Ein 3D-Drucker ist eine Maschine, die es ermöglicht, ein 3D-Modell in ein physisch greifbares Produkt umzuwandeln, indem sie eine additive Technik nutzt, die Material zuführt und es Schicht für Schicht aufbaut. Die 3D-Drucktechnik hat in den letzten Jahren enorm an Beliebtheit gewonnen, wodurch sie immer erschwinglicher und einfacher im täglichen Leben anwendbar wird. Wissenschaftler gehen davon aus, dass die Additivindustrie bis 2026 jährlich um durchschnittlich 17 % wachsen wird.
Betrieb eines 3D-Druckers
Ein FDM-3D-Drucker arbeitet in Schichten, bei denen geschmolzener Kunststoff durch einen Druckkopf mit einer Öffnung zwischen 0,2 und 1,5 mm Durchmesser aufgetragen wird . Dieses Verbrauchsmaterial wird auf 200 – 300 Grad Celsius erhitzt und durch Zahnräder gefördert. Ein 3D-Drucker besteht außerdem aus einem Bewegungssystem, das Bewegungen in X-, Y- und Z-Richtung gewährleistet. Der Antrieb dieser beweglichen Teile erfolgt überwiegend über Schrittmotoren, kann aber auch über Riemen, Linearführungen und Lager erfolgen. Darüber hinaus verfügt ein 3D-Drucker auch über einen Steuerteil, der generierte Codes in Druckbewegungen umwandelt und auch die Temperaturregelung überwacht. Die genannten generierten Codes werden in einem sogenannten Slicer erstellt, der das erstellte 3D-Modell in eine Codesprache für den 3D-Drucker, auch Gcode genannt, umwandelt.
Betrieb eines SLA 3D-Druckers
Ein SLA-3D-Drucker arbeitet mit einem flüssigen Kunstharzbad , auch Resin genannt, und mit UV-Lasern, die in Schichten zwischen 0,025 und 0,2 mm aushärten. SLA-3D-Drucker sind bekannt für ihre extrem hochwertigen 3D-Drucke und die damit erstellbaren Details. SLA-3D-Drucker arbeiten grundsätzlich mit zwei Achsen. Das flüssige Harzbad, das sich hin und her bewegt, und eine Plattform, die sich in Z-Richtung auf und ab bewegt, um eine Kunstharzschicht kontinuierlich auszuhärten. Da Harz-3D-Drucker 3D im Allgemeinen umgekehrt drucken, werden Modelle häufig verkehrt herum gedruckt. Um Fehler zu vermeiden und Kräfte auf die (meist fragilen) 3D-Drucke zu verhindern, installieren viele Anbieter Kippmechanismen am 3D-Drucker. Um eine neue Ebene in 3D zu drucken, werden die folgenden Bewegungen in chronologischer Reihenfolge ausgeführt:
- Plattform versinkt im flüssigen Harz
- UV-Laser härten eine zwischen 0,025 und 0,2 mm dicke Harzschicht aus
- Wenn die Schicht ausgehärtet ist, erhebt sich die Plattform aus dem flüssigen Harz
- Ein Schieber fegt eine frische Schicht flüssigen Harzes unter die Plattform
- Für die nächste Schicht versinkt die Plattform wieder im flüssigen Harz
Dies wird wiederholt, bis der 3D-Druck fertig ist.
Betrieb eines SLS 3D-Druckers
Ein SLS-3D-Drucker basiert auf einem Behälter voller Nylonpulver, das mittels Laser bei hoher Temperatur gehärtet wird und eine Dicke zwischen 0,1 und 0,3 mm aufweist . Beim SLS-3D-Druck ist kein Trägermaterial erforderlich, da das Pulver die Grundlage dafür darstellt. Sämtliches Pulver, das beim 3D-Druck nicht ausgehärtet ist, kann im nächsten Druckauftrag weitgehend wiederverwendet werden. Der SLS-3D-Druck funktioniert im Pulverbett, wo er durch Hochtemperaturlaser Schicht für Schicht aufgebaut wird. Bei jeder Schicht wird eine neue Pulverschicht auf den Druck aufgetragen, wodurch Objekte mit großer Formfreiheit geschaffen werden können. SLS arbeitet hauptsächlich mit Nylonpulver (PA11 und PA12), das sich durch seine Festigkeit, Flexibilität und Schlagfestigkeit auszeichnet.
Teile eines 3D-Druckers
Ein 3D-Drucker besteht im Wesentlichen aus folgenden Teilen:
- Ein (beheiztes) Druckbett
- Ein Druckkopf bestehend aus Druckmund, Heizelement und Temperaturmessung
- Ein Versorgungssystem für Druckmaterial, auch Filament genannt
- Bewegungssystem in X-, Y- und Z-Richtung inklusive Schrittmotoren
- Eine Steuerplatine, die Bewegungen und Temperaturen reguliert
- Eine Sonde, um den Abstand zwischen Druckkopf und Druckbett zu messen
- Endpositionsanzeigen zur Anzeige des maximalen Druckvolumens
- Ein Filamentsensor, der anzeigt, wann das Material aufgebraucht ist
- Ein Netzteil, das den Druckkopf, die Steuerplatine und das Druckbett mit Strom versorgt
Bei diesen Teilen wird sich zwischen den verschiedenen Anbietern von 3D-Druckern nicht viel ändern, sie können sich jedoch in der Qualität stark unterscheiden. Auch die Methode des 3D-Drucks kann unterschiedlich sein, wodurch sich auch das oben Gesagte ändert.
Verschiedene 3D-Drucker
Auf dem aktuellen Markt gibt es viele verschiedene 3D-Drucker. Der größte Teil besteht aus:
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FDM-3D-Drucker, bestehend aus kartesischen, coreXY- und Delta-3D-Druckern
- Funktioniert mit erhitztem Kunststoff und wird durch Gcode gesteuert
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SLA-3D-Drucker
- Funktioniert mit flüssigem Kunstharz , das mittels UV-Lasern ausgehärtet wird
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SLS-3D-Drucker
- Funktioniert mit Pulver, das durch Laser gehärtet wird und ohne Träger gedruckt werden kann
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DLP-3D-Drucker
- Funktioniert fast genauso wie SLA-3D-Drucker, verwendet jedoch kein UV-Licht, sondern einen Lichtprojektor
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Bindemittelstrahlen
- Funktioniert mittels eines Bindemittels, das zwischen verschiedenen Rohstoffen, häufig Sand oder Keramik, eingesetzt werden kann.