3D-Drucker: Funktionsweise, Entstehung und Anwendungsgebiete – Ein Exkurs in die Welt des 3-dimensionalen Druckens

Um optimal mit Ihrem 3D-Drucker arbeiten zu können, ist es sinnvoll, dessen Funktionsweise zu verstehen.
Um optimal mit Ihrem 3D-Drucker arbeiten zu können, ist es sinnvoll, dessen Funktionsweise zu verstehen. © 130581682 - pressmaster, depositphotos.com

3D-Drucker stellen in der Geschichte der Drucker die jüngste Entwicklungsstufe dar und galten noch bis vor einigen Jahren als reine Zukunftsmusik. Heutzutage findet sich dieses Druckverfahren hauptsächlich in der Industrie wieder und konnte sich durch die teils sehr hohen Kosten noch nicht vollständig im privaten Gebrauch durchsetzen wie beispielsweise Tintenstrahldrucker oder Laserdrucker. Dennoch interessieren sich viele Verbraucher für die Funktionsweise dieser Geräte, weshalb wir Ihnen im Folgenden eine kleine Einführung in das Thema bieten möchten, um zu erklären, wie der 3D-Druck funktioniert.

Geschichtlicher Umriss der 3D-Drucker

Auch wenn 3D-Drucker erst relativ kürzlich den Weg in die moderne Druckerbranche gefunden haben, ist die Entwicklung nicht ganz so neu, wie vielleicht anzunehmen. Bereits in den 1980er Jahren wurden derlei Geräte in der Flugzeug- und Automobilindustrie verwendet, indem benötigte Bauteile aus Filament mithilfe dieser Drucker hergestellt wurden. Vor allem bezüglich der Größe hat sich mit den Jahren einiges getan.

Mit Geräten für den Heimgebrauch konnte sich zunächst die Firma Solidoodle einen Namen machen. Die relativ kleinen 3-Drucker konnten folglich auch nur entsprechend große Ergebnisse liefern und kosteten dazumal etwa so viel wie ein hochklassiger Tintenstrahldrucker. Zudem gab es diverse Erweiterungen, mit welchen die 3D-Drucker zusätzlich ausgestattet werden konnten. Die meisten hochwertigen Geräte blieben jedoch weiterhin häufig zu teuer für den privaten Gebrauch und auch heute haben 3D-Drucker noch einen recht hohen Preis und lohnen sich daher eher für gewerbliche Zwecke.

3D-Drucker: Funktionsweise und Anwendung

3D-Drucker sind im eigentlichen Sinne keine Drucker, da sie aus verschiedensten Materialien 3-dimensionale Vorlagen erstellen bzw. konstruieren. Das heißt, Sie drucken nicht auf ein bestimmtes Material, sondern der 3D-Drucker fertigt ein Modell oder einen Gegenstand anhand einer Vorlage an, welche Sie zuvor an Ihrem PC erstellt haben. Für diese Vorlagen wird eine CAD-Software benötigt, die Sie auch als kostenlosen Download im Internet finden. Auch Apps für Ihr Smartphone oder Tablet stehen häufig zur Verfügung.

Des Weiteren besteht bei einigen Geräten die Möglichkeit, eine 2-dimensionale Vorlage mithilfe eines Scanners zum Druck zu übermitteln. Dafür muss der Entwurf zunächst vollständig gescannt und die benötigten Daten verarbeitet werden, bevor das 3-dimensionale Objekt gedruckt werden kann.

3D-Drucker und die verschiedenen Druckverfahren

Wie bei den anderen Druckerarten wie Laserdruckern oder Tintenstrahldruckern gibt es auch bei 3D-Druckern verschiedene Druckverfahren, die zum Einsatz kommen und für die unterschiedlichen Anwendungen besonders geeignet sind. Dabei werden nicht nur andere Techniken, sondern auch verschiedene Materialien verwendet, die sich für den jeweiligen Einsatz am ehesten eignen.

Die Verwendung von Kunststoff als Material für die zu erstellenden Objekte ist beim 3D-Druck weit verbreitet, weshalb es diesen auf Rollen zu kaufen gibt.
Die Verwendung von Kunststoff als Material für die zu erstellenden Objekte ist beim 3D-Druck weit verbreitet, weshalb es diesen auf Rollen zu kaufen gibt. © 75098987 – 8vfanDP, depositphotos.com

Die Stereolithografie

Die Stereolithografie gehört zu den ältesten Verfahren im 3D-Druck und beschreibt eine Technik, bei welcher eine dünne, formbare Schicht, bestehend aus Kunstharz, in ein Becken gegossen wird. Im Anschluss belichtet ein UV-Laser diese Schicht, um sie zu härten. Ist dies geschehen, wird die nächste Schicht aufgetragen, bis das Modell vollständig geformt wurde. Die Schichten sind dabei so dünn, dass besonders glatte und feine Strukturen entstehen können.

Das selektive Lasersintern

Beim selektiven Lasersintern wird Pulver aus diversen Materialien wie Kunststoff, Metall oder Keramik für das Modeling der Vorlagen genutzt. Auch diese werden in Schichten auf eine Arbeitsplatte aufgetragen und anschließend via Roller- oder Rakelmechanismus mithilfe eines Lasers so miteinander verschmolzen, dass sie die Vorlage als 3-dimensionales Modell ergeben.

Fused Deposition Modeling (Schmelzschichtung)

Das Fused Deposition Modeling-Verfahren, zu Deutsch Schmelzschichtung, wird auch als Fused Filament Fabrication bezeichnet und beschreibt eine Technik, bei welcher ein Modell oder Objekt mittels schmelzfähigem Kunststoff oder Metall hergestellt bzw. „gedruckt“ wird. Der „Druckstoff“ gelangt dabei durch beheizte Düsen, welche das Material schmelzen, sodass es im Anschluss in millimeterdünnen Schichten auf die Bauplatte aufgetragen wird, um so die Modelle zu formen, welche als Vorlage zuvor am PC erstellt wurden. Diese trocknen danach an der Luft und härten entsprechend aus.

Laminated Object Manufacturing

3D-Drucker, die mit Laminated Object Manufacturing arbeiten, erstellen Modelle mithilfe von Papier oder Kunststoff. Dabei werden die Materialien Schicht für Schicht aneinandergeklebt und die Konturen anschließend mithilfe eines entsprechenden Schneidewerkzeugs wie einem Laser oder Messer zurechtgeschnitten. So können glatte und auch sehr filigrane Kanten ausgearbeitet werden.

3D-Drucker: Funktionsweise und Funktionalität

Tatsächlich gibt es verschiedene Verfahren, die beim 3D-Drucker angewandt werden, doch sollte festgehalten werden, dass diese trotz unterschiedlicher Technik relativ ähnlich arbeiten. Das bedeutet, dass in den meisten Fällen das Modeling schichtweise erfolgt. Diese Schichten werden mithilfe der unterschiedlichen Verfahrensweisen auf eine Arbeitsplatte aufgetragen. Dabei ist der Einsatz von Hitze abhängig von der jeweiligen Technologie. Je nach Größe und Komplexität der Vorlage und des zu druckenden Objekts kann der Druckvorgang sogar mehrere Stunden in Anspruch nehmen. Dabei hängt die Detailgenauigkeit auch von der verwendeten Drucktechnik sowie dem Ausgangsmaterial ab.

In der Industrie wird mittlerweile auch vielfach mit dem 3D-Druck aus Metall gearbeitet.
In der Industrie wird mittlerweile auch vielfach mit dem 3D-Druck aus Metall gearbeitet. © 116149604 – spopov, depositphotos.com

Es ist beim Druck nicht möglich, dass Modelle ohne Bodenkontakt erstellt werden. Das bedeutet, dass Sie eventuell einige Nacharbeit in Kauf nehmen müssen, um vorhandene Stützen oder ähnliches vom fertigen Objekt zu entfernen. Es gibt aber bereits innovative und hochwertige Drucker, die diesen Arbeitsschritt für Sie übernehmen.

3D-Drucker und Kosten

Wie eingangs bereits erwähnt, sind 3D-Drucker teilweise recht preisintensiv und finden daher auch weiterhin hauptsächlich in der Industrie Anwendung. Denn auch ein Einsteigergerät kostet mitunter zwischen 600 und 800 Euro. Bei besonders hochwertigen und für die Industrie bestimmten Druckern können hingegen schnell Anschaffungspreise bis 4.000 Euro auf Sie zukommen. Dabei sind Folgekosten für Materialien wie Filament, Pulver oder speziellen Kunststoff sowie die Wartung noch nicht mit einberechnet. Selbstverständlich gibt es auch wesentlich preisintensivere Modelle, die entsprechend mehr Features bieten. Informieren Sie sich daher im Vorfeld, welche Ansprüche der gewünschte Drucker erfüllen muss und behalten Sie ebenfalls Ihr persönliches Budget im Blick.

3D-Drucker: Einsatzgebiete und Anwendungsbereiche

Wie bereits seit den Anfängen der 3D-Drucktechnik werden 3D-Drucker auch weiterhin für das Erstellen von diversen Werkstücken für die Automobil- und Flugzeugindustrie genutzt. Auch Maschinenteile wurden und werden mithilfe dieser Technik produziert. Mittlerweile finden Sie auch erschwingliche 3D-Drucker für den Privatgebrauch und können sich so Figuren und andere Kleinigkeiten „drucken“. Besonderes Augenmerk wird weiterhin aber auf industrielle Anwendungsbereiche wie oben genannte, aber auch den medizinischen Sektor in Bezug auf diverse Geräte und Einzelteile gelegt. Selbst neue 3D-Drucker bzw. einzelne Bauteile für diese können heutzutage mit einem solchen hergestellt werden, sodass sie folglich nur noch zusammengesetzt werden müssen. Die Weiterentwicklung auf diesem Gebiet zeigt, dass den Möglichkeiten in Zukunft kaum noch Grenzen gesetzt sind, sodass selbst Lebensmittel wie beispielsweise Nudeln mit einem 3D-Drucker angefertigt werden.

Verbrauchsmaterial für 3D-Drucker

So wie Tintenstrahldrucker Druckertinte und Laserdrucker Tonerpulver als Verbrauchsmaterial nutzen, verwenden die meisten modernen 3D-Drucker Kunststoff zum Anfertigen der Modelle. Dieser ist wie Draht auf Rollen aufgewickelt und so im Handel erhältlich. Weitere Verbrauchsmaterialien sind Papier, Gummi, Metall, Gips oder Sand. Dies hängt sowohl vom Gerät, dem Anwendungsgebiet als auch der Technologie ab. Selbst Lebensmittel wie Nudeln, Kekse oder Pizza werden „gedruckt“, auch wenn diese Sparte der 3D-Drucktechnik noch in den Kinderschuhen steckt. In der Medizin werden nicht nur einzelne Bauteile für diverse Geräte entwickelt, sondern es wird mittlerweile auch daran geforscht, Organe aus Stammzellen zu „drucken“.

Die Weiterentwicklung der 3D-Drucker-Funktionsweise macht auch vor dem „Druck“ von Organen nicht Halt.
Die Weiterentwicklung der 3D-Drucker-Funktionsweise macht auch vor dem „Druck“ von Organen nicht Halt. © 77623312 – destinacigdem, depositphotos.com

Auch die Modebranche hat den 3D-Druck für sich entdeckt und fertigt so sogar Kleidungsstücke aus Kunststoff, Latex oder Baumwolle an. Dies zeigt außerdem, dass Sie mit 3D-Druckern viele unterschiedliche Materialien bearbeiten können. Dabei kommt es wie bei allen anderen Druckerarten wie Laserdruckern oder Tintenstrahldruckern darauf an, welche Materialien der einzelne Drucker verarbeiten kann. Denn auch beim 3D-Druck gibt es diesbezüglich erhebliche Unterschiede, die es zu beachten gilt. Informationen dazu finden Sie wie üblich im Handbuch Ihres Geräts oder auf der Hersteller-Webseite.

3D-Drucker: Vor- und Nachteile

Die Entscheidung für einen 3D-Drucker sollte wohlüberlegt sein, weshalb wir Ihnen in diesem Abschnitt die Vor- und Nachteile dieser Geräte anhand einer kleinen Tabelle aufzeigen möchten.

Vorteile Nachteile
  • Möglichkeit, Gegenstände nahezu jeglicher Art und sogar Lebensmittel herzustellen
  • Verschiedene Materialien einsetzbar
  • Detailgetreue „Ausdrucke“ Ihrer Vorlagen
  • Möglichkeit, Vorlagen individuell anzupassen
  • Möglichkeit zur Reproduktion
  • Hohe Kosten für Anschaffung und Verbrauchsmaterialien
  • Noch begrenzte Auswahl an verwendbaren Materialien
  • Auflösung und Detailreichtum kann unter Umständen stark von Ihrer Vorlage abweichen; je nach Qualität und Möglichkeiten Ihres 3D-Druckers
  • Je nach Größe und Komplexität des zu druckenden Modells, kann der Druck mehrere Stunden in Anspruch nehmen

Haben Sie aber den passenden 3D-Drucker für Ihre Bedürfnisse gefunden, kann dieser Ihnen viele manuelle Arbeitsschritte abnehmen und Sie entlasten.

Die Funktionsweise von 3D-Druckern: Ein Fazit

Auch wenn 3D-Drucker teilweise noch als Nischenprodukt gelten und im Heimgebrauch eher selten anzutreffen sind, sind sie doch aus der Industrie kaum mehr wegzudenken. Sie übernehmen diverse Arbeitsschritte selbstständig, sodass die mit diesen Geräten hergestellten Bauteile für Flugzeuge oder Automobile zum Beispiel nur noch zusammengesetzt werden müssen. Sogar in der Lebensmittelbranche wird mittlerweile mit 3D-Druckern gearbeitet. Die Weiterentwicklung auf diesem Gebiet schreitet stetig voran, sodass den Möglichkeiten in Zukunft kaum mehr Grenzen gesetzt sein werden. So wird auch die Forschung zum „Druck“ von Organen aus Stammzellen weiter vorangetrieben.

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