3D-Objekte können auf unterschiedlichste Weise hergestellt werden. Die Verfahren dazu sind vom Hersteller, vom Drucker und auch vom angestrebten Nutzen abhängig. Einige sind für private Einsätze geeignet, andere wiederum nur für industrielle Zwecke.

3D-Druck Verfahren

Überblick der 3D-Druck Verfahren (Quelle: Pedro Moura Pinheiro – Flickr)

Hier finden Sie eine Übersicht zu 15 3D-Druck Verfahren, die im Rapid-Prototyping Einsatz finden. Dieser Bereich entwickelt sich sehr schnell und diese Liste ist nicht volständig, jedoch findet man hier alle gängigen Verfahren eingeteilt in Verfahrensgruppen und auch einige interessante Spezialfälle.

Sinter- und Pulverdruckverfahren

Gipspulver

Beim Gipspulver-Druckverfahren wird das herzustellende Objekt aus zwei Komponenten erstellt – die eine ist das Gipspulver, die andere ein flüssiges Bindemittel. Auf der Werkfläche wird das Pulver mit einem Rakel verteilt und das Bindemittel verfestigt es an den vorhergesehenen Stellen. Anschließend wird die Werkfläche ein kleines Stück abgesenkt. Die hierfür eingesetzten Drucker besitzen mehrere (meist 3) Druckköpfe. Da das Bindemittel bei diesem Verfahren flüssig ist und wie eine Art Klebstoff wirkt, können diesem Farben beigemischt und so farbige Objekte hergestellt werden.

      • Genauigkeit: abhängig von der Größe der Pulverkörner
      • Werkstoffe: Gips, Kunststoffe, Kalkpulver
      • Besonderheiten: Objekte müssen nach dem Druck von Pulverresten befreit werden, Bauteile haben geringe Festigkeit

Selektives Lasersintern (SLS)

Bei diesem Verfahren wird Pulver mit einem Laser soweit in kurzer Zeit erhitzt, bis dieses schmilzt, anschließend wird es verfestigt – Dieser Vorgang wird als Sintern bezeichnet. Das Pulver ist so beschaffen, dass es sehr schnell auskühlt, sich dadurch nicht weiter verformen kann und besteht meist aus Kunststoff-Verbindungen, Metall oder auch Keramik. Das Selektive Lasersintern gehört zu den schichtweisen Aufbauverfahren, bei denen die Objekte teilweise in µm-Schritten aufgebaut werden. Nachdem eine Schicht aufgebaut wurde, wird die Platte, auf der das Werkstück entsteht, gesenkt und ein Rakel verteilt erneut das Pulver, danach wird es wieder durch den Laser verschmolzen und der Arbeitsschritt beginnt von vorn.

      • Genauigkeit: abhängig von der Größe der Pulverkörner
      • Werkstoffe: Thermoplaste, Metalle, Keramik, Sand
      • Besonderheiten: keine Stützelemente notwendig, fertiges Objekt leicht porös

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Das Selektive Laserschmelzen ähnelt dem SLS, wobei hier das Pulver lediglich lokal geschmolzen wird. Auch hier wird anschließend die Werkplatte um wenige µm nach unter verschoben, um eine neue Schicht aufzuschmelzen. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Objekte nahezu frei von Lufteinschlüssen oder ähnlichen, sich auf die Stabilität auswirkenden, Rissen sind.

      • Genauigkeit: abhängig von der Größe der Pulverkörner
      • Werkstoffe: Metalle, Kunststoff, Keramik
      • Besonderheiten: Maßabweichung durch Schrumpfung nach dem Abkühlen -> Korrekturberechnung notwendig, Dichte ähnlich hochqualitativ wie bei gegossenen Teilen

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Dieses Verfahren wird ausschließlich zur Herstellung von Objekten aus Metall eingesetzt. Beim Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting) wird Metallpulver schichtweise aufgeschmolzen und ähnelt dadurch sehr dem SLS. Der Elektronenstrahl wird dabei von einer magnetisch gelagerten Feder gelenkt.

      • Genauigkeit: mittelmäßig, da geschmolzenes Metallpulver verlaufen kann
      • Werkstoffe: Ausschließlich Metallpulver
      • Besonderheiten: bessere Kontrolle der Schmelztemperatur als bei SLS oder SLM

Fused Deposition Modeling (FDM)

Das Fused Deposition Modeling wurde von Stratasys entwickelt, wobei die Objekte aus leicht zu schmelzenden Matrialien hergestellt werden. Die hierfür eingesetzen Drucker bringen das Material, welches über eine Spüle zur Düse transportiert wird, kanpp über den Verflüssigungspunkt. Nachdem es auf dem Objekt aufgetragen wurde, erstarrt es sofort. Die Düse bewegt sich nach jedem Arbeitsschritt etwas nach oben und trägt die nächste Schicht auf. Die hergestellten Objekte sind schwer entformbar und sehr stabil, leider aber auch nicht sehr belastbar.

      • Genauigkeit: hoch, wegen eingesetztem Stützmaterial
      • Werkstoffe: Kunststoffe und Wachs
      • Besonderheiten: preisgünstiges Verfahren, Schichten sind erkennbar

Laserauftragschweißen

Beim Laserauftragsschweißen wird, verienfacht gesagt, ein Pulver oder Draht über eine Düse auf eine Werkstück aufgebracht. Dies kann zur Reparatur oder auch zur völlig neuen Herstellung eines Prototypens dienen. Das eingesetzte Material wird über einen Dioden oder Faserlaser geschmolzen und über die Düse auf die Werkzeugoberfläche aufgebracht.

      • Genauigkeit: sehr hoch
      • Werkstoffe: ausschließlich Metall
      • Besonderheiten: hohe Dichte und somit frei von Poren und Rissen

Stereolithographie

Stereolithographie (STL oder SLA)

Die Stereolithographie ist ein altes Verfahren zur Herstellung von 3D-Objekten und um einiges komplizierter als die bereits genannten aber dadurch erheblich ausgereift. Kurz gefasst: Ein Laser härtet flüssigen Kunststoff aus. Das 3D-Objekt wird in einem Bad hergestellt, das mit dem Flüssigkunststoff gefüllt ist. Eine Arbeitsplatte wird in dieses Bad gesenkt und nur ein wenig “untergetaucht”. Anschließend härtet ein Laser die zu härtenden Flächen. Dann wird die Arbeitsplatte wieder ein wenig gesenkt und die nächste Schicht entsteht. Bei der Stereolithographie wird der Laser über Spiegel gesteuert. Notwendige Stützkonstruktionen müssen anschließend mechanisch entfernt werden, weil diese aus dem gleichen Material wie das Objekt bestehen.

      • Genauigkeit: hoch
      • Werkstoffe: Epoxidharz, Acrylate, Elastomere
      • Besonderheiten: geringe Belastbarkeit, hohe Matrialkosten – teuer

Film Transfer Imaging (FTI)

Bei diesem Verfahren wird das Material mit Hilfe eines Beamers, anstelle des beim STL eingesetzten Lasers, gehärtet. Auch das Kunststoff-Bad entfällt, dafür wird beim Film Transfer Imaging eine Transportfolie eingesetzt. Auf dieser Folie wird ein Film des verwendeten Materials aufgetragen, durch die Folie belichtet und so ausgehärtet. Danach wird das Objekt von der Folie gehoben, ein Rakel verteilt das Material auf der Folie und das Objekt wird wieder abgesenkt. Dann folgt wieder die Belichtung und der Arbeitsschritt beginnt von vorn. Die Belichtung härtet also nur die Stellen aus, auf der das Objekt entstehen soll. Entwickelt wurde es von der Firma 3D Systems.

      • Genauigkeit: sehr hoch
      • Werkstoffe: lichtemfindliche Kunststoffe
      • Besonderheiten: hoher Materialaufwand

Digital Light Processing (DLP)

Eine Mischung aus STL und FTI findet man in dem Digital Light Processing. Generell sind es die gleichen Arbeitsschritte wie beim zuvor beschriebenen Film Transfer Imaging, mit dem Unterschied, dass die Objekte in einem Bad entstehen.

      • Genauigkeit: hoch
      • Werkstoffe: lichtempfindliche Kunststoffe
      • Besonderheiten: präzise Lichtsteuerung, aufwendiges Entfernen der Stützkonstruktionen

Drucken mit flüssigen Materialien

Multi-Jet Modeling (MJM)

Dieses 3D-Druck Verfahren erinnert stark an einen herkömmlichen Tintenstrahldrucker. Beim Multi-Jet Modeling wird flüssiges Material aus einer Düse aufgetragen, die sich in x- und y-Richtung bewegen kann. Sobald das Material austritt wird es unter UV-Licht gehärtet. Stützkonstruktionen sind bei diesem Verfahren notwendig und werden aus Wachs oder aus ganz feinen Säulen des Herstellungsmaterials gefertigt (abhängig vom Drucker-Hersteller).

      • Genauigkeit: sehr hoch
      • Werkstoffe: Thermoplaste, UV-empfindliche Flüssigkunststoffe
      • Besonderheiten: langer Druckprozess

PolyJet

Noch ein 3D-Druck Verfahren, dass einem anderen ähnelt, findet man im, von Objet entwickelten, PolyJet. Es ist vergleichbar mit dem Multi-Jet Modeling. Beim PolyJet Verfahren nutzt der Drucker 2 oder mehr Druckköpfe, die das eigentliche Baumaterial und das Stützmatrial auftragen. Gleich danach werden die Photopolymere mittels UV-Licht gehärtet. Werden mehr als 2 Druckköpfe eingesetzt können sogar Objekte aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Hart und weiche, blau und gelb, all das ist bspw. mit dem PolyJet Verfahren in ein und demselben Objekt möglich.

      • Genauigkeit: sehr hoch, wo kein Stützmaterial haften muss
      • Werkstoffe: lichtempfindliche Kunststoffe
      • Besonderheiten: sehr dünne Wandstärken möglich

Weitere 3D-Druck Verfahren

Laminated Object Modeling (LOM)

LOM oder auch Fotolaminier-3D-Druck ist relativ neu unter den Herstellungsmethoden. Hierbei werden extrem dünne Schichten unterschiedlichen Materials miteinander verklebt. Die Kontur und Form wird mit einem Messer, heißen Draht oder auch mit einem Laser geschnitten.

      • Genauigkeit: hoch
      • Werkstoffe: Kunststoffe, Kermaik, Papier, Aluminium
      • Besonderheiten: viel Abfall durch nicht verklebtes Material, aber geringe Materialkosten

Polyamidguss

Wie der Name schon verrät wird beim Polyamidguss das Objekt nicht gedruckt, sondern gegossen. Dazu wird eine Negativ-Silikonform erstellt, in der dann erhitzter Kunststoff gegossen wird. Ohne Druck erhärtet das Objekt bei diesem Verfahren innerhalb von wenigen Minuten.

      • Genauigkeit: hoch
      • Werkstoffe: Kunststoffe
      • Besonderheiten: für hohe Herstellungsvolumina geeignet

Space Puzzle Molding (SPM)

Sapce Puzzle Molding ist eine Art des Spritzgießens. Hierbei werden Werkezugen und Maschinenaufwand so klein wie möglich gehalten und trotzdem ist es damit möglich und sogar nötig eine hohe Stückzahl zu produzieren.

      • Genauigkeit: hoch
      • Werkstoffe: Kunststoffe
      • Besonderheiten: geringe Kosten

Contour Crafting (CC)

Dieses Verfahren dient dazu, ganze Gebäude zu errichten, was bereits impliziert, dass die Maschine dafür größer sein muss, als das zu errichtende Bauwerk. Dieser XXXXL 3D-Drucker  ist mit Düsen ausgestattet, aus denen ein schnell bindendes Material, ähnlich Beton, aufgetragen wird. Ein Haus kann so aus einem “Guss” innerhalb von einem Tag entstehen. Dann müssen nur noch Elektronik- und Wasserleitungen angeschlossen werden…

    • Genauigkeit: Oberfläche – gering, Umrisse – hoch
    • Werkstoffe: Beton, Lehm
    • Besonderheiten: ist es nicht bereits besonders, dass dies möglich ist?!