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Peter König 1

Überblick: So arbeiten 3D-Drucker

3D-gedruckte Türme mit blauen Stützstrukturen

Wer sich etwas mit 3D-Drucktechnik auskennt, kann das Angebot von Dienstleistern wie Shapeways & Co. besser beurteilen – und merkt auch, wann die Zeit reif ist, sich einen eigenen 3D-Drucker zuzulegen. Eine Einführung für Einsteiger.

In den vergangenen zehn Jahren hat sich mancher Visionär in die Vorstellung vom 3D-Druck als glühendes Versprechen auf eine Revolution der Produktionsverhältnisse hineingesteigert, auch wenn die Wirklichkeit je nach Blickwinkel schon immer etwas anders aussah. Während die Technik für die Industrie seit Jahren ein etabliertes Verfahren für die Entwicklung von Prototypen und die Produktion von Kleinserien ist, eröffnet sie Bastlern eine inspirierende Spielwiese.

Das wichtigste zuerst: 3D-Druck ist nicht gleich 3D-Druck. Denn der Sammelbegriff steht heute für ein ganzes Bündel von Fertigungstechniken, die nach unterschiedlichen Prinzipien funktionieren und sich jeweils nur für ganz bestimmte Materialien eignen. Ihr gemeinsamer Nenner: Alle Verfahren bauen dreidimensionale Objekte, indem sie Material in dünnen Schichten auftragen und verfestigen. Der Fachbegriff dafür ist additive Fertigung – in Abgrenzung zu subtraktiven Techniken wie Fräsen, Sägen, Bohren oder Wasserstrahlschneiden.

Heiße Düse

Mittels sogenanntem Fused Deposition Modeling (FDM) lassen sich nur Materialien verarbeiten, die beim Erhitzen weich und formbar werden – thermoplastische Kunststoffe wie ABS oder PLA, aber auch Modellierwachs und Schokolade. Der Druckkopf von FDM-Maschinen besteht im Kern aus einer heißen Düse, in die das feste Rohmaterial gepresst wird und sich dadurch verflüssigt. Am anderen Ende der Düse tritt es als dünner und weicher Faden aus. Damit zeichnet der Druckkopf eine Schicht des gewünschten Objekts – die äußere Kontur als einfassende Linie, Flächen werden als Schraffuren angelegt. Ist die Schicht vollendet und das Material in der gewünschten Form erstarrt, rückt der Kopf um eine Schichtdicke vom Objekt ab und zeichnet die nächste Lage.

Diagramm von 3D-Druckstück und Druckdüse mit eingezeichneten Achsen
Beim Fused-Deposition-Modeling-Verfahren bewegt sich die Düse in x- und y-Richtung und bringt eine dünne Schicht weichen Kunststoffs in der gewünschten Form auf den Drucktisch. Anschließend fährt der Drucktisch in z-Richtung um Schichtdicke nach unten und die Düse bringt die nächste Schicht auf.

Make 5/19

Mehr zum Thema gibt es in Ausgabe 5/19 der Make.

Die meisten 3D-Drucker, die weniger als 1000 Euro kosten, arbeiten heute mit FDM, denn die nötige Elektronik und Mechanik für eine ernstzunehmende Maschine diesen Typs ist erstaunlich simpel. Als Rohmaterial dient in der Regel Plastikdraht (Filament) von entweder 1,75 oder 3 Millimetern Stärke. Da dieser Draht wie bei einer Heißklebepistole im festen Zustand in die Düse gedrückt wird, sprechen manche Hersteller auch von Fused Filament Fabrication (FFF) – wahrscheinlich einfach deshalb, weil das eine griffigere Abkürzung ergibt.

Weil der weiche Plastikdraht an der Luft nicht sofort erstarrt, müssen größere Überhänge und flache Vorsprünge am Objekt während des Drucks abgestützt werden. Bei einfachen FDM-Maschinen fügt die Software an den passenden Stellen der 3D-Vorlage geeignete Gitterstrukturen hinzu, die aus demselben Material wie das eigentliche Objekt aufgebaut werden und die man hinterher von Hand abbrechen, abknipsen oder wegschleifen muss. Gehobene FDM-Maschinen wie der Ultimaker 3 oder sein Nachfolger 3S bauen die Stützstrukturen mit einem zweiten Druckkopf und aus einem anderen Material auf. Manche Stützmaterialien sind wasserlöslich oder lassen sich in einem basischen Bad auswaschen.

Per FDM gefertigte Kunststoffteile sind belastbar und im Vergleich zu anderen additiven Techniken flott gefertigt. Allerdings weist ihre Oberfläche – trotz der heute üblichen Schichtdicken bis hinunter zu 0,1 Millimetern – oft eine deutlich sichtbare Riffelung auf. Bei manchen Objekten erinnert das an eine Holzmaserung und sieht ganz gut aus, bei vielen stört es nicht, gelegentlich wirkt es aber etwas billig.

Pulver und Licht

Komplett ohne Stützmaterial kommen viele additiven Techniken aus, die ihr Rohmaterial als Pulver verarbeiten. Ein Hauch davon bildet den Stoff für jede einzelne Schicht des Modells, anschließend geht der Druckkopf darüber und verfestigt das Pulver entsprechend der Form des gewünschten Objekts. Werden Kunststoffe wie Polyamid oder Metalle wie Stahl und Titan verarbeitet, verschmilzt oder sintert ein Laser die einzelnen Körnchen punktgenau, was dann Selective Laser Melting (SLM) oder Selective Laser Sintering (SLS) heißt.Trotz einiger Vorreiter wie Sinterit oder Formlabs sind die Preise für Sintermaschinen nach wie vor so hoch, dass man eigentlich nur als Kunde eines Dienstleisters für 3D-Druck in den Besitz solcher Werkstücke kommt – und auch die sind nicht ganz billig.

Ist stattdessen ein farbiges Modell gewünscht, spritzt ein modifizierter Tintenstrahl-Druckkopf ein Gemisch aus Farbe und Bindemittel in die Pulverschicht und verklebt einzelne Körnchen. Deshalb ist speziell für diese Spielart des Pulverdrucks auch die Bezeichnung 3D-Druck (3DP) gängig, was die Begriffsverwirrung noch erhöht.

Alles Pulver, das nicht Teil des Werkstücks wird, bleibt während des Produktionsprozesses liegen. Es stützt überhängende Teile, wird zum Schluss weggebürstet und kann für das nächste Modell wiederverwendet werden. Pulverdrucke haben oft eine raue Oberfläche, ähnlich wie feines Sandpapier. SLS und SLM produzieren robuste, elastische oder filigrane Objekte. Farbdrucker hingegen zaubern realistische Miniaturen, die allerdings etwas spröde wirken. Oft bestehen sie aus einem speziellen Polymergips und sind dadurch recht schwer.

Ein Würfel, ein Dodekaeder und ein Regenbogenknoten aus dem 3D-Drucker von 3D Systems, aus eingefärbtem Gipspulver aufgebaut. Daneben gestreifte Kettenglieder aus farbig bedruckten und verklebten Papierschichten
Farbdrucktechniken im Vergleich: Den Würfel und den Dodekaeder links sowie den Regenbogenknoten in der Mitte hat ein 3D-Drucker von 3D Systems aus eingefärbtem Gipspulver aufgebaut. Die gestreiften Kettenglieder rechts hingegen stammen aus einer Maschine von Mcor und bestehen aus farbig bedruckten und verklebten Papierschichten (Laminated Object Modeling, LOM).

Photopolymer

Durchsichtige Form mit verzweigten Armen aus dem Stereolithographie-Drucker
Stereolithographie wird inzwischen erschwinglich: Der Form 1+ von Formlabs kostet 3000 Euro – noch vor ein paar Jahren war so ein günstiger Preis undenkbar.

Die schönsten Oberflächen erzeugen Stereolithographie-Maschinen (SLA): Das Werkstück nimmt Gestalt in einem Becken voller flüssigem Kunstharz (englisch Resin) an, dessen Füllstand für jede weitere Schicht minimal erhöht wird. Die Flüssigkeit härtet unter UV-Laserlicht punktuell aus. Neben der klassischen Stereolithographie gibt es eine alternative und eine deutlich günstigere Variante der Technik, lichtempfindliches Harz (Photopolymer) gezielt zu verfestigen: Beim manchmal DLP (für Direct Light Processing) genannten Verfahren belichtet man ganze Schichten des Werkstücks mit einem Beamer, dessen Lichtquelle die passende Wellenlänge für das Harz hat. Beim LCD-Resindruck kommen LC-Displays mit gegebenenfalls modifiziertem Backlight zum Einsatz. Da es durch die massenweise Tablet-Produktion die passenden Displays äußerst günstig zu kaufen gibt, kosten solche Photopolymer-3D-Drucker aus China wie der Elegoo Mars zum Teil keine 300 Euro mehr.

Spezialisten

Videokurs: Blender für Maker

Im Make-Videokurs zeigt der bekannte Buchautor und Blender-Tutor Carsten Wartmann anhand verschiedener kleiner Maker-Projekte, wie man das Open-Source-3D-Softwarepaket Blender für CAD-Aufgaben wie das Konstruieren eigener Vorlagen etwa für den 3D-Druck oder das CNC-Fräsen produktiv nutzen kann.

Neben Stereolithografie, Pulverdruck und der Fertigung mit heißer Düse gibt es noch einige interessante Spezialmethoden. Manche Drucker der Objet-Serie des Herstellers Stratasys arbeiten nach dem PolyJet-Verfahren, bei dem Kunstharz tröpfchenweise gedruckt und anschließend sofort per UV-Licht gehärtet wird. Der Clou: Mehrere parallel angebrachte Düsen und Köpfe können Objekte aus verschiedenen Materialien in einem Rutsch aufbauen, beispielsweise die harte Schale einer Fernbedienung mit elastischen Tasten. Manche Drucker mischen auch Kunststoffe mit beliebig wählbaren Eigenschaften in puncto Elastizität und Farbe zusammen, was insbesondere für Prototypen bei der Produktentwicklung nützt.

Beim 3D-Druck von Edelmetall wie Gold und Silber kommt manchmal ein indirektes Verfahren zum Einsatz: Das Modell wird zunächst aus Modellierwachs in 3D gedruckt und dann konventionell im Wachsausschmelzverfahren mit verlorener Form abgegossen.

Die irische Firma Mcor hat für beliebig farbig texturierte Drucke eine Alternative zum spröden Pulver in petto: Ihre Maschinen schichten Modelle aus ganzen Packungen gewöhnlichen Schreibpapiers auf. Für jede Schicht druckt zunächst ein konventioneller Tintenstrahlkopf einen farbigen Horizontalschnitt durch das Objekt aufs Blatt, wobei die Spezialfarbe die gesamte Dicke des Papiers durchdringt. Dann trägt die Maschine auf die Schicht darunter flüssigen Leim in Form des Objekts auf, setzt dann erst das farbig bedruckte Blatt drauf, presst es an und schneidet mit einem Messer den unverklebten Teil des Blatts entlang der Modellkontur ab. Ist das Objekt komplett aufgebaut, wird das überschüssige Papier entfernt und das Werkstück noch mal in Kunstharz getränkt. Das verleiht dem Druck eine haptisch angenehme, seidenglänzende Oberfläche, die nicht mehr im Entferntesten an Papier erinnert.

Ausblick

Unsere ersten Druckversuche mit dem MakerBot CupCake CNC vor bald zehn Jahren liegen inzwischen gefühlt in der Steinzeit, so schnell haben sich die Maschinen seitdem verbessert. Deshalb wurde dieser ursprünglich 2015 veröffentlichte Artikel im September 2019 umfassend aktualisiert. Über aktuelle Entwicklungen werden wir Sie weiterhin in Make sowie online auf dem Laufenden halten. Bleiben Sie dran. (pek)

Mehr zum 3D-Druck

Überblick:

Speziell zu FDM-Druckern:

Anwendungen:

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