3D-Druck einfach erklärt: Vom Entwurf bis zum fertigen Teil

Der 3D-Druck, auch additive Fertigung genannt, ist ein Prozess, bei dem dünne Materialschichten übereinander aufgetragen werden, um ein Objekt zu formen. Es gibt heutzutage mehrere Drucktechniken, die in sieben Hauptfamilien unterteilt werden können und die es ermöglichen, eine Vielzahl von Materialien für die Fertigung zu verwenden. Die Liste reicht von Kunststoffen über Metalle und Keramiken bis hin zu Silikonen.

Die Verfahren der additiven Fertigung

• Extrusion (oder Material Extrusion): Ein Material wird in flüssiger Form durch eine Öffnung (Düse) gedrückt (extrudiert). So wird Schicht für Schicht das Material für das End-Objekt aufgetragen, das anschließend aushärtet.
• Photopolymerisation (VAT Photopolymerisation): Ein flüssiges Harz reagiert mit den Photonen, die von einer UV-Lichtquelle ausgesendet werden. Dies bewirkt, dass das Harz aushärtet und so ein beständiges Objekt entsteht. Dieses Teil wird während des Druckvorgangs in ein Bad aus flüssigem Harz getaucht.
• Laserschmelzen (Powder Bed Fusion): Die feinen Partikel (Kunststoff oder Metall) in einem Pulverbad werden unter die Schmelztemperatur gebracht und durch die zusätzliche Energie eines Lasers gebunden.
• Binder Jetting: Die feinen Partikel (Kunststoff, Metall, Keramik, Sand, …) in einem Pulverbad werden durch ein Bindemittel miteinander verbunden, das von einem Druckkopf (ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker) sehr präzise aufgetragen wird.
• Material Jetting: Ein flüssiges Harz wird von einem Druckkopf (ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker) sehr präzise aufgetragen, bevor es durch die Photonen einer UV-Lichtquelle gehärtet wird.
• Materialabscheidung unter konzentrierter Energie (Directed Energy Deposition): Ein feines Pulver (oder ein Metalldraht) wird mithilfe eines Lasers, eines Lichtbogens oder eines Elektronenstrahls geschmolzen.
• Schichtlaminierung: Material-Folien werden Schicht für Schicht aneinandergeklebt, um das 3D-Modell zu bilden.

Diese Vielfalt an Technologien ermöglicht es, alle möglichen Gegenstände herzustellen, von Schmuck über Gebäude bis hin zu Raketen. ede dieser Technologien bringt einen anderen Arbeitsablauf mit sich, doch unabhängig von der verwendeten 3D-Drucktechnologie besteht der Prozess der additiven Fertigung generell aus vier verschiedenen Schritten, die im Folgenden näher erläutert werden.

3D Druck einfach verstehen: Der Workflow in 4 Schritten

CAD, 3D-Scan oder Modell-Download

In diesem ersten Schritt wird das digitale Modell erstellt, das in 3D gedruckt werden soll. Hierfür gibt es drei Möglichkeiten:

• Man kann das digitale Modell mithilfe eines CAD-Tools (Computer Aided Design, computerunterstütztes Design) entwerfen. Namhafte Software-Anbieter dafür sind zum Beispiel  SolidWorks, Fusion 360, Tinkercad, Siemens NX, NTopology.
• Scannen eines Objekts oder einer Person mithilfe eines 3D-Scanners, einer Kamera und eines Computers oder Telefons.
• Herunterladen einer Vorlage von einer dafür vorhergesehenen Website, z. B. Thangs, Thingiverse, Printables, MyMiniFactory, Cults.

Am Ende dieses Schrittes liegt das endgültige Modell dann in Form eines Punktnetzes im 3MF-, STL- oder OBJ-Format vor.

Slicing-Verfahren

Sobald das 3D-Modell fertig ist, wird es mithilfe eines speziellen Tools in eine Reihe von Anweisungen umgewandelt, die der Drucker ausführen soll und die in der Regel in G-Code verfasst sind. Mithilfe einer speziellen Software, dem sogenannten Slicer, werden die Einstellungen der Maschine und des Materials angegeben, um den von der Maschine verwendeten Code zu erstellen. Der Benutzer gibt also die Druckeinstellungen je nach Technologie, Maschine und verwendetem Material in diese Slicer-Software ein, um die Anweisungen zu generieren. Diese werden dann wiederum an den Drucker gesendet, um das gewünschte Teil zu erstellen. Zu den bekanntesten Slicing-Lösungen auf dem Markt gehören Cura oder Simplify3D.

Mithilfe des Slicers wird das 3D-Modell unter Berücksichtigung der angegebenen Einstellungen in eine Reihe von Anweisungen für den 3D-Druck umgewandelt.

Drucken

Nachdem der G-Code (oder eine andere Programmiersprache) an die Maschine gesendet wurde, druckt diese das Modell aus. Die meisten 3D-Drucker sind eigenständige Maschinen, die die Teile ohne Unterstützung während des Druckvorgangs herstellen können. Sobald dieser Schritt abgeschlossen ist, nimmt der Benutzer das Teil heraus. Je nach Technologie, Material und gewünschtem Endresultat kann eine Nachbearbeitung des gedruckten Objekts erforderlich sein.

Nachbearbeitung

Die Nachbearbeitung eines Teils kann vom Schleifen bis zur CNC-Bearbeitung reichen. Dieser Schritt kann bei einigen Technologien und Druckmaterialien optional sein, während er bei anderen unbedingt notwendig ist. Die Nachbearbeitung umfasst in der Regel einen oder mehrere dieser Schritte: Schleifen, Lackieren, Bohren, Sandstrahlen, Montieren, Spachteln, Glühen, maschinelle Bearbeitung etc.

Die Nachbearbeitung ist der letzte Schritt im Workflow des 3D-Drucks

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