Die Zukunft des Druckens : 3D-Drucker

Der 3D-Druck

Wenn man bei einem 3D-Drucker zusieht, wie das Werkstück langsam in die Höhe wächst und Gestalt annimmt, mag man unweigerlich an die Replikatoren aus dem Star Trek-Universum denken. Beinahe jedes beliebe Objekt konnte auf Wunsch innerhalb eines Augenblicks hergestellt werden. Anders als das fiktive Gegenstück können 3D-Drucker zwar keine Materie aus reiner Energie erschaffen, dennoch eröffnen sie faszinierte Möglichkeiten für Industrie und Hausgebrauch.

3D-Drucker gehören zur Gruppe der Digitalen Fabrikatoren (Fabber) und sind eigentlich keine Drucker im klassischen Sinne. Ein 3D-Drucker dient zur Herstellung von Prototypen (Rapid Prototyping) oder Modellen , oder zur Herstellung von Produkten in geringer Stückzahl. Muss bei anderen Verfahren selbst bei kleinsten Änderungen des Werksstücks aufwendig eine neue Form hergestellt werden, reicht beim dreidimensionalen Druck eine Korrektur des Computermodells.

Techniken beim 3D-Druck

Je nach Typ kann ein 3D-Drucker Objekte aus Materialien wie Kunststoffen, Kunstharze, Keramiken oder Metallen herstellen. Allen verwendeten Techniken ist gemein, dass der Drucker das Werkstück anhand eines Computermodells Schicht für Schicht aufgebaut. Bei Material entfernenden Methoden, wie CNC-Fräsen, wird das Objekt aus einem vorhandenen Materialblock herausgearbeitet.

Die Methoden des dreidimensionalen Druckens sind äußerst vielfältig. Im Folgenden soll ein kleiner Überblick über die populärsten Methoden gegeben werden:

Selektives Laserschmelzen

Der zu verarbeitende Werkstoff, etwa ein Metall oder Kunststoff, wird in Pulverform in einer dünnen Schichte aufgebracht. Das Material wird von einem Laserstrahl, dem Computermodell folgend, gezielt aufgeschmolzen und bildet nach dem Abkühlen an dieser Stelle eine feste Struktur.
Ist die Lage abgearbeitet, wird eine neue Pulverschicht aufgebracht. Vom Laser aufgeschmolzen verbindet sie sich mit der darunter liegenden Schicht, das Werkstück nimmt langsam Form an. Am Schluss kann das überschüssige Pulver aus dem fertigen Bauteil entfernt und für spätere Verwendung wiederverwertet werden.

Laser-Stereolithografie

Bei dieser Methode wird ein lichtaushärtender Kunststoff mit Hilfe eines Lasers ausgehärtet. Zu diesem Zweck wird eine Plattform in ein Bad aus flüssigem Kunststoff getaucht bis es von der Flüssigkeit hauchdünn bedeckt ist.

Der Laser härtet nun die Flüssigkeit an den gewünschten Stellen aus, anschließend wird die Plattform um eine Schichtdicke, etwa 0,05 bis 0,25 Millimeter, weiter in das Bad abgesenkt. Nun härtet der Laser die nächste Lage, das Werkstück wächst so Schicht für Schicht im Kunststoffbad heran.

Fused Deposition Modelling (Schmelzschichtung)

Das Fused Deposition Modelling (FDM), auf deutsch Schmelzschichtung, ist die Methode, die man wohl am ehesten mit dem Begriff 3D-Drucken verbindet. Bei der Schmelzschichtung wird das Werkstück Schicht für Schicht aus einem schmelzfähigen Kunststoff aufgebaut.

Das Material (Kunststoff, Wachs) wird in Drahtform zu einer Heizdüse transportiert und dort aufgeschmolzen. Die Düse kann sich frei bewegen und trägt das geschmolzene Material an den vorgesehenen Stellen auf. Ist eine Lage fertig, fährt die Heizdüse in die Höhe und beginnt die nächste Schicht "auszudrucken".

Anwendungen in der Industrie

In der Industrie hat das dreidimensionale Drucken einen festen Platz gefunden, da man Werkstücke kostengünstig und unaufwendig herstellen kann. Besonders als Bestandteil des Rapid Prototypings hat sich diese flexible Methode bewährt. Ein Computermodell kann ohne größeren Aufwand direkt in ein Werkstück umgesetzt werden, womit sich Zeit und Kosten für Produktentwicklungen erheblich reduziert lassen.

Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von 3D-Drucker in der Medizin. So kann aus MRT-Daten ein originalgetreues Modell einer Wirbelsäule produziert werden. Damit lassen sich Operationen am Modell im Voraus planen.

Mittlerweile lohnen sich jedoch nicht nur Spezialanfertigungen, 3D-Drucker werden auch immer mehr in der Serienfertigung eingesetzt.

Heimanwendung

Im Laufe der Zeit sind 3D-Drucker auch für den Heimanwender erschwinglich geworden. Dabei handelt es sich in der Regel um FDM Modelle. Es ist jedoch zu beachten, dass für komplexere und belastbare Werkstücke ein professioneller Drucker erforderlich ist. Günstigere Modelle sind daher eher als technisches Spielzeug zu betrachten.

Eine andere Möglichkeit bieten so genannte FabLabs, High-Tech-Werkstätten, welche Privatpersonen Zugang zu industriellen Produktionsverfahren ermöglichen. Alles was man benötigt ist ein Computermodell des gewünschten Objektes. Mit Hilfe der entsprechenden Software ist es möglich, aus Bildern dreidimensionale Modelle zu generieren. Für Bastler und Modellbauer bieten sich damit vollkommen neue Möglichkeiten ihrem Hobby nachzugehen.

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Autor: Peter Gruber
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