Als Science Fiction Fan, klingt der Begriff des 3D Druckers schon sehr nach Star Trek, Star Wars und Co. Dabei sind 3D Drucker längst Realität und treten in vielen verschiedenen Arten auf. Die 3D Druckertechnologie erstellt dreiminensionale Objekte mithilfe eines Druckers. Das Objekt wird dabei Schicht für Schicht gedruckt bis das spezifizierte Endprodukt fertiggestellt ist. Jede dieser Schichten ist eine dünn Ebene, welche horizontal auf einander gelegt wird. Man stelle sich hierbei einen Bäcker vor, der einen Kuchen Schicht für Schicht herstellt. Dasselbe praktiziert ein 3D Drucker, allerdings wesentlich präziser.

Modellierung des 3D Objektes

Der Vorgang des 3D-Druckens beginnt jeweils mit der Erstellung eines digitalen CAD Projektes (Computer Aided Design), welches das 3D Objekt modelliert. Dies kann entweder direkt am Computer gezeichnet und erstellt der aber direkt eingescannt werden. Diese Vorlage dient dem Drucker als Basis für den dreidimensionalen Druckprozess.

Eine spezielle Software teilt dann das zu druckende Objekt in hunderte horizontale Schichten auf. Die einzelnen Schichten sind dabei so fein und präzise, dass diese für den Anwender nicht sichtbar sind.

Arten von 3D Druckern

Stereolithographisches Drucken (SLA)

Als 3D Drucker werden verschiedene Arten unterschieden, die mit unterschiedlichen Materialien arbeiten. Der erste 3D Drucker, der aber nicht als solcher benannt wurde, ging 1986 in Produktion – entwickelt und produziert von Charles Hull, Gründer des Unternehmens 3D Systems. Dieser erste Druckertyp verwendete die Stereolithographie (SLA). Dabei verwendet die Stereolithographie gebündelte ultraviolette Strahlung (UV-Licht) auf einer Oberfläche aus Photopolymer (Harz), um die Oberflächenstruktur des 3D Objektes mithilfe eines Laserstrahls zu modellieren. Sie zeichnet dabei jeweils eine dünne Schicht nach der anderen, bis das fertige dreidimensionale Objekt nahtlos in einander übergeht. So entsteht ein extrem hochauflösendes 3D Objekt. Ungenutztes Harz kann für das nächste Objekt wiederverwendet werden.

Fused Deposition Modeling (FDM – Schmelzschichtung)

Entwickelt und patentiert Ende der 80er Jahre von Scott Crump wurde die Schmelzschichtung (FDM) als günstiges 3D Druckverfahren eingesetzt. Die 1988 von Crump und dessen Frau gegründete Firma Stratasys hielt dafür ein eigenes Patent in Händen. FDM funktioniert in der Art, dass kleine Metallkugeln aus schmelzflüssigem thermoplastischen Material in Schichten gepresst und unmittelbar nach dem Verlassen der Extrusionsdüse ausgehärtet wird. Diese Art des 3D-Druckens ist wesentlich günstiger in der Herstellung als andere 3D-Druckverfahren. Die meisten FDM-Drucker verwenden heutzutage ABS-Kunststoff (man denke an Lego Bausteine), sowie PLS (Polymilchsäure), welche aus einem biologisch abbaubaren Polymer aus organischem Material hergestellt wird.

Selektives Laserschmelzen (SLS/SLM – Selective Laser Sintering/Melting)

Die ebenfalls in den 1980er Jahren entwickelte 3D-Druckverfahren der selektiven Laserschmelze, entwickelt von Carl Deckard und Studenten der University of Texas in Austin, USA, gehört zu den wichtigsten Arten des 3D-Drucks. SLS funktioniert ähnlich wie SLA, nur dass anstelle von flüssigem Photopolymer andere Materialien wie Polystyrol, Keramik, Glas, Nylon und Metalle wie Stahl , Titan, Aluminium und Silber zum Einsatz kommen, um das 3D-Objekt zu modellieren. Beim Herstellungsprozess wird der Laser an einem Punkt fusioniert und gebündelt. Das umliegende Material, welches nicht vom Laser geschmolzen wird, dient als Stützmaterial der gesamten Konstruktion, was einen Vorteil gegenüber des Schmelzschichtungsverfahrens (SLA) darstellt. Auch hier kann nicht verwendetes Material für den nächsten Druckprozess wiederverwendet werden.

Andere 3D-Druckverfahren

Darüber hinaus gibt es noch weitere Technologien für die Herstellung von 3D-Objekten. Zum einen ist hier die Elektronenstahlschmelze (engl. Electron Beam Melting – EBM) zu nennen, welche einen Elektronenstrahl anstelle eines UV-Lasers verwendet, um das 3D Objekt zu modellieren und zum Anderen ein gänzlich anderer Ansatz 3D Modelle zu erstellen, der auf Basis einer Laminierung arbeitet (engl. Laminated Object Manufacturing – LOM). Mithilfe der LOM werden einzelne Schichten aus Papier, Plastik und metallischen Laminaten zusammen modelliert und entsprechend per Schneidwerkzeug oder Laser in die spezifizierte Form geschnitten.

Zukünftige Entwicklung von 3D Druckern

Am ehesten kann man 3D Drucker als Replikatoren sehen, wie wir sie aus Science Fiction Filmen wie Star Trek kennen. Sie bieten ganz neue Möglichkeiten Objekte zu realisieren und dies durch eine digitale Modellierung am heimischen Computer. Wie oft kommt es vor, dass wir zuhause nach kleinen Teilen suchen, die irgendwo verloren gegangen sind. Die Lösung dafür heißt in Zukunft „Replikation“. Am Rechner wird das fehlende Teil einfach digital neu erstellt oder per Vorlage vom Hersteller direkt geladen und mit dem 3D Drucker gedruckt. Die Anwendungsgebiete sind schier unendlich. Zukünftige Einsatzgebiete reichen von der Produktfertigung, im Bau über Medizin, Wissenschaft bis hin zu Kunst und Kultur.