Ratgeber
3D Druck » Arten, Verfahren, Funktionsweisen und Materialien
Veröffentlicht: 05.10.2021 | Lesedauer: 15 Minuten
Die Entwicklung der 3D Drucker war für Unternehmen ein Meilenstein. Denn mit dem 3D Druck, oder auch 3D Printing, lassen sich Prototypen, Kleinserien oder Ersatzteile schnell und unkompliziert herstellen. Somit werden Prozesse in Firmen maßgeblich vereinfacht und beschleunigt.
Aber auch im privaten Gebrauch sind die Drucker ein nützliches Werkzeug, wenn es um die Anfertigung von Spezialteilen oder individuellen Unikaten geht.
Wir erklären Ihnen, welche 3D Drucker es gibt, wie sie funktionieren und welche Unterschiede zu beachten sind. Zudem geben wir Ihnen wichtige Informationen rund um das Thema und verraten einige interessante Tipps aus der Praxis.
Bei einem klassischen Computerdrucker wird Tinte oder Toner auf ein Blatt Papier aufgebracht und so ein Textdokument oder ein Bild erstellt. Da der Auftrag auf die Papierebene beschränkt ist, reicht es aus, dass sich z.B. ein Druckkopf von links nach rechts bewegt bzw. der Toner- oder Tintenauftrag zeilenförmig erfolgt.
Um eine weitere Druckrichtung zu erhalten, wird das Papier durch den Drucker transportiert. Demzufolge ist der fertige Ausdruck zweidimensional.
Bei einem 3D Drucker ist der Ausdruck dreidimensional. Das bedeutet, das gedruckte Objekt hat neben einer Länge und einer Breite auch noch eine Höhe. Aus diesem Grund arbeitet ein 3D Drucker neben den beiden horizontalen Druckachsen (X-Achse und Y-Achse) auch noch mit einer vertikalen Achse (Z-Achse).
Mittlerweile gibt es die unterschiedlichsten technischen Lösungen, um ein 3D Objekt zu drucken.
Bei der subtraktiven Fertigung wird von einem Werkstückrohling durch Sägen, Fräsen, Bohren oder Schleifen Material abgetragen. Beim 3D Druck hingegen handelt es sich um eine additive Fertigung. Denn es wird am unfertigen Werkstück Material hinzugefügt.
Vorteile der additiven Fertigung für Unternehmen im Vergleich zu klassischen Verfahren
- Schnellere und kostengünstigere Produktion, beispielsweise durch geringeren Materialaufwand und Fehlerreduzierung in der Prototypenentwicklung
- Just-in-time Produktion von 3D Objekten, beispielsweise Ersatzteile für Maschinen
- Funktionale und komplexe sowie filigrane Druckerzeugnisse bei Bauteilen, Spritzgussformen etc.
- Hohe Flexibilität im Produktionsprozess durch Adhoc-Änderungen und schnelle Umsetzung von Änderungswünschen
- Leichtbaukonstruktion: Mit 3D Druck lassen sich Formen realisieren, die mit klassischen Fertigungsmethoden gar nicht oder nur schwer realisierbar sind. Damit setzen die 3D Konstruktionen hinsichtlich Gewicht, Design und Stabilität neue Massstäbe.
Vorteile der additiven Fertigung bei privater Nutzung
- Produktion von benötigten Teilen in kurzer Zeit
- Individualisierung: Keine Lust auf Massenware? Mit dem 3D Drucker können Sie individuelle Stücke kreieren.
- Spass am Tüfteln und Gestalten
Unser Praxistipp: Urheberrecht und Markenrecht beachten
Für den 3D Druck gilt in Deutschland das Urheberrecht. Dies bedeutet, dass nicht jede Vorlage beliebig verändert, verbreitet oder überhaupt gedruckt werden darf. Die rechtlichen Regelungen betreffen beispielsweise Kunstwerke oder Markenprodukte, für die zusätzlich das Markenrecht gilt. Bevor Sie also loslegen, sollten Sie einen Blick in die Bestimmungen werfen.
Die Zeiten, in denen 3D Drucker sündhaft teure Spezialwerkzeuge waren, die nur von spezialisierten Fachleuten bedient werden konnten, sind definitiv vorbei. Mittlerweile sind die Geräte technisch ausgereift und stellen die anwendenden Personen vor keine allzu grossen Hürden. Doch nicht nur das. Auch die Preise sind erfreulicherweise so stark gesunken, dass mittlerweile in fast jeder Hobbywerkstatt oder in jedem Bastelzimmer ein 3D Drucker zu finden ist. Aktuell lassen sich die 3D Drucker in drei Kategorien einteilen, bei denen die Übergänge fliessend sind.
| Einstiegsklasse | Mittelklasse | Profiklasse | |
|---|---|---|---|
| Preisspanne | Bis CHF 600.- | Bis CHF 600.- bis 1.500.- | Über CHF 1.500.- |
| Einsatzzweck | Gelegentliche Ausdrucke | Regelmässiges Drucken von Teilen | Industrieller 3D-Druck und Kleinserien |
| Personenkreis | Schüler und Studierende Bastelfans |
Ambitionierte Technikfans | Firmen und Werkstätten |
| Vorteile | Preiswerte Geräte Einfache Bedienung |
Gute bis sehr gute Druckqualität Hochwertige und stabile Mechanik Umfangreiche Features |
Professionelle Ausdrucke in Industriequalität Präzise und langlebige Mechanik |
| Nachteile | Mechanische Stabilität gering Masshaltigkeit der Ausdrucke Fehlende Features |
Hoher Kaufpreis Teilweise komplexe Bedienung und Einstellung |
Sehr hoher Kaufpreis Hohes Druckaufkommen für Amortisation erforderlich |
Der Preis alleine ist aber noch kein Garant für einen gelungenen Ausdruck. Denn die Druckqualität steht und fällt mit der Kalibrierung des Druckers und den korrekten Einstellungen für den Druckauftrag. Und da ist definitiv Erfahrung notwendig, die sich beim Umgang mit dem Gerät aber schnell einstellt.
Welche Folgekosten entstehen beim 3D Druck?
Neben den Anschaffungskosten fallen bei einem 3D Drucker auch noch die laufenden Betriebskosten an. Die wiederum sind davon abhängig, wie oft und wie lange der Drucker läuft und welches Material verarbeitet wird.
Stromkosten
Der Stromverbrauch bei einem 3D Drucker schwankt sehr stark. Das liegt daran, dass die Heizungen, Motoren und Lüfter unterschiedliche Schaltzeiten haben.
Zudem benötigt ABS-Filament weitaus höhere Temperaturen als PLA. Im Schnitt liegen die Stromkosten bei wenigen Rappen pro Stunde. Für konkrete Werte muss vor Ort eine Messung durchgeführt werden.
Verbrauchsmaterial
Im Gegensatz zu den Stromkosten fallen die Kosten für die benötigten Filamente deutlich höher aus. Aber auch hier sind die Preise recht unterschiedlich.
Doch selbst wenn ein Markenfilament weit mehr, als ein billiges Noname-Produkt kostet, sollte man bei der Markenqualität bleiben.
Besonders dann, wenn die zum Filament optimal passende Druckereinstellung gefunden wurde und das dadurch erreichte Druckbild perfekt ist
Mit einem 3D Drucker werden entweder bereits bestehende, auch selber entworfene, dreidimensionale Objekte in Schichtbauweise hergestellt. Das Objekt, das Sie drucken möchten, muss also digital als dreidimensionales Modell vorliegen. Dafür können Sie vollständige 3D Entwürfe aus dem Internet herunterladen oder selbst in einem geeigneten CAD-Programm erstellen. Auch hier gibt es mittlerweile sehr gute Programme, die im Internet kostenfrei genutzt werden können.
Damit aus der entstandenen CAD-Datei im 3D Drucker ein realer Gegenstand entsteht, wird den Druckern eine geeignete Software beigelegt. Diese berechnet die nötigen Werkzeugbahnen und Befehle für den Drucker.
Freiraumverfahren
Das Freiraum-Verfahren wird auch als Fused Deposition Modeling (FDM) bzw. Fused Filament Fabrication (FFF) bezeichnet. Dabei wird das Druckmaterial, Filament genannt, in Drahtform einer beheizten Düse (Extruder) zugeführt.
Flüssigverfahren
Bei der Stereolithographie (SLA) wird mit flüssigem Harz oder flüssigen Kunststoffen gearbeitet, die unter Hitzeeinwirkung bzw. UV-Licht aushärten. Mit einem Laser wird die Flüssigkeit im Vorratsbehälter punktuell bestrahlt und dadurch verfestigt.
Selektives Lasersintern (SLS)
Das Ausgangsmaterial bei diesem Druckverfahren ist ein feines Pulver aus Kunststoff, kunststoffbeschichteter Formsand, Metall oder Keramik. Dieses Pulver wird in einer dünnen Schicht über der Druckplatte ausgebracht. Ein Laserstrahl schmilzt dann das Pulver an bestimmten Stellen, wodurch es fest wird. Anschliessend wird die nächste Pulverschicht aufgetragen und per Laserstrahl mit der darunter liegenden Schicht verbunden. Nach der Fertigstellung muss das 3D-Objekt vom umgebenden Pulver befreit werden.
Selektives Laserschmelzen (SLM)
Das selektive Laserschmelzen erfolgt nach dem gleichen Prinzip wie das selektive Lasersintern. Allerdings wird beim Laserschmelzen nicht mit Kunststoffpulver, Sand oder Keramik gearbeitet. Es wird ausschliesslich Metallpulver verwendet. Die gefertigten Bauteile haben eine hohe spezifische Dichte, die bei über 99% liegt. Dadurch haben die Bauteile die gleichen mechanischen Eigenschaften wie der Grundwerkstoff. Es können aber auch Bauteile mit selektiven Dichten hergestellt werden, die im Leichtbau für Luft- und Raumfahrt oder bei Implantaten erforderlich ist.
Unser Praxistipp: Hinweis zu Stützstrukturen
Beim FDM- und SLA-Druckverfahren ist es nicht möglich, beim schichtweisen Aufbau „ins Leere“ zu drucken. Wenn Überhänge gedruckt werden sollen, müssen von unten kommende Stützstrukturen eingebaut werden. Diese Stützstrukturen werden später am fertigen 3D-Objekt wieder entfernt. Im Gegensatz dazu sind beim SLM- und SLA-Druckverfahren keinerlei Stützstrukturen erforderlich. Das nicht vom Laser beleuchtete und somit lose Pulver übernimmt die stützende Funktion.
Übersicht der gängigsten 3D Druckverfahren
| Additive Druckverfahren | Geeignete Materialien für den Druck |
|---|---|
| Polyjet-Modeling und Fused Deposition Modeling (FDM, auch Fused Filament Fabrication, FFF) | Thermoplastische Kunststoffe mit und ohne Zusatzstoffe |
| Stereolithografie (SLA) und Digital Light Processing (DLP) | Flüssige Kunstharze |
| Selektives Lasersintern (SLS) |
Polymere, Keramik, Metalle |
| Selektives Laserschmelzen (SLM) und Elektronenstrahlschmelzen | Metalle |
Weitere Druckverfahren sind Multi Jet Fusion (MJF), bei dem die Schichten aus Polyamidpulver mit wärmeleitenden und thermisch hemmenden Flüssigkeiten punktuell benetzt werden. Unter der Einwirkung einer UV-Lampe verfestigen sich dann die Bereiche mit der thermisch leitenden Flüssigkeit.
Beim Pulverdruck-Verfahren (3DP) wird ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker mit farbigen Flüssigkeiten gearbeitet, die mit dem Bindemittel in der Pulverschicht reagieren und das Pulver verfestigen.
Ein 3D Drucker, der nach dem Polyjetverfahren bzw. nach dem Multi-Jet-Modeling (MJM) arbeitet, hat einen Druckkopf mit vielen kleinen Düsen, aus denen Photopolymer-Materialien punktgenau aufgetragen werden. Die Aushärtung erfolgt danach durch UV-Licht.
FDM-Drucker und SLA-Drucker im direkten Vergleich
Da der FDM-Druck und der SLA-Druck die beliebtesten und auch am weitesten verbreiteten Druckverfahren sind, haben wir die Funktionen und die Unterschiede der beiden Druckertypen genauer aufgelistet.
FDM-Drucker
Beim Schmelzschichtverfahren werden verschiedene thermoplastische Kunststoffe (Filamente) eingesetzt. Die gängigsten Filamente sind PLA, ABS, PETG, Nylon, TPE und Polycarbonate. Durch Zusatz von unterschiedlichen Materialien wie Carbon, Glasfasern, Metallpartikeln, Ton oder sogar Holz werden dem gedruckten 3D Objekt die gewünschten Eigenschaften verliehen.
Wenn der 3D Drucker über zwei Extruder verfügt, können zweifarbige Objekte gedruckt oder die Stützkonstruktion mit einem wasserlöslichen Filament angefertigt werden. Nach der Fertigstellung muss das Druckobjekt lediglich eine gewisse Zeit in ein Wasserbad gelegt werden, um die Stützstruktur schonend zu entfernen.
Die maximale Grösse eines druckbaren Objektes hängt vom Druckraum ab. Der Druckraum wiederum ist davon abhängig, wie weit der Druckkopf und das Druckbett seitlich und in der Höhe ausgelenkt werden können. Wenn die Grösse des fertigen Objektes das Volumen des Druckraumes übersteigt, müssen einzelne Teilkomponenten gedruckt und diese anschliessend zusammengefügt bzw. verklebt werden. Dadurch ist es problemlos möglich, ein ferngesteuertes Modellflugzeug mit einer Spannweite von über einem Meter herzustellen.
SLA-Drucker
Ein SLA-Drucker verfügt über eine Wanne, in der sich flüssiges Harz (Resin) oder flüssige Kunststoffe befinden. Mit der Energie eines Lasers wird die Flüssigkeit punktuell bestrahlt, wodurch sie sich verfestigt. Auch hier erfolgt der Aufbau wieder schichtweise.
Um ausreichend hohe 3D Objekte drucken zu können, muss der Drucker über einen grossen Flüssigkeitsbehälter verfügen, der entsprechend viel Flüssigkeit aufnimmt. Dies ist jedoch nur dann notwendig, wenn die Lasereinheit über dem Behälter positioniert ist. Darum gehen einige Hersteller den umgekehrten Weg.
Die Druckplatte, auf der das Objekt aufgebaut wird, fährt von oben in das Tauchbad und die Belichtung per Laser erfolgt von unten. Nach der ersten Schicht wird die Bodenplatte nach oben angehoben und die nächste Schicht erstellt. Das Druckobjekt wird in diesem Fall von unten nach oben aber kopfüber hängend aufgebaut. Dadurch ist die druckbare Höhe wesentlich grösser als die Wannentiefe. Trotzdem eigen sich SLA-Drucker eher für kleinere, aber extrem detaillierte 3D Objekte.
Zum besseren Vergleich haben wir die Vorteile und Nachteile der beiden Drucker-Varianten FDM und SLA übersichtlich gegenübergestellt:
3D Drucker Vergleichstabelle
| Typ | Vorteile | Nachteile |
|---|---|---|
| FDM-Drucker | ✓ Kostengünstig ✓ Widerstandsfähige Bauteile ✓ Grosser Druckraum ✓ Keine umfangreiche Reinigung erforderlich |
✗ Oberfläche mit Riefenstruktur ✗ Mittlere Fertigungsgenauigkeit ✗ Stützstrukturen erforderlich |
| SLA-Drucker | ✓ Detaillierte Oberfläche ✓ Hohe Fertigungsgenauigkeit ✓ Transparente Bauteile möglich |
✗ Nur für UV-härtbare Kunststoffe ✗ Langsamer Fertigungsprozess ✗ Nur einfarbige Druckobjekte ✗ Stützstrukturen erforderlich ✗ Aufwändige Reinigung notwendig |
Die meisten Anwender*innen, die in das Thema 3D Druck einsteigen wollen, werden sich zunächst überlegen, für welche Druckervariante sie sich entscheiden.
Für kleine und fein detaillierte Ausdrucke ist ein SLA-Drucker mit Sicherheit die bessere Wahl. Wenn aber grössere Projekte gedruckt werden sollen und zudem auch noch die Materialbeschaffenheit dem Anwendungszweck entsprechen muss, ist ein FDM-Drucker zu empfehlen.
Allerdings gibt es bei FDM-Druckern sehr grosse Unterschiede in Ausführung, Qualität und Preis. Aus diesem Grund wollen wir die Leistungsmerkmale dieser Drucker genauer betrachten:
Druckraum
Die Grösse des Druckraums wird als X-, Y- und Z-Achse angegeben. In der Regel reichen diese von 100 bis 400 Millimeter pro Achse. Somit ist es kein Thema, auch grössere oder mehrere Objekte in einem Druckvorgang zu fertigen.
Druckbett
Hier gibt es beheizte und unbeheizte Varianten. Wer einen hohen Qualitätsanspruch hat, greift besser zu einem beheizbaren Druckbett. Denn so kann sich nichts verziehen. Dies passiert oftmals, weil die frisch gedruckten Teile ungleichmässig warm und somit unterschiedlich formbar sind.
Die beheizte Platte sorgt für ein langsameres Auskühlen des Materials, sodass die Wärmeunterschiede nicht zu gross sind. Zu beachten ist unbedingt, welches Filament gedruckt wird, um die richtige Hitze des Druckbettes einzustellen. Bei PLA beispielsweise ist eine Temperatur von 60 Grad Celsius ausreichend.
Einen Einfluss auf Haftung und Temperaturverteilung hat das Material des Druckbetts. Hier empfehlen sich Platten aus Glas, Keramik oder Aluminium-Gussplatten. Damit das Modell während des Drucks optimal auf der Druckplatte haftet, eignen sich entsprechende Haftfolien, Klebestreifen oder Haftsprays. Diese lassen sich auf beheizte und unbeheizte Druckbetten auftragen.
Druckgeschwindigkeit
Auch wenn hochwertige Geräte mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Millimetern pro Sekunde drucken können, geht dies jedoch oft zu Lasten der Qualität. In Kombination mit dem richtigen Filament, wie beispielsweise High-Speed PLA, liefern sie auch bei hohen Geschwindigkeiten gute Qualität. Zusätzlich verringern sich die Druckzeiten nochmals. 3D Drucker für Einsteiger hingegen sind mit Werten um die 60 mm/s deutlich langsamer.
Druckschichthöhe
Die Dicke des aufgetragenen Druckmaterials ist variabel. Je dünner eine Druckschicht ist, desto feiner und präziser wird das Modell am Ende. Zudem sind die Rillen zwischen den einzelnen Druckschichten weniger auffällig. Diese Eigenschaft macht unter anderem den Unterschied zwischen preislich hochwertigen und günstigen 3D Printern. Allerdings erhöht sich mit der Verringerung der Druckschichthöhe die benötigte Zeit für einen Ausdruck.
Hot-End und Extruder
Der Extruder ist das Herzstück eines 3D Druckers: Er und eine heisse Düse (Hot-End) schmelzen und formen das Filament und bauen das Objekt auf. 3D Drucker haben entweder einen oder zwei Extruder.
Besonders für den professionellen Einsatz ist ein Gerät mit zwei Extrudern (Dual Extruder) empfehlenswert. Durch den Druck von Stützstrukturen, beispielsweise aus wasserlöslichem PVA, lassen sich bessere Druckergebnisse erzielen. Die filigranen Stützen sind leicht im Wasserbad zu entfernen. Ausserdem lassen sich verschiedene Materialien wie weiche und harte Stoffe oder mehrere Farben in einem Modell kombinieren.
Filament
Wichtige Kriterien bei den Filamenten sind Härtegrad, Flexibilität und Temperaturfestigkeit. Das Druckmaterial für das herkömmliche FDM-Verfahren besteht in der Regel aus PLA Filament oder ABS Filament.
PLA ist ein Naturkunststoff, der biologisch abbaubar ist. Er ist UV-beständig und leicht zu verarbeiten. Darüber hinaus haftet er während des Drucks am besten auf einer Glasplatte oder einem Spiegel, der auf der Druckplatte montiert ist. Eine beheizbare Platte ist nicht nötig.
Darüber hinaus gibt es Filamente aus PLA mit Holz-, Bronze-, Messing- oder Kupferanteilen. Diese sind in ihrer Optik und Haptik dem originalen Stoff täuschend ähnlich. Auch transparente oder bei Dunkelheit leuchtende Filamente sind erhältlich.
PLA verformt sich bei 60 Grad Celsius. Es ist also ungeeignet für Gegenstände wie Tassen, die sich bei Gebrauch erhitzen oder mit heissen Materialien in Berührung kommen.
Der Kunststoff ABS besteht aus Erdöl, ist schlagfest und weniger hitzeanfällig als PLA. Deshalb ist er auch für eine Nachbearbeitung wie Polieren oder Schleifen geeignet. Allerdings ist er schwerer zu verarbeiten und benötigt ein beheiztes Druckbett.
Zudem ist heute fast jeder Kunststoff für 3D Drucker verfügbar, egal ob hochfestes Polycarbonat oder scheuerfestes Nylon. Durch die Auswahl des Filaments lassen sich die Eigenschaften des gedruckten Objektes perfekt an den Einsatzzweck anpassen. Allerdings ist es immer etwas zeitaufwändig, für das jeweilige Filament die optimalen Druckereinstellungen zu finden.
Wie erhält der Drucker seine Daten?
In der Praxis hat es sich bewährt, die Drucker-Files auf eine SD-Karte zu kopieren und die Karte dann in den Kartenslot am Drucker zu stecken. Vorausgesetzt der Drucker bietet diese Möglichkeit. Wird der Drucker lediglich per Schnittstellenkabel mit dem Computer verbunden, muss der PC solange laufen, bis der Drucker den Druck abgeschlossen hat.
Welche Software wird für einen 3D-Drucker benötigt?
Neben der internen Software (Firmware), die im Drucker verwendet wird, muss am Computer eine Drucker-Software installiert werden. Eine gängige Software für 3D Drucker ist z.B. Repetier Host. In diese Software ist ein Slicer eingebunden, der die Konstruktionsdatei in ein für den Drucker verständliches Format umwandelt. Wer die Objekte für den 3D-Druck selber kreieren will, benötigt noch eine CAD-Software. Diese werden mittlerweile zur kostenlosen Nutzung im Internet angeboten.
Bieten günstige Drucker ein schlechteres 3D Ergebnis?
Diese Frage lässt sich nicht so einfach beantworten, denn der Preis spiegelt nur im begrenzten Umfang die Produktqualität wieder. Grundsätzlich aber lässt sich sagen, dass für eine gute Druckqualität eine hohe Präzision erforderlich ist. Um diese 3D Präzision zu erreichen, sind hochwertige Komponenten und ein stabiler Aufbau der 3D Maschine erforderlich.
Welchen Vorteil bieten Dual Extruder?
Bei 3D Printern mit Dual Extrudern besteht die Möglichkeit, unterschiedliche Filamente in einem 3D Druckauftrag zu verarbeiten. Das können zwei PLA Filamente mit unterschiedlichen Farben oder auch ein wasserfestes und ein wasserlösliches Filament für die Stützstrukturen sein. Allerdings ist die Einstellung eines 3D Druckers mit Dual Extruder deutlich aufwändiger und für den Einstieg eher weniger geeignet.
Was ist Rapid Prototyping?
Wörtlich übersetzt heisst Rapid Prototyping schneller Modellbau. Im Gegensatz zur konventionellen Fertigung, die bei Einzelstücken recht aufwändig ist, lassen sich im additiven Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing) mit etwas Know-how sehr schnell Prototypen in höchster Qualität erstellen.