Funktionsweise des Desktop-3D-Druckers: Grundlegende 3D-Drucktechnologie
Obwohl es die 3D-Drucktechnologie schon seit mehr als 30 Jahren gibt, rückt sie erst heute langsam, aber sicher in den Fokus des Interesses – und zwar nicht nur bei Technikfreaks, sondern auch bei ganz normalen Menschen. Einen großen Anteil daran haben sowohl die stetig sinkenden Preise für Drucker als auch deren extrem breite Anwendungsmöglichkeiten, dank derer man fast alles herstellen kann, was einem nur in den Sinn kommt. Dadurch lassen sich viele knifflige Probleme zu Hause und im Beruf lösen, und das zudem auf relativ kostengünstige Weise, denn abgesehen von den Anschaffungskosten ist der Betrieb eines 3D-Druckers eine sehr kostengünstige Angelegenheit. Wenn Sie diese Technologie reizt, erklären wir Ihnen in den folgenden Zeilen kurz, wie ein 3D-Drucker eigentlich funktioniert und wie sich die einzelnen Modelle voneinander unterscheiden.
Wie funktioniert der 3D-Druck?
Wie bereits aus dem Namen hervorgeht, handelt es sich bei 3D-Druckern um Geräte, die dreidimensionale Objekte drucken können – und zwar anhand spezieller Vorlagen, die in spezialisierten Computerprogrammen erstellt werden. Vorlagen für Druckobjekte können entweder selbst erstellt oder beispielsweise aus dem Internet heruntergeladen werden, worauf wir später in diesem Artikel noch eingehen werden. Was den Druckprozess betrifft, kann man vereinfacht sagen, dass die Herstellung eines 3D-Objekts durch das schichtweise Auftragen vieler Materialschichten erfolgt, die nach dem Aushärten ihre Form behalten und die typischen Eigenschaften des verwendeten Materials aufweisen – entweder Filament oder Harz. Auf dem Markt finden Sie eine große Auswahl an Filamenten und Harzen, die zur Herstellung von Objekten mit unterschiedlichsten Eigenschaften verwendet werden können – von verschiedenen Farben über die Aushärtungsgeschwindigkeit bis hin zu Flexibilität oder im Gegenteil Härte. Wenn wir also den Prozess des 3D-Drucks noch einmal möglichst einfach zusammenfassen müssten, könnte man ihn als „umgekehrte Bearbeitung“ beschreiben, da dem Material nicht etwas entnommen wird, um das Produkt herzustellen, sondern im Gegenteil Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird.
Tipp: Der 3D-Druck ist keineswegs nur ein Hobby für Heimwerker oder Technikbegeisterte. Die moderne Welt zeigt nämlich immer deutlicher, dass sie in dieser Technologie enormes Zukunftspotenzial sieht, und in manchen Bereichen könnte sie sogar grundlegende Veränderungen bewirken. In den Medien liest man beispielsweise relativ häufig über den 3D-Druck von Häusern, der dank seiner Geschwindigkeit und niedrigen Kosten in Zukunft eine Revolution im Bauwesen auslösen könnte. Während der COVID-19-Pandemie druckten Unternehmen auf 3D-Druckern Gesichtsschutzschilde für Gesundheitseinrichtungen, was ebenfalls als kleine Revolution angesehen werden kann – schließlich betrachteten viele Menschen 3D-Drucker bis dahin hauptsächlich als Unterhaltung. Wo überall 3D-Drucker heute eingesetzt werden, erfahren Sie in unserem älteren Artikel Industrie, Astronautik und Medizin: Wofür wird 3D-Druck eingesetzt?
Technologien des 3D-Drucks
Obwohl seit der Entstehung des 3D-Drucks vor mehr als 30 Jahren viele unterschiedliche technologische Verfahren entwickelt wurden – da jeder Erfinder seine Methode zunächst geheim hielt –, kristallisierten sich im Laufe der Zeit zumindest für den öffentlichen Gebrauch im Wesentlichen nur zwei Haupttypen heraus. Diese sind sowohl preislich zugänglich als auch für den Einsatz im Haushalt oder in leicht fortgeschrittenen Anwendungen geeignet. Gerade auf normale Benutzer konzentrieren sich die Hersteller von 3D-Druckern in den letzten Jahren am stärksten, da dies für sie das interessanteste und zugleich größte Marktsegment darstellt. Schauen wir uns daher die beiden wichtigsten Technologien des 3D-Drucks genauer an.
FDM/FFF
Die mit Abstand am weitesten verbreitete Technologie des 3D-Drucks ist das sogenannte FDM (Fused Deposition Modeling). Da sich die Firma Stratasys diesen Begriff als Marke schützen ließ, hat sich für kommerzielle Zwecke auch die Bezeichnung FFF (Fused Filament Fabrication) etabliert. In beiden Fällen handelt es sich jedoch um dasselbe Funktionsprinzip eines 3D-Druckers. Wenn wir von Desktop-3D-Druckern sprechen, nutzt die überwiegende Mehrheit genau diese Technologie.
Die FDM/FFF-Technologie basiert auf dem Prinzip des Aufschmelzens von Material, das dem Drucker meist in Form eines Kunststofffadens – dem sogenannten Filament – zugeführt wird. Dieses befindet sich auf einer Spule im Drucker, von der das Material schrittweise abgerollt und in den Druckkopf eingezogen wird, wo es geschmolzen wird. Der Druckkopf des 3D-Druckers baut anschließend Schicht für Schicht ein physisches 3D-Modell auf, dessen Daten aus dem Computer, einer Speicherkarte oder einer App stammen. Im Prinzip ähnelt diese Technologie stark der Tintenstrahldruck-Technologie. So wie ein Tintenstrahldrucker kleine Mengen Tinte auf Papier spritzt, trägt der Druckkopf eines 3D-Druckers geschmolzenes Material Schicht für Schicht auf die Druckplatte auf und erzeugt dadurch ein physisches Modell.
Die FDM/FFF-Technologie ist die günstigste Form des 3D-Drucks, was der Hauptgrund für ihre weite Verbreitung ist. Einen FDM/FFF-Desktop-3D-Drucker für den Heimgebrauch bekommt man problemlos für unter 100 Euro. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass bei den meisten Filamenten während des Schmelzens kein oder nur minimaler Geruch entsteht. Daher können solche Drucker auch in schlecht belüfteten Räumen problemlos verwendet werden – vorausgesetzt, man stört sich nicht am Geräuschpegel.
Nachteile dieser Technologie sind die lange Druckdauer, schwankende Druckqualität, die vom Druckermodell und dem verwendeten Material abhängt, sowie verschiedene konstruktive Einschränkungen. Beispielsweise muss geschmolzenes Material zunächst aushärten, weshalb bei komplexeren Modellen zusätzliche Stützstrukturen erforderlich sind. Außerdem können während des Druckvorgangs Fehler auftreten – etwa wenn die einzelnen Schichten aufgrund falscher Einstellungen nicht korrekt aufgetragen werden und der Druck dadurch komplett misslingt. Mehrstündige Arbeit kann so schnell umsonst gewesen sein.
Tipp: Es gilt längst nicht mehr, dass es auf dem Markt nur einen einzigen Filamenttyp gibt, aus dem alles gedruckt wird. Dank des kontinuierlichen technologischen Fortschritts, der natürlich auch den Bereich der 3D-Drucker betrifft, kann man heute aus einer enormen Vielfalt unterschiedlichster Filamente wählen, die sich in ihren Eigenschaften deutlich unterscheiden. Es gibt sowohl extrem harte als auch flexible Varianten, ebenso Filamente mit niedriger Schmelztemperatur, die sich beispielsweise für Kinder eignen, und vieles mehr.
Kurz gesagt: Es liegt ganz bei Ihnen, für welchen Filamenttyp Sie sich entscheiden beziehungsweise welcher sich am besten für Ihre Projekte eignet. Wie Sie die richtigen Filamente für Ihren 3D-Drucker auswählen, haben wir in einem älteren Artikel ausführlich erklärt. Mit den einzelnen Filamenttypen selbst haben wir uns außerdem intensiv im Artikel 3D-Stift: Anleitung für Anfänger beschäftigt, wobei wir uns dort neben klassischen Druckerfilamenten auch auf Füllmaterialien für 3D-Stifte konzentrieren.
SLA
Die zweite und gleichzeitig letzte weit verbreitete Art des 3D-Drucks ist heutzutage SLA. Hinter dieser Abkürzung verbirgt sich die Stereolithografie, also das Aushärten von Polymerharz in eine bestimmte Form mithilfe von LEDs oder UV-Licht. Die größte Stärke dieser 3D-Drucktechnologie liegt in ihrer extremen Präzision, die die Druckauflösung von FDM/FFF-Druckern deutlich übertrifft. Für diese Genauigkeit zahlt man allerdings einen hohen Preis. Der erste Nachteil ist zweifellos der Preis selbst, der bei Modellen mit sinnvoller Druckgröße im Vergleich zu FDM/FFF-Druckern deutlich höher ausfällt. Ein weiteres großes Problem besteht darin, dass beim Aushärten des Harzes toxische Gase freigesetzt werden. Diese müssen abgesaugt werden, da sonst Gesundheitsrisiken für den Benutzer entstehen können. Genau aus diesem Grund sind SLA-Drucker größer gebaut und verfügen über einen geschlossenen Druckraum, der – zumindest bei größeren Modellen – an ein Absaugsystem angeschlossen ist. Ohne Übertreibung muss man daher beim Kauf eines leistungsstärkeren SLA-Druckers auch mit baulichen Anpassungen des Raumes rechnen, in dem der Drucker betrieben werden soll.
Beispiel eines 3D-Drucks mit Stereolithografie-Technologie auf einem 3D-Drucker der Marke Carbon.
Tipp: 3D-Objekte müssen nicht ausschließlich mit 3D-Druckern erstellt werden. Dafür können auch spezielle 3D-Stifte verwendet werden, die im Grunde sehr ähnlich wie FDM/FFF-Drucker funktionieren, jedoch vollständig manuell gesteuert werden. Weitere Informationen dazu finden Sie in diesem Artikel.
Woher stammen Modelle für den 3D-Druck?
Digitale Modelle für den 3D-Druck werden in 3D-Modellierungsprogrammen erstellt, wie etwa AutoCAD, Blender und ähnlichen Anwendungen. Gleichzeitig muss jedoch gesagt werden, dass es nicht ganz einfach ist, den Umgang mit diesen Programmen zu erlernen – besonders dann nicht, wenn man Autodidakt ist und sich beispielsweise nur mithilfe von Videos im Internet weiterbildet.
Genau aus diesem Grund werden Sie sich wahrscheinlich zumindest zu Beginn Ihrer 3D-Druck-Karriere hauptsächlich auf bereits vorhandene 3D-Modelle verlassen, die sowohl von Herstellern von 3D-Druckern als auch von erfahrenen Nutzern im Internet zur Verfügung gestellt werden. Das Internet enthält nämlich zahlreiche Datenbanken mit fertigen 3D-Modellen, die häufig unter freien Lizenzen verfügbar sind und kostenlos für nicht-kommerzielle Zwecke heruntergeladen werden können. Man sollte jedoch bedenken, dass es sich dabei meist um einfachere Objekte handelt, deren Erstellung den Designern nicht allzu viel Zeit gekostet hat. Größere Projekte – beispielsweise Figuren aus Videospielen oder räumlich aufwendige Modelle – müssen in der Regel gekauft werden. Die Preise beginnen bei wenigen Euro oder Dollar und reichen meist bis in den zweistelligen Bereich.
3D-Modelle werden in Computerprogrammen für 3D-Modellierung erstellt. Das bevorzugte Format der meisten Desktop-3D-Drucker ist STL.
Bewährte Datenbanken mit hochwertigen 3D-Modellen zum Download:
Die letzte Möglichkeit, ein 3D-Modell zum Drucken zu erhalten, besteht darin, ein physisches Objekt mithilfe eines 3D-Scanners zu scannen. Dabei handelt es sich um Geräte, die Form und Oberfläche eines dreidimensionalen Objekts erfassen und in eine digitale Form umwandeln können. In diesem Fall muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Genauigkeit solcher Scans nicht immer hundertprozentig ist, weshalb das endgültige Druckergebnis nicht mit einem Druck nach einer exakt programmierten digitalen Vorlage vergleichbar ist. Wenn Sie jedoch einfachere 3D-Objekte kopieren möchten, sollte dies mithilfe eines 3D-Scans durchaus möglich sein. Zur Erstellung solcher Scans können heutzutage beispielsweise auch verschiedene mobile Anwendungen genutzt werden. Achten Sie dabei lediglich darauf, dass das Smartphone idealerweise über LiDAR-Lasersensoren verfügt.
Welcher Drucker ist der richtige für Sie?
Falls Sie auch nach dem Lesen der vorherigen Abschnitte noch nicht wissen, welcher 3D-Drucker am besten zu Ihnen passt, beantworten Sie sich zunächst einige grundlegende Fragen. Die erste lautet: Welches Budget haben Sie für einen 3D-Drucker eingeplant? Die zweite Frage sollte sein, wie groß die 3D-Objekte sein sollen, die Sie drucken möchten. Und die dritte betrifft die erforderliche Präzision des Druckergebnisses. Generell lässt sich sagen, dass ein FDM/FFF-Modell ideal für Sie ist, wenn Sie einen günstigen Drucker mit sehr guter Genauigkeit und Unterstützung für relativ große Druckobjekte suchen, da diese Technologie all diese Anforderungen erfüllt. Wenn Sie hingegen kein Problem mit einer höheren Investition, kleineren Druckmaßen haben und vor allem Wert auf absolut präzise Druckergebnisse legen, sollten Sie sich SLA-Modelle ansehen. Auch diese lassen sich inzwischen zu relativ vernünftigen Preisen erwerben – wenn auch deutlich teurer als FDM/FFF-Drucker. Dadurch können Sie erste Erfahrungen mit dieser Technologie sammeln und werden bei zukünftigen Kaufentscheidungen deutlich sicherer sein. Für den Einstieg ist jedoch ein FDM/FFF-Drucker in den meisten Fällen die sinnvollere Wahl, weshalb wir eher zu diesem Modelltyp raten.
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