3D-Druck und Rapid Prototyping

Drucktechniken der Zukunft vorgestellt

Feste Körper, die gleichsam aus dem Nichts entstehen, würden die meisten Menschen wohl als pure Science Fiction ansehen. Dabei ist der dreidimensionale Druck fast beliebiger Strukturen aus ebenso fast beliebigem Material längst Wirklichkeit.

Der neue Busen aus dem Drucker: 3D-Druck ist in der Medizintechnik stark im Kommen.

© Günter Pichel

Der neue Busen aus dem Drucker: 3D-Druck ist in der Medizintechnik stark im Kommen.

Wer kennt nicht den Replikator aus Star-Trek Next Generation: Einmal kurz "Earl Grey, heiß" hineingehaucht und schon entsteht aus dem Nichts eine dampfende Tasse Tee. Science Fiction? Nicht unbedingt. Auch wenn es mit dem indischen Hochland-Tee noch nicht klappt, so ist zumindest die replizierte Tasse inzwischen Realität.

Das Rapid Prototyping in Bildern

© Günter Pichl

Sperrig und teuer ist diese SLS-Anlage. Es gibt jedoch durchaus 3D-Drucker, die auf den Schreibtisch passen.

Hinter dem Stichwort 3D-Druck bzw. Rapid Prototyping verbergen sich eine ganze Reihe von Verfahren, mit denen sich dreidimensionale Strukturen aus Kunstoff, Keramik oder Metall erzeugen lassen. Die entsprechenden Geräte sind den Kinderschuhen längst entwachsen und gehören zum Standardrepertoire diverser Design- und Entwicklungsabteilungen.

Wo früher hoch spezialisierte Modellbauer in mühseliger Handarbeit Funktionsmodelle oder Gussformen erstellt haben, genügt heute ein Mausklick, um ein körperhaftes Abbild einer 3D-CAD-Zeichnung entstehen zu lassen.

Wie es funktioniert

In punkto Funktionsprinzip sind sich die meisten 3D-Druckverfahren recht ähnlich. Zunächst wird eine dünne Schicht des Werkstoffes auf eine Trägerplatte aufgebracht. Dort, wo eine feste Struktur entstehen soll, wird der Werkstoff - z.B. durch Aufschmelzen per Laser - verfestigt.

Danach wandert die Trägerplatte um ein paar Millimeter-Bruchteile nach unten, die nächste Werkstoffschicht wird aufgebracht und wiederum dort, wo eine Struktur entstehen soll, verfestigt und zugleich mit der darunter liegenden Struktur verbunden. Dieser Vorgang wiederholt sich Schicht für Schicht, bis schließlich der komplette Körper entstanden ist.

Nicht verfestigtes Material - das in der Regel in Form eines feinen Pulvers vorliegt - kann am Ende des Prozesses entfernt und wiederverwendet werden. Übrig bleibt das fertige Modell. Dabei können selbst in unzugänglichen Hohlräumen komplexe Strukturen entstehen. So zeigte die deutsche Firma EOS eine äußerst komplexe Einspritzdüse, in deren Innenleben diverse Bohrungen und Leitschaufeln für eine starke Verwirbelung sorgen.

3D-Drucker

© Günter Pichl

Der neue Busen aus dem Drucker: 3D-Druck ist in der Medizintechnik stark im Kommen.

Das Ganze gefertigt in einem Aufwasch aus hochfestem Kobald-Stahl. Solange das nicht aufgeschmolzene Material durch entsprechende Öffnungen aus dem Inneren entfernt werden kann, sind solchen komplexen, inneren Strukturen praktisch keine Grenzen gesetzt. So "druckte" auf der Fachmesse Euromold 2009 der Hersteller Objet in nur einem Arbeitsgang das voll bewegliche Modell einer Fahrradkette.

Die Bolzen, Laschen und Rollen der Kette sind durch eine hauchdünne Schicht ungeschmolzenes Pulver getrennt, das nach dem Druck per Pressluft entfernt werden kann.

Vom oben beschriebenen Verfahren gibt es diverse Abwandlungen. Mehr oder weniger gemeinsam ist jedoch allen der schichtweise Aufbau des Werkstückes, bei dem die Bauplattform als Z-Achse mit fortschreitender Fertigstellung immer weiter nach unten wandert. Statt aus Pulver kann das Werkstück auch in einem Bad aus flüssigem Epoxidharz entstehen.

Bei diesem, im Jahre 1986 entwickeltem Stereolithografie-Verfahren (kurz SLI bzw. SLA), härtet das Epoxidharz dort, wo ein fokussierter Laserstrahl auf die Oberfläche trifft. Auch hier entsteht das Modell Schicht für Schicht. Per SLI hergestellte Körper glänzen durch besonders glatte Oberflächen. Je nach Ausgangswerkstoff lassen sich damit auch weiche, gummiartige Modelle erstellen.

Das Rapid Prototyping in Bildern

© Günter Pichl

Außen alt, innen neu: Ein Jaguar XJ8 steckt in einem MK2 - dank Rapid Prototyping.

Ganz ohne Laser und Licht kommt das FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) aus. Hier entsteht das Modell wiederum Schicht für Schicht - wie aus einer Zahnpastatube gepresst - aus flüssigem, thermoplastischem Kunststoff.

Der Druckkopf erinnert dabei vom Prinzip stark an eine Heißklebepistole nur dass das Material nicht in Stangen, sondern in Form eines Kunstoffdrahtes zugeführt wird.Beim 3DP-Verfahren wird das Materialpulver durch einen Inkjet-ähnlichen Druckkopf mit einem Lösungsmittel oder Klebstoff besprüht.

Eine Besonderheit stellt hierbei der von der Firma Z Corporation entwickelte 3D-Farbdruck dar. Die in Deutschland von der Kisters AG vertriebenen Geräte arbeiten mit bis zu fünf Druckköpfen (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz und Klar) und erlauben dank eingefärbtem Klebstoff vollfarbige 3D-Ausdrucke.

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