3D-Druckverfahren

Welche 3D Drucker Arten gibt es für den Heimgebrauch?

Als erstes gibt es das bekannte FDM Verfahren, bei dem mittels eines Plastikfadens, auch Filament genannt, das Druckobjekt entsteht. Das funktioniert ganz einfach. Meist ist dieses Filament auf Spulen gewickelt, die am Außengehäuse oder Innen befestigt werden. Der Filament-Faden wird dann in den Extruder gesteckt und vom 3D Drucker weiterverarbeitet.

Neben dem FDM Verfahren gibt es noch das STL Verfahren für den Heimgebrauch. Das klingt etwas mehr nach Science-Fiction und hat tatsächlich etwas damit zu tun. Die Entwickler des STL-Verfahrens haben die Idee aus dem Film Terminator 2 erhalten. Die Scene, in der ein Terminator aus flüssigem Stahl entsteht, war die Geburtsstunde für STL-Drucker.

3D DruckerDas Prinzip funktioniert wie folgt: Der 3D Drucker besitzt einen Tank in dem flüssiger Harz hineingefüllt wird. Dieser Harz ist UV-Sensitiv, also erhärtet dieser bei Kontakt mit Tageslicht. Das erfolgt nicht von einer Sekunde auf die andere, sondern langsam. Dabei entstehen Kristale, die ähnlich wie bei langsam einfrierenden Wasser, immer größer werden.

Mittels eines Lasers oder Beamers wird das entstehende Druckobjekt, Schicht für Schicht mit UV-Licht erhärtet. Das Druckobjekt steht dabei über Kopf, da es immer wieder in den flüssigen Harz eingetaucht werden muss.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Rapid Prototyping Verfahren, das 1990 durch die US-amerikanische Firma Stratasys entwickelt und kommerzialisiert wurde. Erfinder des Verfahrens ist Scott Crump. Inzwischen ist FDM das am weitesten verbreitete Verfahren bei 3D Druckern für den privaten Gebrauch. Grund hierfür sind vor allem die vergleichsweise geringen Materialkosten. Insgesamt ist FDM aber auch ein relativ langsamer Prozess. Da der Begriff Fused Deposition Modeling patentrechtlich geschützt ist, wurde alternativ durch Community des RepRap Projekts die Bezeichnung Fused Filament Fabrication (FFF) geprägt, die das gleiche Verfahren beschreibt.

Erhitzte Kunststoffdrähte als Grundlage

Intuitiv lässt sich das Verfahren als Zeichnen mit einer hochpräzisen Heißklebepistole beschreiben. Während des Druckvorgangs wird ein drahtförmiger Kunststofffaden durch den Extruder an ein Heizelement geführt und knapp über den Verflüssigungspunkt erhitzt. Die Temperaturen hierfür liegen je nach Material zwischen 170°C und 240°C. Das erhitzte Material gelangt über die Düse mit einem feineren Durchmesser an die Oberfläche und wird an der aktuellen Position des Druckkopfes platziert. Anschließend verhärtet sich der Kunststoff und bindet sich an die bereits vorhandene Struktur. Auf diese Weise wird Schritt für Schritt das Objekt auf der vorhandenen Plattform gefertigt.

Schichtweise Fertigung

Die Objekte werden durch den Drucker schichtweise gefertigt. Hierfür wird zunächst eine Software benötigt, die das 3D Modell des Objekts in parallele Schichten aufteilt und die Pfade bestimmt, die in jeder Schicht durch den Druckkopf durchlaufen werden. Die Planung der durchlaufenen Bahnen vor Beginn ist notwendig, um sicherzustellen, dass alle Positionen des Modells erreicht werden können und kein Material in der Luft platziert wird. Wurden die Schichten für das zu druckende Objekt bestimmt, kann der Druckvorgang beginnen. Für jede Schicht platziert der Druckkopf das Material an den vorgegebenen x- und y- Positionen anhand der ermittelten Bahn und bewegt sich anschließend weiter zur nächsten Schicht durch einen Schritt in z-Richtung. Die x- y- und z- Koordinaten des Druckkopfes relativ zur Plattform werden meistens durch Schritt- oder Servomotoren bestimmt. Je nach Modell wird entweder der Druckkopf oder die Plattform bewegt.

Stützobjekte

Schwierigkeiten entstehen mit dem FDM Verfahren bei der Fertigung von überstehenden Kanten und Schrägen mit scharfen Winkeln. In diesen Fällen werden Stützobjekte benötigt, auf denen das Material des eigentlichen Objekts platziert wird. Stützobjekte bestehen aus anderen Materialien als das eigentliche Objekt und werden nach Abschluss des Druckvorgangs entweder mechanisch entfernt oder in spezieller Flüssigkeit aufgelöst, sodass das ursprüngliche Objekt zurückbleibt. Verfügt der 3D Drucker über zwei Heizdüsen mit unterschiedlichen Drahtrollen, kann die eine Düse für die Fertigung der Stützobjekte und die andere für die Fertigung des eigentlichen Bauteils verwendet werden. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die Wahl der richtigen Orientierung vor dem Druck. Hierdurch kann die Anzahl an überstehenden Kanten reduziert werden.

Fused Deposition Modeling Materialien

Als Material für FDM werden meistens Kunststoffdrähte verwendet, die auf einer Spule aufgerollt sind. Übliche Materialien sind Polyactide (PLA) und Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Davon ist ABS für den privaten Gebrauch weniger zu empfehlen, da es beim Aufheizen Gase freisetzt. Zusätzlich ist PLA biologisch abbaubar. Ein beliebtes Material für Stützobjekte ist PVA (Polyvinylalkohol), welches im Wasser aufgelöst werden kann.

Oberflächenqualität

Die Qualität der Oberflächen, die durch Fused Deposition Modeling generiert werden, hängt von der verwendeten Schichtdicke ab und steigt mit abnehmender Schichtdicke. Ist die Schichtdicke dagegen zu groß, sind die Stufen zwischen den einzelnen Schichten am fertigen Objekt zu erkennen. Die Oberflächenqualität kann auch in weiteren Nachbearbeitungsschritten optimiert werden, z.B. durch Sandstrahlen oder Anwendung von bestimmten Lösungsmitteln. Für ABS Materialien hat sich hierfür Acetondampf als effektiv erwiesen. Objekte aus PLA werden dadurch jedoch beschädigt. Hier können gute Ergebnisse mit Tetrahydrofuran Dampf erzielt werden. Bei der Anwendung der Lösungsmittel ist hohe Vorsicht geboten. Die Dämpfe sind hochentzündlich und dürfen auf keinen Fall eingeatmet werden.

Extruder

Ein Extruder ist sozusagen das Herzstück des 3D Druckers. Der Extruder ist meist auf Schienen gelagert und kann alle Bereiche der Druckplatte millimetergenau erreichen. Das ist wichtig, denn in diesem Extruder wird der Filament-Faden erhitzt und punktgenau auf die Druckplatte gespritzt.

So entsteht Schicht für Schicht das Druckobjekt und die individuelle Schichtdicke des 3D Druckers gibt Aufschluß darüber, wie fein und detailgetreu das spätere Druckobjekt wird. Weitere Erklärungen zum Extruder finden Sie auf der Startseite unter Der Aufbau eines 3D Druckers mit vielen weiteren Details zur Druckplatte, Bedienelement und Filament.

Ein 3D Drucker muss nicht zwingend nur einen Extruder haben, sondern je nach Preisspanne können zwei oder sogar drei Extruder über dem Druckbett installiert sein.
Der Vorteil von mehreren Extrudern ist, unterschiedliche Filamente gleichzeitig benutzen zu können. Somit sind Druckobjekte in zwei oder drei unterschiedlichen Farben möglich. Aber auch Filamente in unterschiedlichen Zusammensetzungen sind mit den Dual-Extrudern kein Problem.

Die Druckgeschwindigkeit bei 3D Druckern

Druckgeschwindigkeit ist ein wichtiger Aspekt bei 3D Druckern, denn Zahlen allein sagen nicht alles. Bei günstigen 3D Druckern kann bei hohen Druckgeschwindigkeiten eine übermäßige Vibration entstehen, die das enstehende Druckobjekt förmlich von der Druckplatte rütteln. Die Folgen sind nervige Abbrüche des erfolgten Drucks. Einmal gelöste Druckobjekte können nicht wieder auf die Druckplatte geklebt werden.

Besonders bei Druckgeschwindigkeiten von 300mm/s sind hochpreisige 3D Drucker oft im Vorteil. Diese drucken generell ruhiger und weicher, da die Bewegungselemente besser gelagert sind.

Stereolithografie (STL, SLA)

Stereolithografie wurde von Chuck Hull erfunden und gilt als Mutter aller 3D-Druck Verfahren. Ausgangsbasis dieser Produktionsform ist ein mit flüssigem Photopolymer gefülltes Becken. Der spezielle Kunststoff hat eine besondere Eigenschaft; er erstarrt nach einer gewissen Belichtungszeit. Um damit ein Objekt zu erzeugen, werden die einzelnen Layer eines 3D-Modells mithilfe eines Lasers auf die Oberfläche des flüssigen Materials projiziert unter dessen Oberfläche ein bewegliches Druckbett positioniert wird. Die erste Schicht erstarrt und befestigt das Objekt an das unterliegende Druckbett. Danach zieht ein mechanischer Arm das Modell um die Höhe eines Layers nach unten, damit sich darüber wieder flüssiges Material sammeln kann. Darauf wird der nächste Layer projiziert. Nach dem “Druckvorgang” wird das gehärtete Objekt aus dem Bad genommen und oft noch in einer eigenen Belichtungskammer bis zur vollständigen Aushärtung nachbelichtet. Im Gegensatz zu den anderen Verfahren ist dieses aufgrund der Materialkosten zwar etwas teurer, kann aber (abhängig von der Lichtquelle und des Materials) eine teils deutlich höhere Druckqualität erreichen. Als Stützmaterial müssen nadelförmige Strukturen hinzugefügt werden, die nach dem Druck mechanisch entfernt werden müssen. Mittlerweile werden am Markt auch bereits kostengünstigere Geräte in Desktop Größe angeboten. Das Verfahren lässt sich auch mit anderen Mischmaterialien wie Keramik/Photopolymer Mischungen nutzen um die Keramischen Partikel miteinander zu verbinden. In einem nachfolgenden Brennprozess werden die keramischen Anteile miteinander vermolzen und die Kunststoffanteile ausgebrannt.

Digital Light Processing (DLP)

Nach dem gleichen Prinzip wie bei der Stereolithografie, funktioniert auch das DLP Verfahren. Hier wird jedoch als Lichtquelle ein DLP-Projektor verwendet. Jüngste Projekte die auch als Open Source zur Verfügung stehen haben dieses Prinzip auch mit einem handelsüblichen Beamer realisiert.

Multi Jet Modeling (MJM), Polyjet Verfahren

Eine Mischung aus Stereolithografie und FDM stellt das unter dem Marktnamen MJM zu Verfügung stehende Verfahren dar. Dabei wird ein flüssiger, lichtempfindlicher Kunststoff über einen Druckkopf auf eine Plattform aufgetragen und durch eine im Druckkopf integrierte Lichtquelle sofort ausgehärtet. Damit lassen sich sehr detailgenaue Objekte herstellen. Mittels mehreren Druckköpfen werden Supportstrukturen für überhängende Strukturen erzeugt die nach dem Druck mechanisch entfernt oder ausgewaschen werden müssen. Unter dem Namen „Digital Materials“ stehen auch unterschiedliche Kunststoffe zur Verfügung die durch Mischungen Objekte mit verschiedenen Kunststoffen erstellen können.

FDM-Zusammenfassung

STL-Zusammenfassung