Immer, wenn schnell und einfach ein Objekt entstehen soll, was es so vorher noch nicht gab, dann kann man heutzutage dafür einen 3D-Drucker zur Hand nehmen. Schicht für Schicht entsteht im Drucker, was man sich vorher im Kopf nur ausgedacht hat und nach einer kurzen Abkühlungsphase ist die neu geschaffene Druck-Kreation bereits einsatzbereit. Ob es etwas Künstlerisches ist, ein seltenes Ersatzteil, ein Prototyp oder sogar ein medizinisches Hilfsmittel, die Möglichkeiten sind riesig.

Anwendungsbereiche von 3D-Druckern

Seit den 80er-Jahren wird an der 3D-Druck-Technologie gefeilt und ist heute soweit, dass sich jeder für wenige hundert Euro einen 3D-Drucker kaufen und z.B. für den Hobbybereich verwenden kann. Aber auch für große Massenproduktionen stehen fortgeschrittene 3D-Drucker zur Verfügung und bieten die Verarbeitung einer großen Materialauswahl von Kunststoff über Metalle oder Keramik. So findet sich schnell das Richtige für jede Idee und Einsatz.

Größere Drucker mit Anschaffungskosten von 10.000 bis über 100.000€ finden immer mehr Anklang in der medizinischen Welt und so können in kurzer Zeit auf Maß angefertigte Prothesen, Hörgeräte, Implantate oder Modelle für komplette Operationseingriffe hergestellt werden. Es gibt bereits biologisch abbaubare Materialien und die Stückkosten sind im Anschluss so gering, dass sich nach einiger Zeit die Anschaffungskosten gelohnt haben.

Funktionsweise von 3D-Druckern

Ein 3D-Drucker druckt nicht auf ein flaches Blatt Papier wie der klassische Drucker, den jeder kennt. Beim 3D-Drucker werden Schichten von ausgewählten Materialien so aufeinander aufgetragen, dass am Ende ein dreidimensionales Objekt zum Vorschein kommt. Chemische Schmelzprozesse, abhängig vom verwendeten Material, finden statt, sodass die aufeinander gedruckten, dünnen Schichten auch tatsächlich aneinander halten.

Wie lang, breit oder schmal ein Schichtstück sein muss, so dass am Ende das gewünschte Objekt zum Vorschein kommt, das steuert ein Computer am Drucker. Mit Hilfe der speziellen Software für 3D-Drucker, wird vorab der genaue Konstruktionsplan erstellt, der einmal vom Benutzer freigegeben, als Grundlage für den dreidimensionalen Druckaufbau dient. Die Vielfalt von Einstellungsmöglichkeiten sorgt für das gewünschte Druckergebnis bis ins jede Detail und nach einer eventuellen Abkühlungsphase oder Nachbearbeitung ist das Objekt sofort einsatzbereit.

Kann man den 3D-Druck überhaupt als Druck bezeichnen?

Der 3D-Druck ist, ebenso wie der traditionelle Druck, ein Druckverfahren und kann als eine Weiterentwicklung betrachtet werden, bei dem vorher nicht vorhandene Schichten erzeugt bzw. auf eine Fläche aufgetragen werden und so zum vorprogrammierten Ergebnis führen. Eine einzelne Druckschicht ist bei beiden Verfahren so dünn, dass sie im Grunde nicht spürbar ist. Der Unterschied ist, dass der 3D-Drucker so viele von diesen dünnen Schichten aufeinander aufträgt, dass sich am Ende eine dreidimensionale Form bildet.

Es gibt mittlerweile ganz verschiedene Drucktechniken, bei denen ganz unterschiedliche Materialien verwendet werden können. Mit Metallen wie Edelstahl, Aluminium oder Titan,  Kunststoffen und Polymeren und Kombinationen von Kunststoffen mit Metallen Holz und anderen Materialien kann gedruckt werden und es können auch mit Gips, Keramik, Glas und sogar Lebensmittel wie Käse und Schokolade alle gewünschte Formen entstehen. Wichtig ist dabei, das richtige Druckverfahren für das gewünschte Material zu verwenden, um damit das gewünschte Ergebnis zu erhalten.

Welche 3D-Druckverfahren gibt es?

Angefangen hat alles mit der Stereolithografie, jedoch gibt es mittlerweile weitere Druckverfahren, die andere Materialien bearbeiten können und somit auch ein größeres Spektrum für unterschiedliche Nutzeranfragen bezüglich des Ergebnisses, des Zwecks, der Schnelligkeit, der Einfachheit, Größe und Räumlichkeiten bietet. Ein Grundwissen über die vier Verfahren kann eine wohlüberlegte und erfolgreiche Anschaffung eines 3D-Druckers ermöglichen.

Stereolithographie (SLA)

Die älteste und auch weit verbreitetste Technik für das 3D-Druckverfahren, ist die Stereolithographie. Hierbei werden die aufeinander dünn gedruckten Schichten aus Kunstharz gegossen, der ausgehärtet das final dreidimensionale Modell erzeugt. Das Besondere und der Vorteil des Harzes ist, dass durch seine Struktur und das flüssige Aufeinanderschichten als Ergebnis eine feine und glatte Außenschicht für die Augen und den Tastsinn entsteht.

Luminated Object Manufacturing (LOM)

Beim LOM-Verfahren wird vor allen Dingen Papier benutzt, aber auch Kunststoff ist zum Verarbeiten möglich. Der 3D-Drucker druckt bzw. klebt die einzelnen Schichten aufeinander und ein Messer oder Laser schneidet den Klotz anschließend in die richtige Form. Diese Methode ist vergleichsweise schnell und kostengünstig.

Selektives Laserintering (SLS)

Ein weiteres, weit verbreitetes Verfahren ist das selektive Laserintering, bei dem gleich verschiedene Materialien in Pulverform zum Einsatz kommen können. Es wird zum Beispiel Metall, Kunststoff oder Keramik als Pulver von einem Laser, nach genauem 3D-Druckplan, an der richtigen Stelle eingeschmolzen. Das verflüssigt das Material, lässt es so gesehen zusammenschrumpfen und nach einer Abkühlungs- und Aushärtungsphase, hat man das gewünschte Modell in richtiger Form und Dichte vorliegen.  

Fused Deposition Modeling (FFF)

Beim Fused Deposition Modeling oder auch Schichtschmelzverfahren, können ebenfalls verschiedene Materialien wie Kunststoffe, Formwachse oder Thermoplaste verarbeitet werden. Als Filamente werden sie durch eine beheizte Düse, dem sogenannten Extruder, eingeschmolzen, bevor sie in einzelnen Schichten aufeinander aufgetragen werden. Das Modell wird zur Stabilität nicht mit Material ausgefüllt, sondern mit Füllstrukturen versehen und braucht daher auch Stützstrukturen für weit abstehende Elemente, die bei diesem Verfahren gleich mit ausgedruckt werden und in der anschließend detailliert beschriebenen 3D-Druckanleitung hier nochmals in Auge gefasst werden.

Alle Verfahren mögen unterschiedlich sein, bringen jedoch als Endergebnis immer eine gewünschte, dreidimensionale Form nach Plan zum Vorschein. Die einzelnen Schritte, die zu diesem Resultat führen, kann man zur Übersicht für alle 3D-Drucker wie folgt zusammenfassen.

Schritt-für-Schritt Prozess eines 3D-Drucks

Zusammengefasst besteht der 3D-Druckprozess aus mehreren Schritten, die das gewünschte Ergebnis zum Vorschein bringen. Von der Vorbereitung des Druckers zum digitalen Entwurf über das Slicing, bei dem das Model in Schichten aufgeteilt und in Befehle für den Drucker umgewandelt wird und der eigentliche Druckvorgang sowie der Nachbearbeitung – hier werden die einzelnen Schritte im Detail erklärt:

• Vorbereitung: Der Drucker und das Druckbrett, auf dem das Modell entsteht, sollten sauber sein. Der Drucker muss auf der passenden, stabilen Oberfläche stehen und das Druckbrett optimalerweise nach Herstellerempfehlung ausgerichtet und parallel zur Druckplatte liegen. Natürlich muss das Gerät an das Stromnetz angeschlossen werden und angeschaltet sein, ohne offensichtliche, äußere erkennbare, Probleme oder Besonderheiten am Gehäuse oder an den Druckerelementen.

• Erstellung eines Modells: Mit Hilfe der passenden 3D-Software wird das gewünschte Modell gestaltet oder ein bereits vorhandener Entwurf importiert. Wichtig dabei ist die Überprüfung jeglicher Details, die zum gewünschten Druckergebnis führen, wie beispielsweise die richtige Stabilität im Außenbereich und die richtige Größe, die vom Drucker problemlos gefertigt werden kann. Es sollte darauf geachtet werden, dass es zu keinen Überlappungen oder lückenhaften Flächen kommt und keine zu kleinen Elemente eingearbeitet sind, die möglicherweise nicht richtig gedruckt werden können. Kostenlose oder kostenpflichtige Software, die einem bei der Modellerstellung helfen können, sind beispielsweise SketchUp, Tinkercad oder Autodesk. Diese Arten von Software bieten auch eine Fehlerkontrolle an, bei dem der Modellentwurf noch vorm Druck auf alle Arten von Fehler kontrolliert wird und dabei gleich Korrekturen vorschlägt. Es bietet sich an, bei diesem Schritt auch gleich zu überprüfen, ob es ein Software-Update gibt, was nach Installation zu einem verbesserten Druckablauf führen kann.
  
  
• Slicing: Der fertig gestellte und geprüfte Modellentwurf zum Druck, wird mit den gewählten und nochmals kontrollierten Einstellungen, im richtigen Dateiformat wie STL (Standard Triangle Language) oder OBJ (Wavefront OBJ) in den 3D-Drucker importiert. Mit einer Slicer-Software, wird das 3D-Modell in Schichten aufgeteilt und somit die einzelnen Druckschritte festgelegt. Je nach Modellgröße können für den Drucker hunderte von Schichten, also Slices, in Auftrag gegeben werden. Jetzt werden noch zusätzliche Anweisungen an den 3D-Drucker weitergegeben wie beispielsweise die Druckauflösung, die ebenfalls Einfluss auf die Anzahl der Slices hat, denn sie spiegelt die Detailgenauigkeit des Models wieder und verlängert automatisch die Druckzeit und andersrum. Je geringer man die Druckgeschwindigkeit einstellt, desto detailgetreuer wird das dreidimensionale Druckergebnis. Über die Fülleinstellung kann man entscheiden, wie stabil das gewünschte Objekt werden soll, denn je dichter die Fülle, desto höher die Stabilität. Bei diesem Schritt werden auch eventuelle Stützen für das Druckmodell festgelegt, die sogenannten Rafts. Je nach Druckverfahren oder Modellform, dienen diese Rafts überstehende und frei in der Luft hängende Teile oder Formen des Druckmodels zu stabilisieren. Ist das fertige Modell einmal erkaltet, können diese Hilfsstützen einfach entfernt werden.  

• Druckmaterial vorbereiten: Nun wird der 3D-Drucker mit dem Material nach Wahl geladen. Das geschieht, je nach dem wie das gewünschte Ergebnis aussehen soll und der spezifischen Gebrauchsanweisung folgend, angepasst an die Materialart. Egal ob Harz, Gips, Keramik oder Kunststoff, das Material sollte stets in einem guten und sauberen Zustand sein. Am besten werden nochmal alle Drüsen am Drucker überprüft, ob sie tatsächlich frei, sauber und von allen alten Materialresten von vorherigen Drucken befreit und startklar für den neuen Druckvorgang sind.

• Druckvorgang: Sind alle Druckkomponenten richtig skaliert und ausgerichtet und der Drucker auf die empfohlene Temperatur vorgeheizt, kann der Druckvorgang gestartet werden. Die gewünschte und vorher erstellte Datei vom 3D-Modell wird ausgewählt, die einzelnen Komponenten wie Druckgeschwindigkeit, Temperatur und Schichtdicke werden nochmal kontrolliert und bestätigt und dann beginnt der Druckvorgang auf Knopfdruck. Dabei kann man ruhig die ersten Minuten und Anfänge des Druckvorgangs genau beobachten, um zu sehen, ob alles reibungslos und nach Plan funktioniert. Denn falls das nicht der Fall sein sollte, kann man den Druckvorgang umso schneller und vielleicht noch rechtzeitig abbrechen und nachjustieren, bevor viel Zeit und Material verschwendet wird, für ein Ergebnis, was man so nicht wollte.  

• Nachbearbeitung: Nach einer Abkühlungsphase, die je nach Drucker, Materialart und Modelgröße unterschiedlich ist, können eventuelle Stützen oder überschüssiges Material, wie kleine, lose Materialfäden vom Schmelzprozess, vorsichtig entfernt werden. Die Stützen können mit Hilfe einer Zange oder Schere vom fertigen 3D-Objekt getrennt werden, mit Bedacht und ohne das frische Ergebnis zu beschädigen. Die Oberfläche kann je nach Material und Bedarf nochmal aufpoliert oder nachträglich mit Farben und weiteren Materialien von Hand veredelt werden. Es kann passieren, dass man zum Lösen des Objekts vom Druckbrett einen Spachtel zu Hilfe nehmen muss, bei dem jedoch Vorsicht geboten ist, denn zu viel Druck könnte das Druckbrett und das Modell verformen oder zerkratzen.

Es mag ein bisschen Übung brauchen und die ersten Druckversuche werden mehr Zeit kosten zum Ausrichten, Justieren und immer wieder kontrollieren, ob man keinen der Schritte ausgelassen hat. Doch nach einer kurzen Eingewöhnungsphase geht jeder Druckvorgang mit der richtigen Auswahl eines 3D-Druckermodells, 3D-Software und Materialart ganz einfach und schnell von der Hand und kann ebenfalls eine geplante Serienproduktion gewährleisten.

Was bringt die Zukunft für den 3D-Druck?

3D-Drucker werden sehr schnell immer fortgeschrittener und gleichzeitig günstiger, was sie immer interessanter und zugänglicher für eine Vielzahl von Menschen unterschiedlicher Bedürfnisse und Ideen macht. Die kleinen Anschaffungspreise sind oft für Einzelproduktionen im Hobbybedarf gefragt und die Zuverlässigkeit und fortgeschrittene Technologie, lässt sie in immer mehr Großproduktionen von Unternehmen Einsatz finden. Fast alle gewünschten Objekte, in vielen unterschiedlichen Materialien und Farben, können in kontrollierter Qualität direkt vor Ort produziert werden, was zusätzlich Lieferzeit und Kosten spart und gleichzeitig den Gewinn und Wettbewerbsvorteil erhöht.

Wachsende Druckverfahren, für immer mehr unterschiedliche Materialien, bieten stetig steigende und hunderte von schnellen Lösungen für immer mehr Unternehmen und Privatpersonen inklusive der Welt der Medizin. Dort werden 3D-Drucker bereits standardmäßig für speziell auf den Patienten angepasste Prothesen, Implantate und Hörgeräte genutzt. Die anschließend verhältnismäßig geringen Stückkosten, unterstützen den Patienten bei der Tragbarkeit der Kosten und gleichen auch die Investitionskosten für die Praxis oder das Labor schnell wieder aus. Auch lebensechte Modelle für die Planung komplizierter Operationen können schnell und präzise angefertigt werden und dienen so als große Hilfe für Arzt und Patient.

Zum Schluss ist der 3D-Drucker auch schon in die Welt der Raumfahrttechnik eingedrungen und eröffnet hier ebenfalls  durch seine Materialauswahl, die gegebene Stabilität, Präzision und Schnelligkeit eine große Unterstützung zum Fortschritt.

Kurzum: Das dreidimensionale Drucken ist in viele Bereiche des Lebens vorgedrungen und ist damit noch lange nicht am Ende angekommen. Die Möglichkeiten für den Einsatz eines 3D-Druckers sind bei genauer Betrachtung vielleicht jetzt schon fast unendlich.