Technologien von 3D-Druckern verständlich erklärt

Dreidimensionales (3D) Drucken ist eine wichtige Stütze für Rapid-Prototyping-Anwendungen in der Entwicklung von Produkten und wird in manchen Bereichen sogar zur Fertigung verwendet. 3D-Drucken beschreibt den Vorgang, mit Hilfe eines weiteren Herstellungsverfahrens einen festen Gegenstand aus einem Computer-Aided-Design (CAD) herzustellen. Dabei werden letztlich nacheinander dünne Schichten aus Materialien wie Metall oder verschiedensten Mischungen aus Kunststoff oder Harz in verschiedenen Formen oder Querprofilen aufeinander gelegt.

Eingesetzt wird diese Technologie in zahlreichen industriellen Bereichen, darunter Maschinenbau, Bauwesen, Automotive, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik sowie in verschiedensten Branchen Konsumgüterindustrie wie beispielsweise der Modeindustrie. Während in den letzten Jahren zahlreiche 3D-Druckmethoden verwendet wurden, haben sich im Laufe der Zeit drei wesentliche Technologien herauskristallisiert: Fused Deposition Modelling (FDM), Stereolithographie (SLA) und Selective Laser Sintering (SLS), von denen jede ihre ganz eigenen Vor- und Nachteile bietet.

 

Fused Deposition Modelling (FDM)

Die erste Technologie, Fused Deposition Modelling (FDM) – beziehungsweise Fused Filament Fabrication (FFF), wie sie in der Open-Source-Community genannt wird –, ist wahrscheinlich der am häufigsten verwendete Prozess für Desktop-3D-Drucker und professionelle Drucker der unteren Preisklasse. Im Grunde wird ein Kunststofffaden, beispielsweise aus biologisch abbaubarer PLA (Polymilchsäure) – einem polyesterartigen Material – über eine resistiv beheizte Düse ausgegeben, die das Material zum Schmelzen bringt. Nach und nach werden Schichten aufgetragen, um ein Querprofil oder eine Schicht eines Objekts aufzubauen. Danach verschiebt sich die Düse in vertikaler Richtung, um die nächste Schicht aufzutragen, und so weiter und so fort. Das ausgegebene Material härtet sofort aus, sobald es sich mit der darunterliegenden Schicht verbindet. Die Qualität der Ausdrucke mit FDM-Technologie hängt in hohem Maße von der Höhe der Schichten ab: je dünner die Schichten, desto ebenmäßiger der Ausdruck. Dabei liegt die Auflösung der Schichten in der Regel im Bereich von 75 bis 300 Mikrometer. Ein bedeutender Vorteil der FDM-Technologie ist, dass sie mechanisch robuste und feste Objekte hervorbringt; auf der anderen Seite ist die Geschwindigkeit des Druckers jedoch deutlich geringer und die einzelnen Schichten zeichnen sich stärker ab als bei anderen Methoden. Die RepRap-Drucker – darunter der neuartige Ormerod 2 – verwenden diese FDM-/FFF-Technologie.

FDM-Drucker werden mit vergleichsweise preiswertem Fadenmaterial gefüttert, das in der Regel auf einer Spule aufgewickelt ist. Dabei werden hauptsächlich Mischungen aus Thermoplasten und organischem Material eingesetzt. Die zwei geläufigsten Materialien für FDM-Drucker sind PLA und ABS (Acrylnitrilbutadienstyrol). PLA ist womöglich die beliebteste Variante für private Anwendungen. Dies ist nicht nur aufgrund der biologischen Abbaubarkeit des Materials der Fall, sondern auch, weil es keine unangenehmen chemischen Gerüche während des Druckvorgangs verursacht. FDM-Drucker für professionelle Anwendungen können hingegen etwas komplexere Thermoplaste ausgeben, die beispielsweise brandverzögernd wirken können, abriebfester sind, eine höhere Zugfestigkeit aufweisen, usw.

 

Stereolithographie (SLA)

Die zweite Technologie ist die sogenannte Stereolithographie (SLA). SLA-basierte Drucker verwenden einen Laser, um das Querprofil eines Objekts in einem flüssigen Photopolymer-Harz zu verfolgen. Mit Hilfe ultravioletten (UV) Lichts reift und härtet das Muster in dem Harz dann aus. Die zuletzt ausgedruckte Schicht wird dann ein Stück weit verschoben, damit frisches und nicht ausgehärtetes Harz den somit entstandenen Freiraum zwischen dem Drucker und dem Laser ausfüllen kann. Dieser Vorgang wird Schicht für Schicht wiederholt. Die Dauer des Druckvorgangs hängt dabei insbesondere von der Größe des Modells ab; hinzu kommt, dass beispielsweise zwischen höherer Auflösung und höherer Geschwindigkeit abzuwägen ist, sodass der Ausdruck selbst sehr kleiner Objekte mitunter mehrere Stunden in Anspruch nehmen kann. Neben einer höheren Auflösung als FDM bietet die SLA-Technologie in der Regel Schichtdicken von weniger als 30 Mikrometern, sodass sich die einzelnen Schichten deutlich schwächer abzeichnen als bei FDM. Im Großen und Ganzen umfassen die Vorteile des SLA-Prozesses vor allen Dingen eine relativ schnelle Bauzeit und feine Details. Im Hinblick auf mechanische Stärke werden die Teile im Laufe der Zeit jedoch manchmal etwas spröder – insbesondere, wenn sie in hohem Maße einer Lichtquelle ausgesetzt wurden.

SLA-Drucker können Objekte mit den unterschiedlichsten Eigenschaften herstellen, darunter Flexibilität, Robustheit und Steifigkeit sowie Wasserfestigkeit, Beständigkeit gegenüber thermischen Einflüssen und hohe Stoßfestigkeit. Die Photopolymer-Harze wurden so entwickelt, dass sie ABS, Polypropylen und Materialien auf der Basis von Wachs nachahmen, und eignen sich somit für zahlreiche Anwendungen von der Erstellung hochwertiger Prototypen bis zu preiswertem Wachsgießen.

 

Selective Laser Sintering (SLS)

Der dritte Prozess ist das sogenannte Selective Laser Sintering (SLS), das ebenso wie SLA einen Laser verwendet. Dieser Prozess beinhaltet jedoch das „Sintern“ von Material in Form eines feinen Pulvers anstelle des Harzes. Auch hier werden Objekte Schicht für Schicht aufgebaut, während der Laser das Pulver sintert, sprich: der Laser bindet das Material zur Erstellung einer festen Struktur. Dank des schnellen und präzisen Druckens kann SLS sowohl kostenwirksam als auch Zeit sparend sein und ist somit ideal für die Erstellung von Prototypen sowie für Anwendungen in der Fertigung von Endprodukten geeignet. Die Oberflächenbeschaffenheit kann jedoch oftmals etwas minderwertig ausfallen.

SLS sintert in der Regel Metalle, doch auch Thermoplasten können verwendet werden. Dabei können Teile aus einer Vielzahl weitläufig erhältlicher Pulvermaterialien gefertigt werden, darunter Metalle wie Stahl, Titan und verschiedenste Legierungen, sowie Polymere wie Nylon und Polystyren. Während die meisten SLS-Drucker Zwei-Komponenten-Pulver verwenden, können manche auch mit Ein-Komponenten-Materialien arbeiten, die letztlich weniger poröse und zugleich leistungsstärkere Produkte ergeben.