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So funktioniert der 3D-Druck

16.12.2014 | 10:05 Uhr |

Ob für Kleinserien, Modellbau oder für ein Ersatzteil: Der 3D-Druck ist keine neue Technik, aber stark im Kommen. Wie gut ein 3D-Modell aus dem Drucker kommt, hängt vom Fertigungsverfahren ab.

Es klingt verlockend: Ist beispielsweise ein Griff kaputt, dann drucken Sie sich doch einfach einen neuen aus. Auch eine neue iPhone-Hülle ist so schnell selbst produziert. Immer mehr 3D-Drucker lassen sich für unter 1000 Euro kaufen und machen 3D-Druck auch für private Anwender interessant. Das Erstellen eigener Vorlagen setzt allerdings viel Wissen voraus. Wir zeigen die verschiedenen 3D-Herstellungsverfahren und deren Funktion.

3D-Fertigungsverfahren

Umgangssprachlich werden alle Verfahren, bei denen auf mechanischem Wege Objekte hergestellt werden, als 3D-Druck bezeichnet. Doch ein echter 3D-Druck ist nur einer von fünf Herstellungsprozessen, die man auch als additive oder generative Verfahren bezeichnet. Den Raum, in dem ein Objekt entsteht, bezeichnet man als Bauraum. Das Material, aus dem das Objekt hergestellt ist, als Baumaterial.

Fused Deposition Modeling

Dieses weit verbreitete Verfahren kommt hauptsächlich in einfachen und preisgünstigen Druckern ab etwa 800 Euro aufwärts zum Einsatz. Alle Shareware und Selbstbau-Druckerprojekte basieren auf dieser Technik.

Fused Deposition Modeling
Vergrößern Fused Deposition Modeling
© Nikolaus Netzer

Bei diesem Verfahren wird ein spezieller Kunststoff mit Hilfe eines beheizten Schmelzkopfes in Schichten auf der Bauplattform aufgetragen. Die Bauplattform ist beweglich und senkt sich schrittweise ab. Eine Schaumbeschichtung und eine eingebaute Heizung sorgen dafür, dass sich das Objekt nach Fertigstellung von der Bauplattform ablösen lässt. Der Druckkopf ist in der Höhe fixiert und bewegt sich nur in der X- und Z-Achse horizontal über das Objekt. In seinem Inneren befinden sich eine Heizung und ein Motor zum Baumaterialtransport. Das als Filament bezeichnete Baumaterial besteht aus einer Kunststoffschnur, die auf einer Rolle aufgewickelt ist und sich beim Herstellungsprozess langsam abwickelt. Das Material wird im Druckkopf erhitzt und in fast flüssigem Zustand schichtweise aufgetragen und verschmolzen. Die Bewegungen des Druckkopfes verteilen das Filament. Die Plattform senkt sich bei jedem Durchlauf entsprechend der eingestellten Auftragsstärke ab. Bei diesem Verfahren unterscheidet man zwischen Druckern, die nur ein Material auftragen und Druckern, die zusätzlich noch ein Stützmaterial aufbringen, um Unterschnitte oder Materialbrücken zu stabilisieren. Das Stützmaterial muss nach dem Druckvorgang vom Modellbauer entfernt werden. Drucker, die mit zwei verschiedenfarbigen Filamentsorten drucken, um mehrfarbige Modelle herzustellen, sind inzwischen ebenfalls erhältlich.

3-Dimensional Printing (3DP)

3-Dimensional Printing (3DP)
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© Nikolaus Netzer

Dies ist das einzige additive Herstellungsverfahren, das die Bezeichnung 3D-Druck verdient. Der Mechanismus basiert auf zwei nebeneinanderliegenden, getrennten Kammern. Eine Kammer dient der Aufbewahrung des Konstruktionspulvers, die andere Kammer ist der Bauraum, in dem das 3D-Objekt hergestellt wird. Auf einer absenkbaren Plattform im Bauraum entsteht das Modell. In der Kammer, in der sich das Konstruktionspulver befindet, sorgt ein Mechanismus für Materialnachschub. Eine Walze schiebt Konstruktionspulver als dünne Schicht in den Bauraum. Über dem Bauraum befindet sich ein Druckkopf, der klares oder farbiges Bindemittel ähnlich einem Tintenstahldrucker auf das Konstruktionspulver aufträgt. Die Plattform senkt sich um den eingestellten Materialauftrag. Erneut schiebt die Walze eine dünne Schicht Pulver in den Bauraum. Das Bindemittel verbindet das Pulver mit dem darunter liegendem Material. Auf diesem Wege entsteht schichtweise das 3D-Modell. Das Modell liegt nach Fertigstellung tief eingebettet im Konstruktionspulver, das vom Modellbauer vorsichtig entfernt wird. Der Clou ist, dass mit diesem Fertigungsverfahren mehrfarbige, durchgefärbte Objekte entstehen. Verfahrensbedingt können keine scharfkantigen Objekte hergestellt werden. Die entstehenden Objekte wirken weich und haben eine stumpfe Oberfläche. Drucker mit dieser Technik sind hauptsächlich für den professionellen Prototypenbau geeignet.

Vergleichstest - Der beste 3D-Drucker

Laminated Object Manufacturing (LOM)

Mit dem Laminierverfahren lassen sich nur Ansichtsmodelle im Design-Modellbau herstellen, die nachträglich oberflächenbehandelt werden, um einen Eindruck des fertigen Produkts zu gewährleisten. Neuere Verfahren lassen das Laminieren mit Aluminiumfolien zu. Auf diesem Weg entstehen Spritzgussformen.

Laminated Object Manufacturing (LOM)
Vergrößern Laminated Object Manufacturing (LOM)
© Nikolaus Netzer

Eine LOM-Maschine mit einer Formatgroße von etwa 20 x 30 cm kostet ab 50 000 Euro aufwärts und ist damit für den Privatanwender nicht geeignet. Mit Hilfe von Hitze und Druck fügt man mit diesem Verfahren Papier schichtweise zu Objekten zusammen. Das Papier wird auf einer Materialrolle vorgehalten und über Lenkrollen über die Konstruktionsplattform gespannt. Ähnlich wie beim Fusion Deposition Modeling ist die Konstruktionsplattform absenkbar, das Baumaterial ist horizontal fixiert. Ein Laser mit beweglicher Spiegeloptik schneidet die Umrisse des 3D-Objektes aus der Papierfläche. Eine Heißlaminierwalze verschmilzt das Papier mit dem Untergrund. Verbrauchtes Material wird auf eine Rolle aufgewickelt. Erneut wird unbearbeitetes Papier über die Konstruktionsplattform gezogen. Wieder werden die Umrisse der Form aus dem Papier geschnitten. Schicht für Schicht senkt sich die Plattform ab. Um die gesamte Konstruktion zu stabilisieren, entsteht das Modell eingebettet in ein Volumen. Beim Schneidevorgang mit dem Laser werden zusätzlich Schnittlinien in das Volumen eingefügt, damit der Modellbauer nach Fertigstellung das Modell leicht aus der Form herauslösen kann. Mit diesem Verfahren können etwa zwei bis vier Millimeter Schichtstärke pro Stunde aufgebaut werden. Die Wandstärke darf dabei zwei Millimeter nicht unterschreiten. Aktuelle Techniken verwenden Aluminiumfolien, um beispielsweise Spritzgussformen aus dünnen Schichten aufzubauen.

Empfehlung 3D-Druck

© Nikolaus Netzer

Wer als Heimanwender oder kleines Design-Büro in die 3D-Drucktechnik einsteigen möchte, muss derzeit an vielen Stellen investieren und Experimentierfreude mitbringen. Drucker und Modellier-Software müssen angeschafft werden und zusammenspielen. Um druckfähige Modelle herzustellen, muss zudem einiges an Know-How bei der Gestaltung erlernt werden. Betriebssystem und Modellier-Software verfügen noch nicht flächendeckend über brauchbare Druckfunktionen. Doch in rascher Folge werden Gerätetypen veröffentlicht, die Innovationsgeschwindigkeit ist hoch. Noch fehlen aber verlässliche Standards.

Selective Laser Sintering (SLS)

Dieses spannendste aller 3D-Konstruktionsverfahren ist zugleich das teuerste. Geräte kosten ab einer halben Million Euro aufwärts. Prototypen oder Kleinserien lassen sich nicht nur aus Kunststoff, sondern auch aus verschiedenen Metallen oder neuartigen keramischen Werkstoffen fertigen. Besonders die Luft- und Raumfahrtindustrie experimentiert mit diesem Herstellungsprozess, da sich enorm stabile Metallteile herstellen lassen, die aber leichter sind als auf herkömmlichem Wege erzeugte Teile.

Selective Laser Sintering (SLS)
Vergrößern Selective Laser Sintering (SLS)
© Nikolaus Netzer

Das Verfahren ähnelt dem des 3D-Printing, denn es basiert auf zwei nebeneinander angeordneten Kammern. Eine Kammer beherbergt das Konstruktionspulver, das eine Pulverzufuhrwalze in den Bauraum transportiert. Dort wird das 3D-Objekt hergestellt. Die Plattform im Bauraum senkt sich schrittweise bei jedem Durchlauf ab. Hier zeigt sich der wesentliche Unterschied zum 3D-Printing, denn das Konstruktionspulver wird nicht mit einem Bindemittel fixiert. Vielmehr erhitzt ein Laserstrahl unter hohen Temperaturen das Pulver, das sich dann verbindet. Über eine bewegliche Spiegeloptik lenkt das Gerät den Laserstrahl. Es entstehen Objekte, die mit konventionellen Techniken nicht herstellbar sind. Beim Sintern werden die Werkstoffe zusammengebacken, was die Herstellung von Spezialteilen für die Luft- und Raumfahrttechnik ermöglicht. Auf Grund der Fertigungsdauer eignet sich Lasersintern für Prototypen oder geringe Auflagen eines Objektes.

Stereolithography (SLA)

Stereolithography (SLA)
Vergrößern Stereolithography (SLA)
© Nikolaus Netzer

Mit diesem Herstellungsverfahren, das zu den ältesten zählt, kann man sehr feine Design- und Architekturmodelle herstellen. Auch für Kunstobjekte und Skulpturen eignet sich dieses Verfahren. Kleinere Anlagen sind schon ab 1500 Euro zu bekommen, größere kosten einige 10 000 Euro.

Der Bauraum beim stereolithographischen Verfahren ist mit flüssigem Kunstharz gefüllt, der unter Lichteinwirkung aushärtet. Auf einer absenkbaren Bauplattform, die als Gitterblech angelegt ist, entsteht schichtweise das Modell. Mit Hilfe eines Laserstrahls wird das flüssige Harz verfestigt. Schrittweise senkt sich die Bauplattform ab. Mit diesem Verfahren sind sehr dünne Schichtstärken von gerade mal 0,05 bis 0,25 mm Stärke möglich. Das Aushärten unter Lichteinwirkung wird als Photopolymerisation bezeichnet.

3D-Druck: Was Sie wissen müssen

Modellherstellung und Druck

Für den Entwurf müssen Sie sicherstellen, dass die minimal benötigten Materialstärken nicht unterschritten werden. Die technischen Daten des verwendeten 3D-Druckers sollten Sie dazu studieren.

In Cinema 4D Release 16 können Sie mit der Funktion Mesh-Prüfung die Bereiche der zu druckenden Objekte sichtbar machen, die für die Vorbereitung zum Druck Probleme bereiten.
Vergrößern In Cinema 4D Release 16 können Sie mit der Funktion Mesh-Prüfung die Bereiche der zu druckenden Objekte sichtbar machen, die für die Vorbereitung zum Druck Probleme bereiten.

Vor dem Druck müssen alle Bestandteile zu einem geschlossenen Volumen gewandelt sein. Spezialfunktionen wie Deformationen oder Strukturverformungen durch Texturen müssen Sie zu Polygonen konvertieren. Danach müssen Sie sicherstellen, dass keine doppelten Punkte, überlappende Flächen oder Löcher in der Objektoberfläche vorhanden sind. In Cinema 4D können Sie mit dem Befehl „Mesh > Optimieren“ alle doppelten Punkte entfernen. Falls Sie es ganz genau wissen wollen, ist ein Blick in den Struktur-Manager von Cinema hilfreich. Cinema 4D 16 verfügt zu diesem Zweck über eine neu eingebaute Spezialfunktion. Mit der Funktion „Mesh Prüfung“ erscheint eine tabellarische Übersicht, bei der problematische Zonen des Modells sichtbar gemacht werden. Nur absolut geschlossene Formen können als Volumen gedruckt werden.

Übrigens: Viele 3D-Drucker können keine stark unterschnittenen Formen herstellen.

Makerbot Drucker-Software

Der Vorgang wird als „Slicen“ bezeichnet. Der Anwender bekommt je nach Hersteller eine ähnliche Benutzerschnittstelle dargestellt. Auf eine virtuelle Bodenplatte platziert er ein oder mehrere Modelle. Hilfslinien zeigen das maximal mögliche Volumen des Druckers an. Die Makerbot Software bietet Zugriff auf unterschiedliche Funktionen.

Neben den Druckfunktionen können Sie auf die Makerbot-Community „Thingiverse“ zugreifen, Modelle verwalten, den Makerbot-Store erreichen oder Tutorials über 3D-Druck studieren. Fünf Symbole leiten Sie in die verschiedenen Umgebungen „Explore“, „Library“, „Prepare“, „Store“ und „Learn“. Über „Explore“ nehmen Sie Verbindung zu Tingiverse auf. Bei Thingiverse lassen sich druckbare Modelle ausstellen und anderen Anwendern zum Download zur Verfügung stellen. Im Bereich Library verwaltet der 3D-Designer eigene Kreationen, geladene Thingiverse-Modelle oder Einkäufe im Makerbot-Store. Im Bereich „Prepare“ werden die Modelle für die Ausgabe vorbereitet, Druckereinstellungen getroffen, sowie der Druckvorgang überwacht.

Im Bereich „Store“ kann der Anwender unter tausenden Profi-Modellen unterschiedlicher Preisklassen auswählen und sie der Library hinzufügen. Um die Library zu nutzen, muss ein eigener Makerbot-Account angelegt werden. Ohne diesen sind einige Funktionen des Pakets nicht nutzbar.

Photoshop 3D-Druckfunktion

Die ausgereifte Druckfunktion von Adobe Photoshop CC 2014 entspricht weitestgehend dem Standard. Mit Werkzeugen positionieren Sie das gewünschte Objekt auf der virtuellen Bauplatte.
Vergrößern Die ausgereifte Druckfunktion von Adobe Photoshop CC 2014 entspricht weitestgehend dem Standard. Mit Werkzeugen positionieren Sie das gewünschte Objekt auf der virtuellen Bauplatte.
Die 3D-Druckvorschau von Photoshop gibt einen Eindruck des zu erwartenden Ergebnisses. Alternativ können Sie das Volumen als Datei exportieren.
Vergrößern Die 3D-Druckvorschau von Photoshop gibt einen Eindruck des zu erwartenden Ergebnisses. Alternativ können Sie das Volumen als Datei exportieren.

Photoshop verfügt über einen ausgereiften Bereich zum 3D-Druck. Automtisch korrigiert Photoshop die Geometrie an fehlerhaften Stellen. Das Programm erkennt, wo die erforderlichen Stützstrukturen generiert werden müssen. Zunächst wechseln Sie per Befehl „Fenster > Arbeitsbereich > 3D“ in den 3D-Arbeitsbereich. Beim Öffnen des Modells kann die Größe definiert werden. Unter „3D > 3D Druckeinstellungen“ werden alle nötigen Parameter ausgewählt. Übrigens kann Photoshop auch Online-Dienstleister wie Shapeways und Sculpteo ansteuern. Dort erfahren Sie auch den Preis für das Modell. Für das Druckervolumen wird eine Maßeinheit ausgewählt und auf die Größe der Druckerplatte übertragen. Dann muss die Detailgenauigkeit definiert werden. Um die Größe des zu druckenden Objektes einzustellen, muss das Szenenvolumen nummerisch oder interaktiv eingestellt werden. Die Geometrie kann auch automatisch eingepasst werden. Weitere Optionen betreffen die Einbindung von Normalen- und Relief-Maps, sowie die automatische Ausgabe von Stützstrukturen für das Modell oder die Aktivierung der Bauplattenheizung. Mehrfarbiger Druck ist als „experimentelle“ Funktion gekennzeichnet.

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