3D-Druck

Definition

Beim 3D-Druck-Fertigungsverfahren werden 3D-Drucker als Geräte eingesetzt. Bei dieser Verfahrensweise wird bestimmtes Material Schicht für Schicht aufgetragen, wodurch ein dreidimensionales Objekt entsteht. Während dieses Prozesses laufen teilweise chemische oder physikalische Schmelz- und Härtungsvorgänge ab (vgl. Printer Care 2020). Dieser Step-by-Step-Prozess wird als additive Fertigung bezeichnet und aus einem Modell am Computer entsteht ein physikalischer Gegenstand zum Angreifen. Bei einem 3D-Drucker bewegt sich der Druckkopf in alle Raumrichtungen, also auch in die Höhe (vgl. 3D-Drucker-Info 2018). Die Steuerung erfolgt über eine Konstruktionseinheit von einem Computer aus, wobei der Entwurf für das anzufertigende Stück vorher erstellt wurde. In der Praxis finden sowohl diverse Kunststoffe, Keramikmaterialien, Metalle als auch Kunstharze Anwendung (vgl. Printer Care 2020).

Verschiedene Verfahren zur Fertigung

Aktuell gibt es drei unterschiedliche 3D-Drucktechniken:

FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling)
SLA (Stereolithografie)
SLS (Selective Laser Sintering)

Die 3D-Vorlage für den Drucker wird anhand einer CAD-Software erstellt (vgl. CHIP, 2020). „Die Abkürzung CAD steht für ,Computer-aided Design’, also computergestütztes Design.” (karriere tutor, 2020) Dies bedeutet, dass der gesamte Verlauf der Konstruktion am Computer stattfindet (vgl. karriere tutor, 2020).

Wir verwenden das FDM-Verfahren. Die 3D-Vorlage für den Drucker wird anhand einer CAD-Software erstellt.

FDM-Verfahren

Das Fused Deposition Modeling ist eine sehr weit verbreitete Vorgehensweise und relativ einfach in der Bedienung (vgl. 3D-Drucker-Info 2018). Im deutschen Sprachgebrauch wird diese Methode auch als Schichtschmelzverfahren bezeichnet. Bei dieser Vorgehensweise können unterschiedliche Ausgangsmaterialien verwendet werden. Diese werden durch eine Düse geleitet, welche beheizt ist, wodurch das Material schmilzt. Das flüssige Material wird Schicht für Schicht auf einer Arbeitsplatte verteilt und trocknet aus, wenn das Objekt fertig geformt wurde.

SLA-Verfahren

Die Stereolithografie ist die bekannteste und älteste Technik, bei der eine feine Schicht aus Kunstharz (Resin) in ein kleines Gefäß gefüllt wird. Das Kunstharz wird von einem UV-Laser belichtet, wodurch dieses aushärten kann. Schicht für Schicht entsteht ein dreidimensionales Objekt. Ein Vorzug dieser Methode ist, dass das Drucken von Gegenständen mit sehr feinen und glatten Oberflächen möglich ist (vgl. Printer Care 2020).

SLS-Verfahren:

Beim SLS (kurz für: Selective Laser Sintering) werden aus einem Kunststoffpulver mithilfe von Laserstrahlen dreidimensionale Objekte erzeugt (vgl. 3Faktur, 2022).

Materialien für den 3D-Druck

Je nach Verfahren werden unterschiedliche Ausgangsmaterialien für 3D-Drucker verwendet. Beim FDM-Verfahren werden Filamente genutzt. Bei einem Filament wird ein Kunststoffdraht auf eine Spule aufgewickelt, mit welcher der 3D-Drucker bestückt wird (vgl. Freeform4U, 2020). Das Ausgangsmaterial beim SLA-Verfahren ist Resin, auch bekannt als Kunstharz. Das flüssige Resin wird durch einen Laser oder mit UV-Licht gehärtet (vgl. 3D-Jake, 2020). Beim SLS-Verfahren wird meist Polyamid oder Elastomere eingesetzt (vgl. 3Faktur, 2022).

Filamente

Nachfolgend wird eine Auswahl an Filamenten dargestellt. Es gibt eine Vielzahl verschiedener Filamente und diese unterscheiden sich aufgrund thermischer und physikalischer Merkmale, unterschiedlicher Anwendungszwecke sowie variierender Kosten.

TPU
Thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist sehr flexibel, elastisch und biegsam und dadurch vielseitig einsetzbar. Häufig wird es verwendet, um Gummi zu simulieren. Da TPU gegen Chemikalien resistent ist, kann dieses ebenso in chemisch rauen Bereichen eingesetzt werden (vgl. Freeform4U 2020). Die Elastizität dieses Filaments wird mit der Shore-Härte angegeben und reicht von einfach bis schwierig biegsam. Die Verwendung des TPUs ist nicht für jeden 3D-Drucker geeignet und da es relativ weich ist, ist es schwieriger zu verarbeiten.
PETG
Polyethylenterephthalat ist ein Kunststoff, der mit Glykol modifiziert wurde und viele positive Merkmale vereint, vor allem jene von ABS und PLA. PETG ist ein robuster, chemikalienresistenter und schwer entflammbarer Kunststoff mit mechanischen Eigenschaften, welcher einfach zu drucken ist (vgl. Filament World 2020).
PLA
In der Praxis wird PLA (Polylactide) Material sehr häufig verwendet und ist einfach in der Handhabung. Beim Drucken, wenn das PLA schmilzt, entstehen keine unangenehmen Gerüche. (vgl. Freeform4U 2020). Polyactide sind synthetische Polymere, welche zur Gruppe der Polyester zählen. PLA wird aus erneuerbaren Quellen, wie z.B. Maisstärke, gewonnen und ist dadurch lebensmittelecht und zählt zur Gruppe biokompatibler Rohstoffe (vgl. Filament World 2020). Biokompatibel sind “Stoffe, die keinen negativen Einfluss auf Lebewesen bzw. Gewebe haben, sich im Körper neutral verhalten und keine allergischen oder giftigen Reaktionen auslösen.” (DaNa 2.0 2020) PLA-Material ist schwer entflammbar, UV-beständig und nimmt kaum Feuchtigkeit auf, wodurch es einfach gelagert werden kann (vgl. Filament World 2020). Dieser Kunststoff ist in verschiedensten Farben und Mischungen erhältlich.
ABS
Acrylnitril-Butadien-Styrol ist ein synthetisches Terpolymer und hat denselben Stellenwert im 3D-Druck wie PLA Filamente. ABS ist sehr hitzebeständig und die Oberfläche ist hart und kratzfest. Wegen der Vielzahl positiver Merkmale wird ABS über den 3D-Druck hinaus in Konsum- und Haushaltsprodukten eingesetzt (vgl. Filament World 2020). Die Verarbeitung von ABS ist schwieriger als bei PLA-Filament und bei ABS ist zu beachten, dass der 3D-Drucker eine beheizte Druckplattform besitzen soll.

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Das ROWA-Fazit

Die Thematik des 3D-Drucks ist sehr umfangreich und bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten. Der Kreativität sind hier fast keine Grenzen gesetzt.

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Quellen:
3D-Jake (2020): Resin. https://www.3djake.at/resin [18.06.2020]
Filament World (2020): Produkte. Filamente. https://www.filamentworld.de/produkt-kategorie/special-filament/tpe-filament/ [18.06.2020]
DaNa 2.0 (2020): Glossar. Biokompatibilität. https://www.nanopartikel.info/glossar/16-biokompatibilitat [18.06.2020]

3Faktur (2022): Selektives Lasersintern (SLS). Das Verfahren. https://3faktur.com/3d-druck-materialien-und-verfahren/selektives-lasersintern-sls-verfahren/ [17.12.2022]