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3D-Basics Die wichtigsten 3D-Druckverfahren in einer Übersicht

Redakteur: Stefan Guggenberger

Der 3D-Druck bietet heute eine Vielzahl unterschiedlicher Verfahren. Hier finden Sie eine Übersicht der wichtigsten 3D-Druckverfahren, deren Unterschiede und Anwendungsgebiete. Mit dabei sind: FDM, SLS, SLM und Material Jetting.

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FDM-3D-Drucker wie dieses Modell von Ultimaker haben dem 3D-Druck zu großer Popularität verholfen. Mittlerweile gibt es aber eine Vielzahl von 3D-Druckverfahren, die sowohl in der Industrie als auch im Hobbybereich eingesetzt werden.
FDM-3D-Drucker wie dieses Modell von Ultimaker haben dem 3D-Druck zu großer Popularität verholfen. Mittlerweile gibt es aber eine Vielzahl von 3D-Druckverfahren, die sowohl in der Industrie als auch im Hobbybereich eingesetzt werden.
(Bild: gemeinfrei // unsplash)

Bei 3D-Druckverfahren denken wohl viele an den klassischen FDM-Druck. Dabei wird das Druckmaterial von einer Spule abgewickelt, im Extruder erhitzt und dann Schicht für Schicht aufgetragen. Mittlerweile gibt es jedoch eine Vielzahl an 3D-Druckverfahren, die bis auf das Schichtbauprinzip wenig mit dem FDM-3D-Druck gemein haben. Verfahren wie das Selektive Laserschmelzen (SLS) oder Multi Jet Fusion (MJF) werden hauptsächlich für professionelle Anwendungen herangezogen und eröffnen der fertigenden Industrie völlig neue Anwendungsgebiete. In diesem Artikel finden Sie eine Übersicht der aktuell wichtigsten 3D-Druckverfahren, wofür diese genutzt werden und welche Unterschiede es zwischen den Technologien gibt.

Pulver, Filament oder Flüssigkeit? – Das Material ist entscheidend

Wir unterscheiden die vorgestellten 3D-Druckverfahren nach der Beschaffenheit des Materials. Dabei lassen sich die meisten Werkstoffe in folgende drei Kategorien einordnen:

  • 1. Pulverförmiges Material
  • 2. Filamente (auf Spulen)
  • 3. Flüssiges Material

Die Beschaffenheit des Materials ist oft maßgeblich für das Anwendungsgebiet. So sind pulverförmige Materialien für präzise Bauteile geeignet, die gleichzeitig hohen Belastungen standhalten müssen. Das feine Pulver wird dann beispielsweise durch Laser exakt und dicht verschmolzen. Filamente, welche sich häufig auf Spulen befinden, können hingegen schnell und einfach verarbeitet werden, was sie für den Prototypenbau oder für Teile mit größeren Toleranzen prädestiniert. Flüssige Materialien, zum Beispiel Harze, können zur Herstellung hochkomplexer und exakter Bauteile genutzt, welche nicht stark belastet werden müssen.

Polymer- und Metalldruckverfahren in der Industrie

Bei industriellen Anwendungen wird 3D-Druck zumeist als additive Fertigung bezeichnet. Bisher konnten sich in der Industrie vor allem Techniken zur additiven Herstellung von Polymer- und Metallbauteilen etablieren. Im Schatten von Polymer- und Metalldruck fassen mittlerweile aber auch Verfahren zum 3D-Druck von Sand, Glas, Beton und Keramik Fuß.

1. 3D-Druckverfahren mit Pulver

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Beim Selektiven Laserschmelzen (SLM) werden Objekte aus Metall mithilfe von Hochleistungs-Laserstrahlen schichtweise aufgebaut. Im Laserfokus wird das Metallpulver bei Temperaturen über 1.000 Grad zu einer hochdichten Struktur verschmolzen. Nachdem eine Schicht geschmolzen wurde, muss diese aushärten. Danach wird die Grundplatte abgesenkt und eine neue Schicht wird aufgetragen. Dieser Prozess wiederholt sich, bis das Werkstück vollständig ist. Da ein stoffdichter Zusammenhalt zwischen und innerhalb der einzelnen Schichten entsteht, wird das Selektive Laserschmelzen auch als Mikroschweißprozess bezeichnet.

Selektives Lasersintern (SLS)

Selektives Lasersintern (SLS) ist ein Pulverbettverfahren, das für die Herstellung von Prototypen und von fertigen Bauteilen eingesetzt wird. Eine dünne Schicht Kunststoff- oder Metallpulver wird von einem Laser selektiv geschmolzen. Die Teile werden Schicht um Schicht im Pulverbett aufgebaut. Beim Lasersintern weißen die Bauteile aufgrund der partiellen Partikelverbindungen eine größere Porosität auf als beim SLM-Verfahren. Dafür ist Lasersintern in der Regel schneller als Laserschmelzen, weil die einzelnen Partikel nicht vollständig aufgeschmolzen werden, sondern nur soweit erhitzt, dass sich die Partikel partiell verbinden.

So funktioniert eine SLS-Anlage:

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Ein ebenfalls pulverbasierter Prozess im Bereich der additiven Fertigung ist das Elektronenstrahlschmelzen oder Electro Beam Melting (EBM). Der Unterschied zu laserbasierten Verfahren steckt in dem namensgebenden Elektronenstrahl. Dieser benötigt ein Vakuum, weshalb der Bauraum vollständig abgedichtet werden muss. Der Elektronenstrahl kann auch geteilt werden, wodurch das Pulver an mehreren Stellen geschmolzen wird. Dies stellt einen Vorteil der Produktionsgeschwindigkeit dar, allerdings einen Nachteil für die Produktion von feineren Strukturen, da ein Elektronenstrahl breiter als ein Laser ist.

Binder Jetting (BJ)

Inkjet-Druckköpfe (Tintenstrahl-Druckköpfe) tragen einen flüssigen Kleber auf dünne Pulverschichten auf und verbinden diese so. Die Bauplattform wird abgesenkt und die nächste Schicht Pulver darauf geklebt. So entstehen die Bauteile im Pulverbett. Binder Jetting funktioniert mit fast jedem Material, das in Pulverform vorliegt. Um die volle Festigkeit zu erreichen, ist nach dem Drucken ein Sinterdurchgang notwendig.

HP Multi Jet Fusion (MJF)

Wie der Name schon sagt, wurde Multi Jet Fusion (MJF) vom US-Unternehmen HP entwickelt und wird bisher auch nur von HP und dessen Partnern eingesetzt. Bei MJF handelt es sich um ein pulverbasiertes 3D-Druckverfahren, das zur Fertigung präziser Bauteile mit hoher Dichte und Oberflächengüte geeignet ist. Dabei bringt ein Druckkopf eine wärmeleitende Flüssigkeit (Fusing Agent) auf die oberste Pulverschicht auf. Direkt danach kommt Infrarotlicht als Hitzequelle zum Einsatz. Die Bereiche, auf welche der Fusing Agent aufgetragen wurde, werden stärker erhitzt als das Pulver ohne die Flüssigkeit. Dadurch werden die vorher festgelegten Bereiche dicht verschmolzen. Um zu verhindern, dass die Pulverpartikel über den vorgesehenen Bereich hinaus miteinander verschmelzen, wird um die Kontur des Bauteils zeitgleich eine wärmehemmende Flüssigkeit (Detailing Agent) aufgetragen.

2. 3D-Druckverfahren mit Filamenten

Fused Depostition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling (auch Filament-3D-Druck oder Fused Filament Fabrication (FFF)) ist ein besonders im Hobbybereich beliebtes Druckverfahren. Aber auch für industrielle Anwendungen wird Fused Desposition Modeling vor allem für Rapid Prototyping, also dem schnellen Bau von Prototypen, eingesetzt. Beim FDM wird Kunststoff in geschmolzener Form schichtweise auf einer Bauplattform aufgetragen. Hauptsächlich kommen Kunststoffe (PLA, ABS) zum Einsatz Für Endbauteile liefert dieser Filamentdruck jedoch oft nicht die benötigten Eigenschaften (geringe Komplexität, Genauigkeit und Festigkeit).

Hier sehen Sie wie FDM funktioniert

3. 3D-Druckverfahren mit flüssigen Materialien

Stereolithographie (SLA oder STL)

Stereolithographie wurde 1986 von Charles (Chuk) Hull patentiert und wird weithin als das erste Verfahren im Bereich Additive Fertigung anerkannt. Ein mit flüssigem Photopolymer (ein Harz) gefülltes Becken dient als Ausgangsbasis des SLA-Verfahrens. Mittels eines UV-Lasers wird das photosensitive Material an den definierten Stellen ausgehärtet. Ist eine Schicht fertig, wird die Plattform entsprechend in der Flüssigkeit heruntergefahren, und der Prozess beginnt von vorn. Da sich das gesamte Werkstück während des Fertigungsprozesses in einem Flüssigkeitsbad befindet, sind meistens Stützstrukturen notwendig. Die Stützen ermöglichen es, komplexe Geometrien mit hoher Präzision zu fertigen, ohne dass Überhänge in der Flüssigkeit absinken.

So entsteht ein Objekt in einem SLA-Drucker

Digital Light Processing (DLP)

Bei dem 3D-Druckverfahren Digital Light Processing wird ein Projektor verwendet, der Photopolymer-Harze erhärtet. Grundsätzlich ähnelt dieses Vorgehen dem SLA-Verfahren. Die beiden Technologien unterscheiden sich aber darin, dass bei DLP anstatt eines UV-Lasers eine Dunkelkammerleuchte zum Erhärten des Photopolymerharzes eingesetzt wird. Wie auch beim SLA-Verfahren werden die Objekte entweder aus dem Harz herausgezogen, um so Platz für das nicht erhärtete Harz am Boden des Bauraums zu schaffen, oder sie werden am Grund des Behälters gedruckt, wobei die nächsten Schicht nach oben aufgetragen wird. Mit dem DLP-Verfahren können präzise Schichten erzeugt werden, die deutlich weniger Stufen aufweisen als beim FDM-3D-Druck. Im Vergleich zum SLA-Druck können Objekte mit Digital Light Processing zumeist schneller aufgebaut werden.

Weitere 3D-Druckverfahren

Neben den weitverbreiteten 3D-Druckverfahren gibt es auch Technologien, die relativ neu sind, eine spezifische Nische besetzen oder nicht in die üblichen Kategorien eingeordnet werden können. Dazu zählen hybride Fertigungsverfahren, die sowohl 3D-Druck als auch herkömmliche Fertigungsmethoden nutzen. Im Weiteren stellen Anwendungen im Bereich des Bioprintings oft ein eigenes Herstellungsverfahren dar. 3D-Bioprintingverfahren orientieren sich zwar häufig an bekannten Industrieverfahren, müssen für den 3D-Druck von menschlichem Gewebe aber stark modifiziert werden.

Metall-Pulver-Auftrag-Verfahren (MPA)

Beim MPA-Verfahren werden die Partikel auf Ultraschallgeschwindigkeit beschleunigt. Durch den Aufprall entsteht dann eine dichte Materialverbindung.
Beim MPA-Verfahren werden die Partikel auf Ultraschallgeschwindigkeit beschleunigt. Durch den Aufprall entsteht dann eine dichte Materialverbindung.
(Bild: Hermle)

Das MPA-Verfahren wurde vom deutschen Maschinenbauer Hermle entwickelt. MPA unterscheidet sich durch eine Besonderheit von anderen Pulverbettverfahren: Es verzichtet auf eine Energiequelle wie einen Elektronenstrahl oder einen Laser. Bei MPA beschleunigt ein Trägergas die Pulverpartikel auf Überschallgeschwindigkeit, wodurch diese plastische verformt werden. Die Partikel werden durch die Wärme und den hohen Druck beim Aufprall auf die beschossene Oberfläche verbunden, daher wird MPA den thermischen Spritzverfahren zugeordnet. Mit dem Verfahren lassen sich aktuell Aufbauraten von mehr als 900 cm³/h ermöglichen. Aufgrund der hohen Aufbauraten und der dichten Materialverbindung eignet sich MPA für die Fertigung massiver Metallbauteile aus Stahl oder Kupfer. MPA ist als Hybridverfahren zu bezeichnen, weil die additiv aufgetragenen Partikel auf ein Substrat aufgebracht werden, das in der Regel nicht 3D-gedruckt wurde.

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)

Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM) ist eine Prozesstechnologie, bei der Schall verwendet wird, um Metallschichten zu verschmelzen, die aus strukturlosem Folienmaterial gezogen werden. Das Verfahren erzeugt echte metallurgische Verbindungen mit voller Dichte und funktioniert mit einer Vielzahl von Metallen. UAM kann mit relativ niedrigen Prozesstemperaturen umgesetzt werden. Bei Aluminium liegen die Spitzentemperaturen bei etwa 120 Grad Celsius und bei anderen Metallen liegt die Verbindungstemperatur deutlich unter der Schmelztemperatur.

So funktioniert UAM in der Praxis:

3D-Betondruck

Der 3D-Druck von Beton ist eine relativ neue Verfahrenstechnologie. Erst im Jahr 2020 gelang es einem Bauunternehmen alle behördlichen Genehmigungen für eine 3D-gedrucktes Wohnhaus in Deutschland einzuholen. Damit 3D-Betondrucker große Konstruktionen wie Häuser erzeugen können, brauchen sie selbst entsprechende Maße. Der Bod2 3D-Betondrucker von Cobod ist beispielsweise 5 x 5 x 5 Meter groß. Das Baumaterial wird über einen Druckkopf aufgetragen, der meist über eine integrierte Pumpe und ein Reservoir verfügt. Das eigentliche Material wird in der Regel in einem Silo angemischt und fortwährend zum Druckkopf gepumpt. Der Druckkopf bewegt sich dann entlang der Achsen und extrudiert das Baumaterial.

Im Vergleich zu herkömmlichen Bauverfahren bietet der 3D-Betondruck deutlich größere Freiheiten bei der Konstruktion. Mit 3D-Betondruck soll es auch möglich sein, eine bessere Energieeffizienz beziehungsweise Wärmedämmung zu erreichen. Außerdem werben Hersteller und Bauunternehmen damit, dass 3D-gedruckte Häuser schneller und günstiger errichtet werden können. Da in der Praxis bisher nur wenige Projekte umgesetzt wurden, lässt sich zu den Punkten Kosten- und Zeitersparnis noch keine Aussage treffen.

Hier sehen Sie Aufbau und Funktionsweise eines 3D-Betondruckers

Bioprinting

Bioprinting ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem Biomaterialien wie Zellen und Wachstumsfaktoren kombiniert werden, um gewebeähnliche Strukturen zu schaffen, die natürliche Gewebe imitieren. Bei diesem Verfahren wird ein als Bioink bekanntes Material verwendet, um Strukturen Schicht für Schicht zu erzeugen. Die Technik ist in den Bereichen Medizin und Biotechnik weithin anwendbar. In letzter Zeit hat die Technologie sogar Fortschritte bei der Herstellung von Knorpelgewebe für den Einsatz bei der Rekonstruktion und Regeneration gemacht. Im Wesentlichen funktioniert das Bioprinting ähnlich wie herkömmliche 3D-Druckverfahren. Ein digitales Modell wird Schicht für Schicht zu einem physischen 3D-Objekt. In diesem Fall wird jedoch anstelle von Polymer oder Metall eine lebende Zellsuspension verwendet.

Forschern ist es gelungen ein menschliches Herz per Bioprinting herzustellen

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