Ansprüche an Präzision, Detailgetreue und Stabilität des Druckes?

Wenn Sie diese Fragen für sich eindeutig beantworten können, sind Sie auf dem Weg zur Auswahl des richtigen 3D-Druckers schon ein gutes Stückchen weiter gekommen.

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