Eigenschaften und Verwendung eines 3D Druckers

Was ist 3D-Druck, der auch als additive Fertigung (engl.: Additive Manufacturing, AM) bezeichnet wird? Ganz einfach ausgedrückt ist es ein Verfahren, bei dem anhand einer am Computer erstellten Vorlage oder eines Entwurfs Gegenstände hergestellt werden. Anders als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren wird das fertige Objekt jedoch nicht durch Bohren, Formen oder Schneiden aus einem Werkstück herausgearbeitet – dies wären subtraktive Verfahren – sondern aus dünnen Schichten eines Materials, wie z. B. Metall oder Kunststoff, aufgebaut. Eine Übersicht über das 3D Druckverfahren können Sie hier lesen.

Was ist ein 3D-Drucker?

 

Ein 3D-Drucker wird benötigt, um anhand einer Vorlage einen Festkörper zu erstellen. Im Wesentlichen ist es ein computergesteuertes Gerät, das die Vorlage verstehen und umsetzen kann. 3D-Drucker können viele verschiedene Eigenschaften besitzen und diese bestimmen, welches Modell für eine bestimmte Aufgabe geeignet ist. Zum Beispiel lässt sich an der Druckgeschwindigkeit, Größe, Toleranz und Auflösung ungefähr ablesen, welche Qualität beim 3D-Modell erreicht werden kann. Der derzeitige Industriestandard ist eine Druckplatte mit einer Mindestgröße von 9 x 9 x 9 Zoll (ca. 23 x 23 x 23 cm). Bei kleineren Druckplatten müsste der Ausdruck unter Umständen verkleinert oder für den Druck in mehreren Vorgängen zerteilt werden. Bei größeren Druckplatten ist es normalerweise nicht erforderlich, das Objekt zu verkleinern oder zu zerlegen.

Erläuterung der Technologie

 

Ein 3D-Drucker funktioniert insofern genau wie andere Drucker, als dass er die Befehle, die in den vom Computer erstellten Ausgangsdesigns und Vorlagen enthalten sind, ausführt. Der grundlegende Unterschied zwischen einem 3D- und einem normalen Drucker ist jedoch, dass ein 3D-Drucker in der Lage ist, Objekte anhand dreidimensionaler Pläne zu produzieren, während ein herkömmlicher Drucker nur zweidimensionale Nachbildungen anfertigen kann.

Das Verhältnis zwischen der Qualität des fertigen Gegenstands und der Druckgeschwindigkeit ist mit dem bei Standard-Tintenstrahldruckern vergleichbar. Allgemein gilt: Je schneller der Druckvorgang, umso schlechter ist die Qualität des Endprodukts. Es gibt jedoch Ausnahmen von dieser Regel, denn manche Drucker können relativ schnell Objekte in hoher Qualität drucken, während andere lange brauchen, um weniger hochwertige Gegenstände anzufertigen.

So wie ein Tintenstrahldrucker Tinte durch winzige Löcher drückt, um Buchstaben oder Formen abzubilden, gibt ein 3D-Drucker Fasern des gewünschten Materials ab. Dieser Prozess wird im Allgemeinen als Extrusion von Filament (Fäden) beschrieben. Die Toleranz eines 3D-Druckers bezieht sich auf die Fähigkeit des Druckers, den Strang mit einem bestimmten Genauigkeitsgrad zu pressen. So wie sich die Druckgeschwindigkeit entgegengesetzt zur Qualität verhält, ist auch eine geringere Toleranz ein Indikator für eine größere Genauigkeit beim Drucken.

Die Auflösung eines 3D-gedruckten Objekts ergibt sich aus der Dicke der einzelnen Materialschichten. Je geringer die Schichtdicke ist, umso größer ist die Auflösung. Die optimale Dicke entspricht der Dicke eines Blattes Papier, also ca. 0,1 Millimeter.

Derzeitiger Einsatz

 

Universitäten und Handelsunternehmen nutzen seit den frühen 1980er Jahren 3D-Drucker, um zu Forschungszwecken Prototypen aus Gussmaterialien wie Kartuschen, Papier, Kunststoff und Sand herzustellen. Eine der vielen verschiedenen 3D-Druckleistungen, die sich mittlerweile etabliert hat, ist die Individualisierung. Unternehmen schaffen Möglichkeiten für ihre Kunden, damit diese kommerzielle 3D-Designs nutzen können, um Gegenstände, wie z. B. Handyhüllen individuell zu gestalten. Bei einem anderen Online-Service können die Kunden ihre eigenen Entwürfe hochladen, die dann von dem Unternehmen 3D-gedruckt und als fertiges Objekt an den Kunden zurückgeschickt werden.

Biowissenschaftler haben die 3D-Drucktechnologie verwendet, um Tieren zu helfen, etwa indem sie neue Schnäbel für verletzte Vögel und sogar einen neuen Fuß für ein Entenküken erstellt haben, das nun wieder laufen kann. In der Medizin liefert der 3D-Druck außerordentliche Resultate, beispielsweise beim Bioprinting, beim Tissue Engineering (Gewebezüchtung) sowie beim Drucken von Organen und Körperteilen.

Auch Modedesigner experimentieren weiterhin mit 3D-Druckverfahren zur Fertigung von Kleidern, Schuhen und Bikinis, während im heimischen Bereich Bastler viel Freude an der Herstellung kleiner Gegenstände, wie z. B. funktionierenden Uhren und Türknäufen, haben. Beliebte dekorative Stücke sind auch Taschen, Halsketten und Ringe.

Zukünftige Herausforderungen

 

Es gibt verschiedene Dinge, die sich mittels 3D-Druck derzeit noch nicht realisieren lassen. Darin liegen die Herausforderungen für die Zukunft. Zum Beispiel sind die Druckvorgänge momentan noch recht langsam. Wenn die Massenproduktion irgendwann rentabel sein soll, wird daran noch gearbeitet werden müssen. Die meisten 3D-Drucker können nicht mehrere Materialien oder mehrere Farben gleichzeitig verwenden, auch wenn Weiterentwicklungen bei der Konstruktion von sogenannten Fused-Filament (Schmelzguss)-Geräten schon Modelle mit mehreren Extruderköpfen hervorgebracht haben, die einen mehrfarbigen Druck bzw. die Erstellung mehrerer Ausdrucke zur gleichen Zeit ermöglichen. In vielen Bereichen hat die 3D-Drucktechnologie jedoch schon große Veränderungen herbeigeführt und wahrscheinlich werden Jahr für Jahr neue Anwendungsbereiche hinzukommen.