Was ist der 3D-Druck?

3D-Druck ist ein Oberbegriff, unter dem sich mehrere additive Druckverfahren einreihen, mit denen sich Objekte von einem Computerprogramm ausgehend dreidimensional erschaffen lassen. Dabei werden technische Zeichnungen des anzufertigenden Bauteils in speziellen CAD-Programmen erzeugt. Diese werden an einen 3D-Drucker gesendet, der anschließend den Druck im Schichtbauverfahren durchführt. Der 3D-Druck ist also das Gegenteil der herkömmlichen spanenden Bearbeitung, bei der Objekte aus einem Materialblock abtragend herausgearbeitet werden. Additive Verfahren spielen insbesondere im Bereich des Rapid Prototyping eine große Rolle, aber auch bei der Produktion von Objekten in Serie.

Der Begriff 3D-Druck ist ein Synonym für die im professionellen Umfeld ebenfalls häufig verwendeten Dachbegriffe Additive Manufacturing oder Additive Fertigung. Die Bezeichnung des 3D-Drucks hat sich jedoch als nicht-technischer Begriff im allgemeinen Sprachgebrauch durchgesetzt.

Die Anfänge des 3D-Drucks

Die Anfänge des 3D-Druck reichen bis ins Jahr 1984 zurück, als Chuck Hill mit der Stereolithografie das erste additive Verfahren entwickelte. Seitdem kamen eine Reihe weiterer dreidimensionaler Drucktechnologien auf den Markt, die räumliche Objekte und Bauteile aus diversen Materialien wie Kunststoffen, Metallen, Keramiken oder Acrylharzen aufbauend drucken. Zunächst vor allem im industriellen Umfeld im Einsatz, finden 3D-Drucker zunehmend auch im privaten Bereich Anwendung. Von Spielsteinen bis hin zu Bauteilen für die Raumfahrt kann alles via 3D-Druck-Verfahren realisiert werden.

Die additiven Verfahren im 3D-Druck

Additive Verfahren unterscheiden sich im Wesentlichen in drei Grundsätzen. Es gibt Verfahren, die das dreidimensionale Objekt extrudierend aufbauen. Hier wird das Grundmaterial beinahe flüssig entlang der festgelegten Strukturen aufgebracht und härtet anschließend aus. Zu diesen Verfahren gehört zum Beispiel das FDM (Fused Deposition Modelling oder auch der Druck mit Schokolade). Die Stereolithographie oder das Polyjet-Verfahren bedienen sich flüssiger Photopolymere, die beim Drucken der Strukturen durch UV-Licht ausgehärtet werden. Ein dritter 3D-Druck-Grundsatz verwendet Materialpulver, die selektiv entlang der vorher festgelegten Strukturen durch Hitze oder bestimmte chemische Prozesse gebunden werden. Sowohl das SLM (selektives Laserschmelzen von Metallen) als auch das SLS (selektive Lasersintern von Kunststoffen) sind zu nennen und weitverbreitet – wie auch bei FKM Sintertechnik.

So funktioniert der 3D-Druck

Egal, welches Verfahren zum Einsatz kommt, die Prozessschritte beim 3D-Druck ähneln sich:

  1. Erschaffung des 3D-Modells am Computer mit CAD-Programm
  2. Vorbereitung des digitalen Modells unmittelbar vor dem Druck (z.B. Slicing)
  3. 3D-Druck
  4. Nachbearbeitung (polieren, einfärben, entfernen von Supportstrukturen, …)

Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

Da der 3D-Druck dreidimensionale, räumliche Objekte erschafft, benötigt es 3D-Drucker mit genügend Bauraum. Bei den Verfahren SLS und SLM, die bei FKM durchgeführt werden, ist dieser Bauraum ein abgeschlossenes System. Somit können während des Drucks keine Fremdkörper hineingelangen.

In einem geschlossenen Bauraum wird also das via CAD festgelegte Endprodukt schichtweise aufgebaut. Innerhalb des Bauraums befindet sich eine bewegliche Plattform, die während des Herstellungsprozesses schrittweise abgesenkt wird. Nach jeder Absenkung wird eine dünne Schicht des gewählten Materials in Pulverform aufgetragen. Ein leistungsstarker und auf das Grundmaterial angepasster Laserstrahl verschmilzt punktgenau und nach CAD-Vorgaben dieses Pulver entlang der gewünschten Konturen und Strukturen. In den Maschinen, die FKM zur Verfügung stehen, können dabei beispielsweise Bauvolumen von maximal 1000 x 500 x 450 mm entstehen. Bauteile, die größer sind, werden in jeweils sinnvollen einzelnen Einheiten gedruckt und anschließend montiert.

Die Vorteile des 3D-Drucks

Die Erstellung von Objekten und Werkteilen aus dem 3D-Drucker bringt viele Vorteile mit sich. Dadurch, dass Stücke im Schichtbauverfahren nach exakten Vorgaben aus dem CAD-Programm hergestellt werden, ist der Materialverlust äußerst gering. Pulver, das nicht aufgeschmolzen wird und übrig bleibt, kann für nächste Projekte wiederverwendet werden. Es fällt lediglich im Rahmen der Nachbearbeitung Materialabfall an – wenn beispielsweise nötige Stützstrukturen während des Drucks beseitigt werden oder die Oberfläche eines Produktes nachgeschliffen wird. Im Vergleich zur spanenden Bearbeitung ist der Materialverlust verschwindend gering. Somit sind additive Verfahren deutlich kosteneffizienter und ökologisch nachhaltiger.

Ein weiterer, unübersehbarer Vorteil: In kurzer Zeit und im Laufe eines Prozessschrittes können Bauteile mit komplexen Geometrien, innenliegenden Hohlräumen wie Kühlkanälen oder losen Teilen innerhalb des Objekts entstehen. In der spanenden Herstellung braucht es hier separate Arbeitsschritte.

Die Vorteile auf einen Blick:

  • zeit- und kosteneffiziente Herstellung von Bauteilen
  • komplexe und filigrane Geometrien
  • innenliegende komplexe Strukturen
  • Freiformgeometrien
  • geringerer Materialverbrauch
  • werkzeuglose Herstellung
  • flexible Anpassung und schnelle Adaption
  • entwicklungsbegleitende Prototypenherstellung
  • vollautomatisierte Herstellung vollfunktionsfähiger Werkstücke

Die Materialien im 3D-Druck

Die Vielfalt an 3D-Druck-Verfahren ermöglicht die Verwendung vieler verschiedener Materialgruppen. So können neben Metallen und Kunststoffen auch Materialien wie Keramik, Acrylharz, Gips, Beton, bestimmte Lebensmittel, lebende Zellen und weitere benutzt werden. Im industriellen Bereich machen allerdings Kunststoffe und Metalle den größten Anteil an Materialien aus, die beim 3D-Druck zum Einsatz kommen.

Anwendungsbereiche des 3D-Drucks

Additive Fertigungsverfahren halten in zunehmend mehr Bereichen von der Industrie bis zum Hobby-Heimwerken Einzug. Selbst in der Lebensmittelbranche wird mittlerweile mit dem 3D-Druck experimentiert.

Industrie und Bau

Der industrielle Sektor ist der Bereich, in dem 3D-Druckverfahren am häufigsten verwendet werden. Dank neuester Drucktechnologien können funktionsfähige, stabile und hochwertige Bauteile effizient in Serie oder als Prototypen während der Entwicklungsphase neuer Projekte produziert werden. Auch einzelne Werkteile oder Kleinserien werden mithilfe des 3D-Druck-Verfahrens wirksam realisiert. Die Baubranche entwickelt sich dahingehend, dass ganze Gebäudeteile im 3D-Drucker entstehen.

Automobil, Luft- und Raumfahrt

Branchen, die besonders vom Prototyping mittels 3D-Druck profitieren, sind die Automobilbranche sowie die Luft- und Raumfahrt. Die Materialvielfalt, die dabei zum Einsatz kommt, ermöglicht, dass auch Bauteile gedruckt werden, die hohen thermischen oder mechanischen Belastungen standhalten. Zudem können die Werkteile so leicht wie möglich und gleichzeitig hochstabil erstellt werden.

Medizin, Wissenschaft, Forschung

3D-Druck hat die Medizin revolutioniert. Patientenspezifisch können Dentalbrücken, Implantate, Prothesen, Hörgeräte und weiteres angepasst und vergleichsweise kostengünstig hergestellt werden. In der Wissenschaft und Forschung sind Nano- und Bioprinting zu nennen.

Kunst, Mode, Schmuck, Hobby

Auch in der Kunst und als Privatanwendungen finden 3D-Drucke zunehmend Verwendung. Insofern es technisch machbar ist, können Skulpturen und sonstige dreidimensionale Objekte geschaffen werden. Auch Schmuck, Modebestandteile (Gürtelschnallen, etc.) oder Modellbauteile entstehen mittlerweile im additiven Verfahren.

Der 3D-Druck bei FKM Sintertechnik

FKM Sintertechnik hat sich auf zwei additive Verfahren spezialisiert – das selektive Laserschmelzen und das selektive Lasersintern mit jeweils einer Vielzahl an Materialien in Pulverform. Vom Rapid Prototyping bis hin zur Realisierung von Kleinserien setzen wir bei FKM Ihre Aufträge mit Präzision und Erfahrung um.