Vielseitige Anwendungen des 3D-Drucks in Industrie und Gesundheitswesen

3D-Druck, auch additive Fertigung, verantwortet Erstellung dreidimensionaler Objekte oder Komponenten mittels CAD-Modellen.

Dabei ahmt er biologischen Prozess nach: Schichten von Materialien beim Aufbau des physischen Teils. 3D-Druck produziert funktionale Formen mit weniger Material als traditionelle Fertigung.

3D-Druck wird genutzt für Autoteile, Smartphone-Hüllen, Modeaccessoires, Bauwesen, Gesundheitssektor (Hörgeräte u. v. m.). In Mode: kugelsichere, feuerfeste Kleidung. Verschiedene 3D-Technologien bilden Basis für alle Branchen.

3D-Drucktechnologie wurde von fast jeder Branche übernommen, da sie Designentwicklung unterstützt.

Dieser Artikel hilft Ihnen, 3D-Drucker von Anwendungen bis Funktionsweise und Druckprozesstypen kennenzulernen.

Was ist der Hauptzweck des 3D-Drucks?

• Bauindustrie

Zahlreiche Beispiele für 3D-Druck in der Bauindustrie. Fertigung von Bauteilen. 3D-Anwendungen: Extrusion (Zement, Wachsschaum, Polymere), Pulverbonden (reaktives Binden, Sintern, Polymer), additives Schweißen.

• Prototyping und Fertigung

3D-Drucker ursprünglich für Rapid Prototyping. Traditionelles Spritzguss-Prototyping: zu teuer, dauert ewig für Einzelmodell. Additive Fertigung: Prototyping schnell, nicht so teuer. Komponente in einer Stunde fertigen – früher undenkbar.

Verkürzte Prototypingzeit beschleunigt und verbilligt Fertigungsprozess.

Durch 3D-Technologie passen Unternehmen Services an, Verbraucher individualisieren Produkte via Web-Software. Wachstum der Fertigungsindustrie gefördert.

• Automobilindustrie

Automobile nutzen 3D-Druck seit Jahrzehnten. Additive Fertigung für Prototypen neuer Automodelle.

Auch hochwertige, kosteneffektive Fahrzeugersatzteile per 3D-Druck. 3D-Technologie optimiert Workflow in Automobil: individuelle Vorrichtungen, Fixierungen, Werkzeuge für Einzelwagen, besonders Hochleistungsmaschinen.

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks?

• Designs sind flexibler

Mit 3D-Druck sind komplexe Designs einfach zu gestalten – im Gegensatz zu traditionellen Fertigungsmethoden mit Restriktionen.

Vor 3D-Druck: Preis gedruckter Organe für Tissue Engineering höher als Immobilien. Jetzt: Einflußreiche Firmen führen 3D-gedruckte Organe in Produktion ein, bewerben sie.

• Schnelle Prototypenproduktion

3D-Druck ermöglicht schnellere Objektfertigung. 3D-Druckmethoden beschleunigen Prototyping, jede Phase schneller als zuvor.

Zudem geringere Kosten vs. Zerspanungsprototyping (dauert ewig). Designmodifikationen effizienter. Firmen senken Preise 3D-gedruckter Objekte → mehr Verkäufe, mehr Gewinn.

• Drucken bei Bedarf (On-Demand)

3D-Druck: Nur auf Bestellung drucken – wenig Lagerplatz für Inventar. Spart Platz und Kosten: Nicht drucken, was nicht gebraucht wird.

3D speichert alle Dateien in virtueller Bibliothek (CAD/STL-Technologien). Jederzeit abrufbar, druckbar. Auch Editierung möglich, Datei weiter nutzbar.

• Leichte Teile

Meiste Druckmaterialien: Kunststoff, einige Metalle. Vorteil für Auto- und Luftfahrtindustrie – leichtere Materialien = effizientere Produkte.

Objekte aus verschiedenen Materialien per 3D-Druck für Eigenschaften wie Feuerfestigkeit, Wasserdichtigkeit, Kugelsicherheit.

• Weniger Abfall

3D-Technologie: Nur benötigtes Material → wenig/kein Abfall. Traditionell: Objekte aus großen Materialblöcken (nicht recycelbar), dann zuschneiden → viel Abfall. Abfallreduktion → geringere Produktionskosten → mehr Gewinn.

• Einfacher Zugang

3D-Druck im Laufe der Zeit zugänglicher: Lokale Dienstleister bieten 3D-Druck. Spart Zeit, Transportkosten. Traditionell: Services nur in bestimmten Gebieten/Ländern → teurer Transport, Zeitverlust.

• Umweltfreundlicher

3D-Druck schont Umwelt: kein Materialverschleuder. Weniger Treibstoff durch leichte Materialien. Umwelt geschont vs. traditionelle Fertigung mit Materialüberschuss.

• Bessere Gesundheitsversorgung

3D-Technologie ermöglicht bessere Gesundheitsversorgung, rettet mehr Leben: Organe drucken (Leber, Niere, Herz). Auch Sinnesorgane wie Hörgeräte. Weitere Fortschritte durch Technologie verbessern Gesundheitssektor.

Was sind 3D-Drucker und ihre Anwendungen?

3D-Drucker ermöglichen Druck eines Objekts in 3 Dimensionen – Computer-Aided Design (CAD) Bild. Prozess = additive Fertigung.

Hilft Produzenten, Kosten und Zeit schnell zu senken, weniger Materialverschwendung als traditionelle Fertigung (Details: Was ist 3D-Druck).

• Mode und Kleidung

3D-Drucker für neue Modestatements, Kleidung. Designer erschwinglich, immense neue Modetrends.

3D-Technologie alters Textil während Produktion → neue Textilien. Beispiel: kugelsichere, feuerfeste, wärmespeichernde Kleidung. Weitere Entwicklung/Innovation in Mode mit 3D-Druckern.

• 3D-gedruckter Schmuck und Kunst

3D-Drucker erschufen neue Schmuck-/Kunstwelt – nicht existent bei traditionellem Schmuck. Individuelle, einzigartige Stücke; günstige Individualisierung mit 3D-Materialien (PLA, Platin, Gold).

3D-Drucker erstellen vergleichbare 3D-Stücke einfach, schnell – im Gegensatz zu traditionellem Handguss (zu aufwendig). Mehr druckbare Materialien → vielfältige Schmuckdesigns.

Schmuck-3D-Drucker: Stücke aus Resin/Wachs auf 3D-Modell des Designs. Digitales Modell leicht editierbar → bessere Modelle. Prototypen mit 3D-Druck günstig, extrem komfortabel.

Käufererlebnis gesteigert: Prototypen eigener Designs oder Vorschläge nutzen → sicherstellen, dass es gewünschtes Design ist vor Kauf.

Nach Bestätigung: Schmuck per 3D-Druck im traditionellen Workflow → spektakuläre Schmuckstücke. 3D-Muster-Schmuck per Stereolithographie (SLA) 3D-Drucktechnologie.

Neben Schmuck: 3D-Drucker inspirieren Künstler neu. Metall-3D-Drucktechnologie → schöne, einzigartige Stücke. Beispiel: Niederländischer Künstler Olivier van Herpt – Keramikvasen per 3D-Druck. Gilles Azzaro, Digitalkünstler – unsichtbare zu sichtbaren 3D-Bilder von Stimme mittels Schallwellen.

• Skulpturen

Skulpturen: weitere 3D-Druckanwendung. 3D-Fotografisches Scansystem → physisches Kunstwerk. Viele neue Optionen für Kunden. 3D-Technologie gibt Künstlern neue Schöpferkraft: Was sie konzipieren und designen, können sie produzieren.

Beispiel: Niederländischer Künstler Danny Van Ryswyk – 3D-gedruckte Skulpturen für Film, repräsentieren Tim Burtons Charakter.

Wie funktioniert 3D-Druck?

3D-Druck = hochvielseitige Rapid-Prototyping-Produktionsmethode. Über Jahrzehnte gewachsen, weltweit von diversen Branchen adaptiert.

3D-Druck (additive Fertigung) ist Teil der Fertigung. Techniken: Objekte durch schichtweises Hinzufügen von Material erstellen.

Prozessstart: Grafisches Modell des zu druckenden Objekts erstellen. Grafikdesigns per Softwarepaket Computer-Aided Design (CAD). Arbeitsintensivster Teil. Programme: Fusion360, TinkerCAD, SketchUp.

3D-Druckprozess beginnt mit Erstellung grafisches Modell des zu druckenden Objekts. Meist per CAD-Softwarepakete – arbeitsintensivster Teil. Programme: TinkerCAD, Fusion360, SketchUp.

Produkt fertig → umfangreiche Tests auf Fehlerfreiheit im Endprodukt. Mit 3D-Druck: Jeder Prototyp möglich. Einzige Grenze: Ihre Vorstellungskraft.

Komplexe Modelle wie CNC entwickeln, günstiger als traditionell.

Nächster Schritt nach grafischem Modell: Design digital slicen für Druck. Wichtig: 3D-Drucker konzeptualisiert 3D-Design nicht wie wir. Slicing: Modell in viele Schichten zerlegen. Jede Schicht an Druckkopf zum Drucken/schichtweises Ablegen senden.

Programme wie CraftWare, AstroPrint für Slicing. Slicer-Software füllt Modelle für Gitterstruktur im Volumenmodell → extra Stabilität.

Extrem starke Materialien bei geringer Dichte durch strategische Lufteinschlüsse im Endprodukt.

Software fügt Stützpfeiler hinzu, falls Modell Unterstützung braucht. Kunststoff kann nicht in dünner Luft gelegt werden. Pfeiler schließen Lücken. Nachher entfernt. Nach Slicer-Arbeit: Daten an Drucker senden.

Jetzt beginnt 3D-Druckerarbeit. Folgt Slicer-Anweisungen, aber mit verschiedenen Methoden. Methode hängt von Druckertyp ab.

Beispiel: Tintenstrahl-ähnliche Technologie – Düse bewegt sich vor/zurück, rauf/runter; dickes Wachs/Kunststoff ausgebracht, erstarrt → neuer Querschnitt.

Multi-Jet Modeling: viele Jets gleichzeitig → schnelleres Modellieren.

Dann Binden per Tintenstrahldüsen: Trockenpulver auftragen, dann Kleber/Binder → zusammen bilden gedruckte Schichten. Für Schicht: zwei Durchgänge. Schnelldurchgang: dünne Pulverschicht. Zweiter Durchgang: Düse trägt Binder auf. (Düsenreinigung/entstopfen lernen)

Photopolymerisation: Flüssigkunststoff UV-Lichtstrahlen ausgesetzt → Umwandlung flüssig zu fest.

Weitere 3D-Technologie im Druck: Sintern – Partikel schmelzen, dann jeden nachfolgenden Layer drucken. Dann Laser zum Schmelzen flammhemmenden Pulvers. Laser härtet, druckt Schichten. Sintern auch für Metallobjekte.

Prozess dauert Stunden bis Tage – abhängig von Komplexität und Objektgröße.

Einfacher Prozess (unabhängig von Technologie):

1. 3D-Modell zum Drucken per CAD-Software erstellen.

2. CAD-Zeichnung in Standard Tessellation Language (STL) konvertieren. Meiste Drucker nutzen STL, manche ZPR, ObjDF.

3. STL-Datei (oder anderes konvertiertes Format) an Computer übertragen, der 3D-Drucker steuert. Größe und Druckausrichtung festlegen.

4. 3D-Drucker vorbereiten: Maschinen einrichten. Polymere/Material nachfüllen, Binder, sonstige Verbrauchsmaterialien.

5. Maschine starten, Prozessende abwarten. Regelmäßig prüfen auf Fehler.

6. Gedrucktes Objekt aus Drucker entnehmen.

7. Nachbearbeitung: Pulver abbürsten, waschen, wasserlösliche Materialien von 3D-Druckwerkzeugen entfernen.

Arten von 3D-Drucktechnologien und -prozessen

Verschiedene 3D-Drucktechnologien und -prozesse. Unten: Typen und Funktionsweise.

1. Stereolithographie (SLA)

SLA-Technologie = ursprünglicher industrieller 3D-Druckprozess. Perfekt für detaillierte 3D-Modellteile, glatte Oberflächen, hohe Toleranz.

SLA veredelt Oberflächen (schön + funktional durch Passprüfung nach Montage). Beispiel: Medizin – anatomische Modelle. 3D Systems nutzt Viper, iPros, ProJets für SLA-Teile.

2. Selective Laser Sintering (SLS)

SLS schmilzt Nylonpulver zu festem Kunststoff. SLS-Teile aus Thermoplast → langlebig, ideal für Funktionstests, Lebendscharniere, Snap-Fits. Nachteil: raue Oberfläche vs. SL. Da Teile stark → keine Stützen nötig.

Bauplattform trägt viele verschiedene Teile in einem Build. Meiste SLS-Teile als Prototypen, die später spritzgegossen werden.

3. PolyJet 3D-Drucker

PolyJet = 3D-Druckprozess mit Twist. Fertigt Teile mit unterschiedlichen/vielen Eigenschaften, Materialien, Farben.

Designer nutzen PolyJet für Prototyping elastomerischer Teile oder Überformung. Einzeln, starr, plastisch → SL oder SLS ökonomischer vs. PolyJet → Preissenkung bei Waren.

PolyJet-Prozess optimal für Überformung, Silikonkautschukmodelle. Technologie spart frühes Werkzeug in Entwicklungszyklus. Design schnell iterieren, validieren.

4. Digital Light Processing (DLP)

DLP-Drucktechnologie fast identisch mit SLA. Unterschied: DLP nutzt digitalen Lichtprojektor → blitzt einzelnes Bild jeder Schicht gleichzeitig; bei größeren Teilen: multiple Blitze.

Projektor = digitaler Screen, Bilder jeder Schicht aus quadratischen Pixeln → Schicht aus kleinen rechteckigen Blöcken (Voxel).

Im Vergleich zu SLA: DLP deutlich schneller in Druckzeit. Durch simultane Belichtung der Schichten vs. Lasernachführung des Querschnitts.

Licht auf Resin via LED-Screen oder UV-Licht durch Digital Micromirror Device (DMD). DMD steuert Lichtprojektion durch Lichtmuster auf Oberfläche.

5. Metall-3D-Druckbereich bei Proto Labs

Technologie nutzt Laser-Konzept Mlab und M2-Maschinen auf Metall-3D-Druckteilen.

6. Multi Jet Fusion (MJF)

Ähnlich SLS: Funktionsparts aus Nylonpulver. Unterschied: MJF nutzt kein Lasersintern, sondern Tintenstrahl-Array → Fusing-Agent auf Pulverbett. Danach Heizelement über Bett → jede Schicht verschmelzen.

Ergebnis: konsistentere mechanische Eigenschaften vs. SLS, bessere Oberflächenqualität. Prozess beschleunigt Buildzeit → niedrigere Produktionskosten.

7. Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM-Technologie = Desktop-3D-Drucktechnologie für Kunststoffteile. Funktion: Kunststofffilament Schicht für Schicht auf Bauplattform extrudieren. Kosten-effiziente, schnelle Methode für physische Designs.

Funktionalität testbar, aber vermeiden: Oberfläche etwas rau, nicht so stark.

8. Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Metall-3D-Drucker eröffnet neue Möglichkeiten für Metallteilmodelle. Prozess bei ProtoLab: Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Technologie reduziert Metall- und Mehrteilbaugruppen auf Einzelteile oder leichtere Teile mit internen Kanälen.

DMLS anwendbar in Prototyping und Produktion – Teile so dicht wie traditionell gefertigte.

9. Electron Beam Melting (EBM)

EBM = Metall-3D-Drucktechnologie mit Elektronenstrahlen, gesteuert durch elektromagnetische Spule, die Pulver schmilzt. Bett beheizt, Vakuumbedingungen im Build-Zeitraum. Material bestimmt Temperatur zum Erhitzen.

Fazit

3D-Druck eröffnete mehr Möglichkeiten in vielen Branchen und Unternehmen. Produktionskosten gesenkt. 3D-Druck in fast allen Branchen genutzt (siehe Artikel). Besonders Medizin profitiert: Körperzellen und Organe erstellbar.