3D-Druck verstehen: Prinzipien, Verfahren und zentrale Anwendungen

Das Konzept des 3D-Drucks skizzierte David E. H. Jones bereits 1974. Doch Verfahren und Materialien zur Fertigung von Modellen wurden erst Anfang der 1980er-Jahre entwickelt.

Der Begriff „3D-Druck“ umfasst zahlreiche Prozesse und Techniken, die ein breites Spektrum an Möglichkeiten für die Herstellung von Bauteilen und Produkten aus unterschiedlichen Materialien bieten. In den vergangenen Jahren haben sich diese Prozesse stark weiterentwickelt und übernehmen heute entscheidende Rollen in vielen Anwendungsbereichen.

Dieser Überblicksartikel erläutert die verschiedenen Arten und Verfahren des 3D-Drucks, ihre Funktionsweise sowie Nutzen und Vorteile im aktuellen Markt. Beginnen wir mit einer grundlegenden Frage.

Was ist 3D-Druck?

3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, ist ein Verfahren zur Erstellung eines physischen Objekts aus einem dreidimensionalen digitalen Modell oder einem CAD-Modell. Dabei kommen verschiedene computergesteuerte Techniken zum Einsatz, bei denen Material Schicht für Schicht verbunden oder verfestigt wird, um ein tatsächliches Objekt aufzubauen.

Typischerweise wird das Material (etwa Pulverpartikel oder flüssige Moleküle, die miteinander verschmelzen) im Millimetermaßstab Schicht für Schicht aufgetragen. Deshalb wird 3D-Druck auch als additives Fertigungsverfahren bezeichnet.

Die Illustration zeigt, wie ein 3D-Drucker dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aufbaut | 3D Logics

In den 1990er-Jahren wurden 3D-Drucktechniken als Rapid Prototyping bezeichnet. Sie eigneten sich lediglich für die Fertigung ästhetischer oder funktionaler Prototypen. Seither hat sich viel getan.

Heutige 3D-Drucktechnologie ist fortgeschritten genug, um komplexe Strukturen und Geometrien zu schaffen, die manuell nicht herstellbar wären.

Präzision, Materialvielfalt und Reproduzierbarkeit des 3D-Drucks haben ein Niveau erreicht, das die Konstruktion fast beliebiger Objekte ermöglicht – von einfachen Prototypen bis hin zu komplexen Endprodukten wie umweltfreundlichen Gebäuden, Flugzeugteilen, Medizinprodukten und sogar künstlichen Organen aus Schichten menschlicher Zellen.

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Wie funktioniert es genau?

Alle 3D-Druckverfahren basieren auf demselben Prinzip: Ein 3D-Drucker nimmt ein digitales 3D-Modell (als Eingabe) und wandelt es in ein physisches dreidimensionales Objekt um, indem er Material Schicht für Schicht aufträgt.

Das unterscheidet sich grundlegend von traditionellen Fertigungsverfahren wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung, die Schneidwerkzeuge einsetzen, um die gewünschte Struktur aus einem massiven Block herauszuarbeiten. Beim 3D-Druck hingegen werden keine Schneidwerkzeuge benötigt: Objekte werden direkt auf der Bauplattform gefertigt.

Der Prozess beginnt mit einem digitalen 3D-Modell (dem Bauplan des Objekts). Die software (druckerspezifisch) schneidet das 3D-Modell in dünne, zweidimensionale Schichten. Diese werden dann in eine Reihe von Anweisungen in Maschinensprache umgewandelt, die der Drucker ausführt.

Je nach Druckertyp und Objektgröße dauert ein Druckvorgang mehrere Stunden. Das gedruckte Objekt erfordert oft Nachbearbeitung (Schleifen, Lackieren, Streichen oder andere konventionelle Veredelungsschritte), um die optimale Oberflächenqualität zu erreichen – was zusätzlichen Zeitaufwand und manuelle Arbeit bedeutet.

Verschiedene 3D-Druckertypen setzen unterschiedliche Technologien ein, die verschiedene Materialien auf unterschiedliche Weise verarbeiten. Die vielleicht grundlegendste Einschränkung des 3D-Drucks in puncto Materialien und Anwendungen ist, dass es keine Einheitslösung für alle Fälle gibt.

Arten/Verfahren des 3D-Drucks

Laut ISO/ASTM 52900 lassen sich alle 3D-Druckverfahren in sieben Kategorien einteilen. Jede hat Vor- und Nachteile, die meist Aspekte wie Kosten, Geschwindigkeit, Materialeigenschaften und geometrische Limitierungen betreffen.

1. Vat-Photopolymerisation (Kubel-Photopolymerisation)

Illustration von SLA: Ein Laser (a) belichtet selektiv den transparenten Boden (c) eines mit flüssigem photopolymerisierbarem Harz gefüllten Behälters (b). Die Hebeplattform (e) zieht das ausgehärtete Harz (d) schrittweise nach oben.

Ein auf Vat-Photopolymerisation basierender 3D-Drucker besitzt einen mit Photopolymer-Harz gefüllten Behälter, das durch eine UV-Lichtquelle ausgehärtet wird, um ein Objekt zu erzeugen. Die drei gängigsten Formen der Vat-Polymerisation sind:

1a) Stereolithografie (SLA): 1984 erfunden, nutzt SLA einen UV-Laser, um chemische Monomere und Oligomere zu vernetzen und Polymere zu bilden, die den Körper eines dreidimensionalen Festkörpers ausmachen. Der Prozess ist schnell und kann nahezu jede Struktur erzeugen, kann jedoch kostspielig sein.

1b) Digital Light Processing (DLP): Hierbei kommen konventionelle Lichtquellen wie Bogenlampen (statt Laser) zum Einsatz. Jede Objektschicht wird auf das Harzbecken projiziert und schichtweise ausgehärtet, während die Hebeplattform auf- oder abfährt.

1c) Continuous Liquid Interface Production (CLIP): Ähnlich wie Stereolithografie, jedoch kontinuierlich und bis zu 100-mal schneller. CLIP kann gummartige, flexible Objekte mit glatten Seiten erzeugen, die mit anderen Techniken nicht realisierbar sind.

2. Materialextrusion

Illustration der Materialextrusion: Düse (1) bringt Material (2) auf der Bauplattform (3) auf.

Bei diesem Verfahren wird ein Filament aus solidem thermoplastischem Material durch eine beheizte Düse gedrückt, die das Material schmilzt und entlang eines vorgegebenen Pfads auf der Bauplattform ablegt. Das Material kühlt anschließend aus und erstarrt, wodurch ein dreidimensionales Objekt entsteht. Die am häufigsten verwendeten Techniken dieses Verfahrens sind:

2a) Fused Deposition Modeling (FDM): Verwendet ein kontinuierliches Filament aus thermoplastischem Material wie Nylon, thermoplastischem Polyurethan oder Polymilchsäure.

2b) Robocasting: Beinhaltet die Extrusion einer pastenartigen Substanz aus einer kleinen Düse, während diese über die Bauplattform bewegt wird. Der Prozess unterscheidet sich vom FDM, da er nicht auf dem Trocknen oder Erstarren des Materials beruht, um die Form nach der Extrusion beizubehalten.

3. Schichtlaminierung (Sheet Lamination)

Manche Drucker verwenden Papier und Kunststoff als Baumaterial, um Druckkosten zu senken. Bei dieser Technik werden mehrere Schichten aus Klebekunststoff, Papier oder Metalllaminaten nacheinander verbunden und mittels Laserschneider oder Messer in Form geschnitten.

Die Schichtauflösung wird durch das Materialvorratsmaterial definiert. Typischerweise liegt sie zwischen einem und wenigen Blättern Kopierpapier. Das Verfahren eignet sich für große Bauteile, doch die dimensionsgenaue Genauigkeit des Endprodukts ist deutlich geringer als bei der Stereolithografie.

4. Energiebündelnde Auftragung (Directed Energy Deposition)

Die gerichtete Energieauftragung findet häufig in der Hightech-Metallindustrie und im Rapid Manufacturing Anwendung. Die Druckvorrichtung verfügt über eine Düse, die an einem mehrachsigen Roboterarm befestigt ist. Die Düse bringt Metallpulver auf die Bauplattform auf, das anschließend durch Laser, Plasma oder Elektronenstrahl geschmolzen wird, um ein festes Objekt zu formen.

Dieser 3D-Drucktyp unterstützt diverse Metalle, funktional graduierte Materialien und Verbundwerkstoffe, darunter Aluminium, Edelstahl und Titan. Er kann nicht nur komplett neue Metallteile fertigen, sondern auch Material an bestehende Teile anlagern – was hybride Fertigungsanwendungen ermöglicht.

5. Materialauftragung (Material Jetting)

Mit Material Jetting gefertigte Bauteile

Material Jetting funktioniert ähnlich wie Tintenstrahldrucker. Dabei wird ein lichtempfindliches Material in Tropfen durch eine Düse mit kleinem Durchmesser aufgebracht und anschließend durch UV-Licht gehärtet, wobei das Bauteil Schicht für Schicht aufgebaut wird.

Als Materialien kommen thermoplastische Photopolymere (Acrylate) zum Einsatz. Mehrmaterialdruck und eine breite Materialpalette (einschließlich gummiartiger und transparenter Materialien) sind ebenfalls verfügbar.

Da Material Jetting Bauteile mit hoher Dimensionsgenauigkeit und glatter Oberflächenbeschaffenheit erzeugen kann, ist es eine attraktive Option für die Herstellung sowohl visueller Prototypen als auch kommerzieller Werkzeuge.

6. Binder Jetting

Vollfarbdruck in Sandstein mittels Binder Jetting | Bildquelle: 3D Hubs

Binder Jetting verwendet zwei Materialien: ein Pulver-Grundmaterial und einen flüssigen Binder. Das Pulver wird in gleichmäßigen Schichten in der Baukammer verteilt, der Binder wird durch Düsen aufgebracht und „klebt“ die Pulverpartikel zusammen, um das gewünschte Objekt zu formen.

Wachs oder thermoplastisches Polymer wird oft mit dem gebundenen Pulver gemischt, um die Festigkeit zu erhöhen. Nach Abschluss des 3D-Drucks wird das überschüssige Pulver gesammelt und für den nächsten Druck wiederverwendet.

Da die Technik einem Tintenstrahlverfahren ähnelt, wird sie auch als Injekt-3D-Druck bezeichnet. Sie wird vorwiegend für Elastomerteile, Überhänge und farbige Prototypen eingesetzt.

7. Pulverbettbasiertes Schmelzen (Powder Bed Fusion)

Ein SLS-System | DTM – 2500CI

Pulverbettbasiertes Schmelzen ist ein Teilbereich der additiven Fertigung, bei dem eine Wärmequelle (wie Thermodruckkopf oder Laser) genutzt wird, um Material in Pulverform zu konsolidieren und physische Objekte aufzubauen. Die fünf gängigsten Formen dieser Technologie sind:

7a) Selektives Lasersintern (SLS): Nutzt einen Laser als Energiequelle, um pulverförmiges Material wie Polyamid oder Nylon zu sintern. Sintern bezeichnet den Prozess der Verdichtung und Formung einer festen Masse durch Druck oder Hitze, ohne das Material bis zur Verflüssigung zu schmelzen.

7b) Selektives Laserschmelzen (SLM): Im Gegensatz zum SLS ist dieses Verfahren darauf ausgelegt, Metallpulver vollständig zu schmelzen und zu verschmelzen. Es kann vollverdichtete Materialien (Schicht für Schicht) erzeugen, deren mechanische Eigenschaften denen traditionell gefertigter Metalle entsprechen. Dies ist einer der sich schnell entwickelnden Prozesse, der sowohl in Industrie als auch Forschung implementiert wird.

7c) Elektronenstrahlschmelzen (EBM): Hierbei wird das Rohmaterial (Draht oder Metallpulver) in einem Vakuum platziert und mittels Elektronenstrahl verschmolzen. Obwohl EBM nur mit leitfähigen Materialien eingesetzt werden kann, bietet es aufgrund höherer Energiedichte überlegene Baugeschwindigkeiten.

7d) Selektives Wärmesintern (SHS): Verwendet einen Thermodruckkopf, um Hitze auf Schichten aus thermoplastischem Pulver aufzubringen. Sobald eine Schicht fertiggestellt ist, fährt das Pulverbett ab, und eine neue Materials Schicht wird hinzugefügt und gesintert, um den nächsten Querschnitt des Modells zu bilden. Dieses Verfahren eignet sich besonders für kostengünstige Prototypen und Funktionstest-Teile.

7e) Direktes Metalllasersintern (DMLS): Ähnlich wie SLS, jedoch mit Metallpulver. Das verbleibende Pulver wird zur Stützstruktur für das Objekt und kann für den nächsten 3D-Druck wiederverwendet werden. DMLS-Teile bestehen meist aus pulverisierten Materialien wie Titan, Edelstahl, Aluminium und diversen Nischenlegierungen. Es ist ein ideales Verfahren für kundenspezifische Medizinteile, Öl- und Gaskomponenten sowie anspruchsvolle funktionale Prototypen.

Anwendungen

Im vergangenen Jahrzehnt hat sich der 3D-Druck stark weiterentwickelt. Da er komplexe Designs schnell und kostengünstiger fertigen kann, ist er zu einem unverzichtbaren Werkzeug in diversen Branchen geworden – von kommerzieller Fertigung und Medizin bis hin zu Architektur und Custom Design.

Zahlreiche additive Fertigungsverfahren eignen sich zur Herstellung von Lebensmitteln. Moderne 3D-Drucker verfügen über vorinstallierte Rezepte und ermöglichen es Nutzern, ihre Speisen remote am Computer oder Smartphone zu gestalten. 3D-gedruckte Lebensmittel lassen sich in Textur, Farbe, Form, Geschmack und Nährwert anpassen.

Die Technologie hat sich auch in der pharmazeutischen Formulierung bewährt. Die erste per 3D-Druck hergestellte Formulierung entstand 2015. Im selben Jahr genehmigte die FDA die erste 3D-gedruckte Tablette.

Zero-G-3D-Drucker, 2014 zur ISS geschickt

2014 lieferte SpaceX den ersten Schwerelosigkeits-3D-Drucker zur Internationalen Raumstation. Er wird von Astronauten genutzt, um nützliche Werkzeuge wie Steckschlüssel zu drucken.

Tatsächlich werden viele Montageprojekte, die auf Planeten oder Asteroiden geplant sind, irgendwie mithilfe der in der Nähe verfügbaren Materialien bootstrapped. 3D-Druck ist ein entscheidender Schritt in diesem Bootstrapping-Prozess.

Heute integrieren Technologieunternehmen additive Fertigung mit Cloud Computing, um dezentrale und geografisch unabhängige verteilte Produktion zu ermöglichen. Einige Firmen bieten Online-3D-Druckdienste (via Website) für Privat- und Geschäftskunden an.

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Zukunft des 3D-Drucks

Der große Traum des 3D-Drucks ist „eine Fabrik in jedem Haushalt“. Das mag seltsam klingen, doch es ist unbestreitbar faszinierend, eine Maschine zu besitzen, die sofort unendlich anpassbare Dinge herstellen kann.

Genau wie Computer und Smartphones Milliarden von Menschen befähigt haben, könnten 3D-Drucker dasselbe für die Fertigung tun.

Laut Grand View Research wurde der globale 3D-Druckmarkt 2019 auf 11,58 Milliarden US-Dollar geschätzt und soll bis 2027 über 33 Milliarden US-Dollar erreichen (bei 14 % jährlichem Wachstum).

Als Wachstumstreiber gelten aggressive Forschung & Entwicklung sowie steigende Nachfrage nach Prototyping-Anwendungen aus verschiedenen Branchen, insbesondere Automobil, Luft- und Raumfahrt, Verteidigung und Gesundheitswesen.