3D Druckverfahren

Im Grunde sind die Druckverfahren der 3D Drucker alle ähnlich, es sei denn der Hersteller hat einige Änderungen vorgenommen, die aber nicht die Grundlagen verändern. Generell kann man über folgende Unterschiede sprechen:

- 3D-Druck mit Pulver (3DP):
Aus dem Bereich der “Additive Layer Manufacturing” stammt das gut ausgearbeitete Verfahren mit Pulver für den 3D Druck. Die Vorgehensweise ist ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker, nur dass hier keine Tinte, sondern flüssiger Klebstoff als Bindemittel auf eine Pulverschicht zum Einsatz kommt.
Die einzelnen 2D-Layer des zerlegten 3D Modells bilden hierbei die Datengrundlage. Der bewegliche Druckkopf des Printers trägt den ersten unteren Layer mit dem flüssigen Klebstoff auf die Pulverschicht auf und bildet somit den Grundstock des 3D Modells. Eine Rakel legt automatisch eine frische sehr feine Pulverschicht über das erste Bild und dieser Vorgang wiederholt sich solange bis das 3D Modell fertig ist. Das Pulverbett wandert nach jedem neuen Layer nach unten.
Um ein stabiles 3D Objekt herstellen zu können, wird die Materialmenge so berechnet dass die einzelnen Schichten auch untereinander verkleben. Hauptsächlich werden 3D Modelle aus Gips und Kunststoffpulver hergestellt, es lassen sich aber auch andere pulverisierte Stoffe wie z.B. Keramik oder Glas verarbeiten.

Ein Vorteil des 3DP-Drucks ist eine Stützstruktur eventuell geplanter Hohlräume, denn das nicht verklebte Pulver stützt zwar ab, wird aber dann mit einer Luftpistole wieder entfernt. Damit ist es möglich auch überhängende Strukturen zu erstellen und gleichzeitig kann das Pulver nach dem Durchsieben für andere Objekte wieder benutzt werden.
Verwendet man farbige Bindemittel und hat mehrere Druckköpfe zur Verfügung, können auch farbige Modelle erzeugt werden. Hierbei kann sich der hohe Anschaffungspreis des 3D Druckers eventuell zum Nachteil auswirken, zudem die Modelle erst durch Infiltration, also dem Eintauchen in einer flüssigen Lösung gegen Feuchtigkeit geschützt und gefestigt werden.
Je nach der Feinheit des Pulvers richtet sich die Auflösung und damit das spätere Aussehen der fertigen 3D Modelle.

- 3D-Druck auf der Basis von geschmolzenen Werkstoffen

Fused Filament Fabrication (FFF – Fused Deposition Modeling, Schmelzschichtung)

Die kostengünstigste und verbreiteste Möglichkeit um ein 3D Modell herzustellen ist momentan der Druck mittels geschmolzener Kunststoffe wie PLA oder ABS.

Man kann diesen Druck mit dem Prinzip einer beweglichen Heißklebepistole vergleichen. Jeder Layer des 3D Objektes wird auf der Plattform des Druckers, bei einigen Modellen ist sie beheizbar, Schicht für Schicht aufgebaut. Der Druckkopf der das zugeführte Material, welches in Stäbchenform oder Drahtform verwendet werden kann, schmilzt und aufträgt, dient dabei als Extruder.

Wenn eine Schicht getrocknet und abgekühlt ist, kommt die Nächste und so fort bis das 3D Modell fertig ist. Die Geschwindigkeit richtet sich immer nach der Trocknung des Materials, denn erst wenn ein Layer erstarrt ist, wird die nächste Lage aufgetragen. Die Qualitätsmerkmale eines 3D Druckers richten sich nach dem digitalen Entwurf, der Genauigkeit der Bewegungen, der Stärke der Düsen und den thermischen Eigenschaften des verwendeten Materials.
Um bunte Objekte herstellen zu können, braucht man einen zweiten Druckkopf und verschiedenfarbiges Material. Möchte man überhängende Strukturen oder Hohlräume erzeugen, können Stützmaterialien eingesetzt werden, die nach dem Fertigstellen des 3D Modells ausgewaschen oder ausgeschmolzen werden.

Durch das Open-Hardware Projekt RepRap gewann dieses Verfahren an Bedeutung und nachdem die Baupläne veröffentlicht wurden, entwickelten verschiedene Firmen das Konzept weiter und stellten, basierend auf diesem Prinzip, kostengünstige 3D Drucker vom RepRap Projekt ausgehend, her. Da die Elektronik, die Materialien und die Druckköpfe mit der 3-Dimensionalen Steuerung laufend verbessert wurden, können jetzt auch zähflüssige Materialien durch spritzenähnliche Extruder verarbeitet werden. Dies können Lebensmittel, Beton, Gips oder Ähnliches sein.

- Electron Beam Melting, Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Mit einem steuerbaren Elektronenstrahl werden beim EBM Druckverfahren pulverförmige Metalle unter Vakuum miteinander verschmolzen.

Durch das Vakuum wird der Einschluss von Sauerstoff verhindert, was für die fertigen 3D Modelle bedeutet, dass sie sehr komplex und fest werden.

- Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM)

Alternativ zum 3DP Druck können 3D Modelle im SLM Verfahren erstellt werden. Auch hierbei wird Pulvermaterial verwendet, aber die Verbindung wird nicht verklebt, sondern mittels eines Hochleistungs-Lasers verschmolzen. Bei dieser Druckform lassen sich auch Stoffe wie Sand und Metalle verarbeiten.

- Stereolithografie (STL, SLA)

Ein Becken mit Photopolymer gefüllt ist hierbei die Ausgangsbasis, denn dieser spezielle Werkstoff hat die Eigenschaft erst nach der Fertigstellung des 3D Modells in einer Belichtungskammer vollständig auszuhärten.
Die einzelnen Layer werden nach der Erstarrung Schicht für Schicht auf die Oberfläche des flüssigen Photopolymers mit einem Laser aufgetragen. Dabei wird das Modell um die Höhe jeden Layers nach unten gezogen, damit sich das flüssige Material wieder sammeln und die nächste Schicht aufgetragen werden kann.

Durch dieses Verfahren erreicht man eine deutlich höhere Druckqualität, die allerdings wegen der Materialkosten gegenüber anderen Verfahren teurer ist. Als Stützmaterial dienen nadelförmige Strukturen, die mechanisch nach dem Druck entfernt werden müssen.

- Digital Light Processing (DLP)

Bei dem DLP Verfahren kann nach neuesten Erkenntnissen auch ein Beamer als Lichtquelle verwendet werden, da es nach dem gleichen Prinzip wie die Stereolithografie funktioniert.

- Film Transfer Imaging Verfahren (FTI)

Bei diesem Verfahren wird mit einer Transportfolie ein lichtempfindlicher flüssiger Kunststoff auf die Plattform aufgetragen und mit einem Projektor ausgehärtet.

- Multi Jet Modeling (MJM), Polyjet Verfahren

Bei dem MJM Verfahren wird lichtempfindlicher flüssiger Kunststoff mit einem Druckkopf, bei dem eine Lichtquelle integriert ist, auf die Plattform aufgetragen und sofort ausgehärtet. Dadurch erhält man sehr detailgetreue 3D Modelle, bei denen das Stützmaterial nach dem Druck mechanisch entfernt werden muss.

Sofern mehrere Druckköpfe verwendet werden, ist es möglich verschiedene Kunststoffe zu verwenden.

- Weitere Verfahren

Weiterhin sollte noch das Laserauftragsschweißen und das Laminated Object Modeling (LOM) Verfahren genannt werden.
Bei der LOM Technik werden Papier oder Folien übereinander verklebt und anschließend mit einem Cutter automatisch geschnitten.