Die Zukunft des Druckens

Die neue Druckergeneration: Das können 3D-Drucker!

06.11.2015 15:07:46

„Schatz, meine Schuhe sind kaputt!“ – „Kein Problem, ich druck dir gleich neue.“ Was sich wie eine Szene aus einem futuristischen Film anhört, könnte bald Realität sein. Ob Alltagsgegenstände, Modellhäuser,Miniaturfiguren, Bauteile oder Schmuck: Auf der IFA 2015 zeigten internationale 3D-Drucker-Hersteller was ihre Geräte können. Erfahren Sie hier, wie die Drucker funktionieren, was sie kosten und wofür sie sich eignen.

Individueller Druck für jeden Bedarf

Eines wurde beim Besuch der IFA schnell klar: Mit 3D-Druckern erreicht die Herstellung individueller Objekte eine neue Dimension. Die Geräte sind kompakt, einfach zu bedienen und werden immer günstiger in der Anschaffung. Bau- und Ersatzteile, Handyhüllen sowie Spielzeug und Figuren lassen sich damit einfach zuhause produzieren. Doch nicht nur im Privatbereich erfreuen sich 3D-Drucker zunehmender Beliebtheit.

Von Figuren über Bauteile bis hin zu Modellen reicht das Spektrum des 3D-Drucks – und noch viel weiter. © A. Tauschitz | Käuferportal

Von Figuren über Bauteile bis hin zu Modellen reicht das Spektrum des 3D-Drucks – und noch viel weiter. © A. Tauschitz | Käuferportal

Genutzt werden sie auch für:
Modelle, Bauteile und (zukünftig) ganze Gebäudeteile im Bauwesen
Bauteile im Fahrzeug- und Maschinenbau
Modelle und Designobjekte in Kunst, Mode und Architektur
Schmuckproduktion
Lehrmaterial in Schulen und Universitäten
Bauteile in der Luft- und Raumfahrtindustrie
Formwerkzeugbau und Gießformen
Schuhindustrie
Implantate und Prothesen in der Medizin- und Zahntechnik; ein großes Ziel ist das Drucken menschlicher Organe (Bioprinting)
Bastler und Modellbau
Lebensmittel (derzeit eher experimentell)

Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

Für den Druck eines Objekts benötigt das Gerät, wie auch bei herkömmlichen Papierdruckern, die Druckinformation. Im Falle eines 3D-Drucks handelt es sich dabei um eine CAD-Datei, die sämtliche Daten über das 3D-Modell beinhaltet. Da der Drucker das Modell schichtweise produziert, muss die Datei zuvor in einzelne 2-dimensionale, horizontale Schichten beziehungsweise Layer geschnitten werden. Dies erfolgt durch das sogenannte „Slicing“. Das dabei ausgegebene Dateiformat ist üblicherweise .STL oder .AMF. Sobald die Datei (zum Beispiel per USB- oder SD-Anschluss) an den Drucker gesendet wird, kann der Druck beginnen.

Von der Datei bis zum Druck © Käuferportal

Von der Datei bis zum Druck © Käuferportal

3D-Druckverfahren im Überblick

Grundsätzlich wird zwischen drei 3D-Druckverfahren unterschieden:

  • Druck mit geschmolzenen Materialien (Schmelzschichtverfahren oder FDM):

So funktioniert die Schmelzschichtung:

  1. Wie bei einer Heißklebepistole wird das Material über eine Filamentspule in den Druckkopf (Extruder) geleitet und dort erhitzt.
  2. Die nun heiße, zähe Flüssigkeit wird über die Druckerdüse auf das Druckbett aufgetragen.
  3. Nachdem eine Schicht abgekühlt ist, fährt das Druckbett um eine Schichtdicke nach unten und die Düse bringt die nächste Schicht auf.
  4. Eine mitgedruckte, dünne Stützstruktur sorgt für die notwendige Stabilität des Druckobjektes und lässt sich nach dem Druck leicht entfernen.
3D-Drucker mit FDM-Verfahren © Käuferportal

3D-Drucker mit FDM-Verfahren © Käuferportal

3D-Druck Objekt FDM-Verfahren

Schicht für Schicht wird der erhitzte Kunststoff aufgetragen. © A. Tauschitz | Käuferportal

Hier finden Sie ein Video über den 3D-Druck im Schmelzschichtverfahren:

Tipp der Redaktion

    Beliebte Werkstoffe sind Kunststoffe wie ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) oder PLA (Polylactid), aber auch Beton, Gips und sogar Teig. So konnte ein Lebensmitteldrucker der Firma XYZprinting auf der IFA 2015 begutachtet werden: Mit einem Teig aus Milch, Eiern, Zucker und Mehl druckte der 3D Food Printer Kekse und Tortendekoration, die anschließend nur noch gebacken werden mussten.
  • Druck mit Pulver (3DP oder Selektives Sintern bzw. Schmelzen):

Beim sognannten Pulverdruck (3DP) wird:

  1. Pulver aus Gips, Alumid (Aluminium und Polyamid), Metall, Keramik oder auch Glas schichtweise mit einem flüssigen Klebstoff verklebt.
  2. Zwischendurch überzieht eine Walze das Objekt mit einer neuen Pulverschicht.
  3. Damit das 3D-Objekt (von unten nach oben) erstellt werden kann, wandert das Druckerbett sukzessive nach unten.

Der Vorteil dieses Druckverfahrens ist eine große Auswahl an farbigen Klebstoffen, bei mehreren Druckköpfen können sogar mehrfarbige Objekte erstellt werden.

3D-Drucker mit 3DP-Verfahren © Käuferportal

3D-Drucker mit 3DP-Verfahren © Käuferportal

Modell einer Dampfturbine, gedruckt aus Alumid und Nylon © A. Tauschitz | Käuferportal

Modell einer Dampfturbine, gedruckt aus Alumid und Nylon © A. Tauschitz | Käuferportal

Ein Anschauungsvideo der Volkswagen Group zum Thema Metall-3D-Druck mit dem SLS-Verfahren finden Sie hier:

Tipp der Redaktion

    Weitere Varianten des Pulver-3D-Drucks sind das Selektive Lasersintern (SLS), bei dem das Pulver mithilfe eines Lasers verschmolzen wird, sowie das Elektronenstrahlschmelzen (EBM) – hierbei wird Metallpulver durch einen Elektronenstrahl verfestigt.
  • Druck mit flüssigen Materialien (Stereolithografie bzw. SLA):

So funktioniert die Stereolithografie:

  1. Flüssiger, lichtaushärtender Kunststoff (Photopolymer) oder Harz befinden sich in einem Becken und werden Layer für Layer mit einem Laser gehärtet.
  2. Sobald eine Schicht ausgehärtet ist, wird das Druckbett mit dem Objekt ein Stück tiefer in das Becken getaucht.
  3. Zwischendurch wird der flüssige Kunststoff mithilfe eines Wischers wieder gleichmäßig verteilt.

Andere Geräte drucken das Objekt „kopfüber“, sodass es allmählich aus dem Becken gezogen wird.

Das fertige Objekt wird anschließend gereinigt und in einer Lichtkammer fertig ausgehärtet. Gegebenenfalls müssen die Stützstruktur noch entfernt und die Kanten des Objektes geschliffen werden.

3D-Drucker mit SLA-Verfahren © Käuferportal

3D-Drucker mit SLA-Verfahren © Käuferportal

Weitere Informationen zum Stereolithographie-Verfahren finden Sie in folgendem Video des Mage Magazins:

Trotz der etwas höheren Materialkosten ist die Druckqualität weitaus höher als bei der gewöhnlichen Schmelzschichtung.

Tipp der Redaktion

    Die Geschwindigkeit des Druckverfahrens ist maßgeblich für die Druckdauer und -qualität verantwortlich. Je mehr Ecken, Kanten oder Rundungen ein Modell hat und je länger das Material zum Aushärten braucht, desto langsamer sollte der Druck erfolgen. Für ein Modell der Größe 40x40x40 cm beträgt die Druckdauer durchschnittlich vier Stunden.

Hochwertiger Druck binnen Minuten – mit dem CLIP-Verfahren

Mit dem neu entwickelten CLIP-Verfahren (Continuous Liquid Interface Production) kann ein Objekt innerhalb weniger Minuten gedruckt werden: Während bisher das Objekt Schicht für Schicht erstellt wurde und zwischendurch aushärten musste, wird mit dem neuen Verfahren das Objekt wie aus einem Guss hergestellt.

So funktioniert es: Unterhalb des Tanks befindet sich ein UV-Licht-Projektor. Der Boden des Tanks besteht aus einem licht- und luftdurchlässigen Fenster. So sammelt sich in der untersten Schicht der Flüssigkeit Sauerstoff an. In dieser sogenannten „Dead Zone“ wird das Objekt durch UV-Licht geformt und gehärtet. Das Ergebnis ist ein schichtfreies, äußerst stabiles Objekt, das über eine bewegliche Platte fertig aus der Flüssigkeit gezogen wird.

Mehr zum CLIP-Verfahren erfahren Sie in diesem Video.

Vom 3D-Scan zum 3D-Druck

Viele 3D-Druckvorlagen können einfach aus den Online-Datenbanken der Druckerhersteller heruntergeladen werden. Wer hingegen Sonderwünsche hat und zum Beispiel eine Figur von sich selbst anfertigen lassen möchte, kann dies mithilfe eines 3D-Scanners realisieren: Unternehmen wie botspot, MakerBot oder Artec bieten 3D-Scanner an, die das gewünschte Objekt (oder sogar ganze Personen) binnen Sekunden abfotografieren und als Objektdatei abspeichern.

Der 3D-Scanner „botscan encore“ von botspot ist mit seiner Höhe von rund 2,5m ideal für den Scan von großen Objekten und Personen. © A. Tauschitz | Käuferportal

Der 3D-Scanner „botscan encore“ von botspot ist mit seiner Höhe von rund 2,5m ideal für den Scan von großen Objekten und Personen. © A. Tauschitz | Käuferportal

Die Scanner werden üblicherweise für:

die Film- und Spielindustrie (Erstellen individueller Avatare),
Kleidung,
Miniaturfiguren,
Objektvermessung
die Medizin (Hautkrebsvorsorgeuntersuchung) und
die plastische Chirurgie eingesetzt.

Was kostet ein 3D-Drucker?

Die Kosten für einen 3D-Drucker hängen vor allem von der jeweiligen Ausstattung und Größe ab.

Kompakte Geräte für die Privatnutzung sind ab rund 500 Euro erhältlich, wobei die Druckqualität hier oft mittelmäßig ist. Kombi-Geräte wie der da Vinci 1.0 AiO von XYZ Printing bieten sowohl eine Scan- also auch eine Druckfunktion an. Erhältlich ist er ab rund 800 Euro. Für einen einwandfreien und professionellen Drucker sollte man mindestens 2.000 Euro einkalkulieren.

Viele Geräte werden fertig aufgebaut geliefert (Plug & Play), müssen also nur noch aufgestellt, kalibriert und aktiviert werden. Für Experimentierfreudige sind Bausätze mit erweiterbaren Funktionen das Richtige.

Zusätzlich einzukalkulieren sind Strom- und Materialkosten. Letztere fallen je nach Werkstoff unterschiedlich aus. Für Heim-3D-Drucker bietet sich die Nutzung der thermoplastischen Kunststoffe PLA oder ABS an: Sie sind als Filamente in vielen Farben erhältlich und kosten rund 30 bis 40 Euro pro Kilo. Andere Materialien wie Gipspulver, Keramik, Aluminiumpulver, Kunstharz oder Silber sind bedeutend teurer und finden primär im professionellen Bereich Anwendung.

Beim Kauf des 3D-Druckers sollten Sie neben Preis und Druckqualität auf folgende Punkte achten:

Was soll das Gerät drucken können (zu druckende Objekte, Material)?
Bevorzugen Sie einen Bausatz oder ein Fertigteil?
Über welche Ausstattung soll der Drucker verfügen (beheizbare Druckplatte, automatische Kalibrierung, integrierte Scanfunktion, beleuchteter Druckraum, Option auf einen zweiten Druckkopf etc.)?
Gibt es einen USB-Port oder einen SD-Slot, über den Sie die CAD-Datei auf den Drucker übertragen   können?
Sind sämtliche Geräte (Computer, Drucker, ev. Scanner) kompatibel?
Ist der Drucker gut bedienbar (Displaygröße, intuitive Bedienung)?

Wer sich keinen 3D-Drucker oder -Scanner leisten will, hat die Möglichkeit, sich an einen Dienstleister wie twinkind, 3D Generation oder rapidobject zu wenden. Diese ermöglichen den 3D-Scan mit mobilen und stationären Mess-Systemen oder aber in einem 360° Fotostudio mit anschließendem Druck. So genannte Fab Labs bieten die Nutzung von HighTech-Werkzeugen wie 3D-Drucker, Lasercutter oder Fräsen zu günstigen Preisen an.

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