3D-Druck: Was Sie wissen müssen

Sie sind nicht die Typenraddrucker Ihres Großvaters oder die Nadeldrucker Ihrer Mutter. Tatsächlich haben sie wenig Ähnlichkeit mit den heutigen Dokumenten- oder Fotodruckern, die nur in den langweiligen alten zwei Dimensionen drucken können. Wie der Name schon sagt, können 3D-Drucker dreidimensionale Objekte aus einer Vielzahl von Materialien herstellen. Sie werden immer beliebter und sind bei Einzelhändlern wie Staples, Best Buy und Home Depot zu finden, und Sie können zahlreiche 3D-Drucker und deren Zubehör auf Amazon.com und in anderen Online-Shops kaufen. Obwohl 3D-Drucker immer noch hauptsächlich in Werkstätten, Designstudios, Schulen, Gemeindezentren und in den Händen von Bastlern zu finden sind, werden sie zunehmend auf Werkbänken, in Aufenthaltsräumen und Küchen eingesetzt – und vielleicht auch in Ihrem Zuhause, wenn nicht sogar in Ihrem eigenen.

Was ist 3D-Druck?

Im Grunde genommen ist 3D-Druck ein Fertigungsverfahren, bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um ein dreidimensionales Objekt zu formen. (Man spricht von einem additiven Verfahren, weil das Objekt von Grund auf neu aufgebaut wird, im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren, bei denen das Material geschnitten, gebohrt, gefräst oder maschinell bearbeitet wird.) Obwohl 3D-Drucker eine Vielzahl von Materialien (z. B. Kunststoff oder Metall) und Techniken verwenden (siehe „Wie funktioniert 3D-Druck?“ weiter unten), haben sie die Fähigkeit gemeinsam, digitale Dateien mit dreidimensionalen Daten in physische Objekte umzuwandeln – unabhängig davon, ob sie mit einem CAD- oder CAM-Programm oder einem 3D-Scanner erstellt wurden.

Ist 3D-Druck überhaupt ein Druckverfahren?

Ja, 3D-Druck kann als Druckverfahren betrachtet werden, allerdings nicht so, wie es traditionell definiert wurde. Die relevanten Webster-Definitionen von „Drucken“ konzentrieren sich auf die Herstellung von Drucksachen, Publikationen oder Fotografien und die Herstellung durch Abdruck (die Anwendung von Druck). Beide Definitionen passen nicht wirklich zum 3D-Druck. Aber aus technologischer Sicht ist der 3D-Druck ein Auswuchs des traditionellen Druckens, bei dem eine Materialschicht (normalerweise Tinte) aufgetragen wird. Normalerweise ist diese Schicht so dünn, dass es keine spürbare Höhe gibt (obwohl sie bei Festtintendruckern etwas dicker ist). Beim 3D-Druck wird diese Höhe durch das Auftragen mehrerer Schichten stark vergrößert. Es wäre also sinnvoll, die Definition des Druckens zu erweitern, um die Herstellung von dreidimensionalen Objekten auf diese Weise einzuschließen.

Wie funktioniert 3D-Druck?

Wie traditionelle Drucker verwenden auch 3D-Drucker eine Vielzahl von Technologien. Die bekannteste ist das Fused Deposition Modeling (FDM), auch bekannt als Fused Filament Fabrication (FFF). Dabei wird ein Filament – bestehend aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymilchsäure (PLA) oder einem anderen Thermoplast – geschmolzen und schichtweise durch eine beheizte Extrusionsdüse aufgetragen. Die ersten 3D-Drucker, die Mitte der 1990er Jahre von Stratasys mit Hilfe von IBM auf den Markt kamen, verwendeten FDM (ein von Stratasys geschützter Begriff), ebenso wie die meisten 3D-Drucker, die sich an Verbraucher, Bastler und Schulen richten.

Eine weitere Technologie, die beim 3D-Druck zum Einsatz kommt, ist die Stereolithografie. Dabei wird ein UV-Laser in einen Bottich mit ultraviolett-empfindlichem Photopolymer eingestrahlt und zeichnet das zu erstellende Objekt auf dessen Oberfläche nach. Das Polymer verfestigt sich dort, wo der Strahl es berührt, und der Strahl „druckt“ das Objekt Schicht für Schicht gemäß den Anweisungen in der CAD- oder CAM-Datei, mit der er arbeitet.

Eine Abwandlung davon ist der 3D-Druck mit digitalen Lichtprojektoren (DLP). Bei dieser Methode wird ein flüssiges Polymer mit Licht aus einem digitalen Lichtprojektor bestrahlt. Dadurch härtet das Polymer Schicht für Schicht aus, bis das Objekt gebaut ist, und das restliche flüssige Polymer wird abgelassen.

Multi-Jet-Modeling ist ein tintenstrahlähnliches 3D-Drucksystem, das ein farbiges, klebstoffähnliches Bindemittel auf aufeinanderfolgende Pulverschichten sprüht, wo das Objekt geformt werden soll. Dies ist eine der schnellsten Methoden und eine der wenigen, die den Mehrfarbendruck unterstützt.

Es ist möglich, einen Standard-Tintenstrahler so zu modifizieren, dass er mit anderen Materialien als Tinte druckt. Unternehmungslustige Heimwerker haben Druckköpfe, in der Regel piezoelektrische Köpfe, gebaut oder modifiziert, um mit verschiedenen Materialien zu arbeiten – in einigen Fällen wurden die Druckköpfe selbst auf anderen 3D-Druckern ausgedruckt! Firmen wie MicroFab Technologies verkaufen 3D-fähige Druckköpfe (und auch komplette Drucksysteme).

Das selektive Lasersintern (SLS) verwendet einen Hochleistungslaser, um Partikel aus Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas zu verschmelzen. Am Ende des Auftrags wird das restliche Material recycelt. Beim Elektronenstrahlschmelzen (EBM) wird – Sie ahnen es – ein Elektronenstrahl verwendet, um Metallpulver Schicht für Schicht zu schmelzen. Titan wird oft mit EBM verwendet, um medizinische Implantate und Flugzeugteile herzustellen.

Abhängig von der Technik können 3D-Drucker eine Vielzahl von Materialien verwenden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Metalle (darunter Edelstahl, Lot, Aluminium und Titan), Kunststoffe und Polymere (einschließlich Verbundwerkstoffe, die Kunststoffe mit Metallen, Holz und anderen Materialien kombinieren), Keramik, Gips, Glas und sogar Lebensmittel wie Käse, Glasur und Schokolade! (Siehe unseren Leitfaden zu den Filamenttypen für 3D-Drucker)

Wer hat den 3D-Druck erfunden?

Der erste 3D-Drucker, der die Stereolithografie-Technik nutzte, wurde von Charles W. Hull Mitte der 1980er Jahre entwickelt. Stereolithographie war traditionell eine teure kommerzielle Technik, mit Maschinen, die fünf- und sogar sechsstellig kosten, aber in den letzten Jahren gab es professionelle Stereolithographie-Drucker, die nur ein paar Tausend Dollar kosten, sowie Verbrauchersysteme, die weit unter einem Tausender beginnen.

Im Jahr 1986 gründete Hull 3D Systems, eine Firma, die heute 3D-Drucker verkauft, die eine Vielzahl von Technologien verwenden. Sie reichen von Einsteiger-Kits bis hin zu fortschrittlichen kommerziellen Systemen, und 3D Systems bietet auch On-Demand-Teile-Services an, meist für Geschäftskunden.

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks?

Mit dem 3D-Druck haben Designer die Möglichkeit, Konzepte schnell in 3D-Modelle oder Prototypen umzuwandeln (auch bekannt als „Rapid Prototyping“) und schnelle Designänderungen durchzuführen. Hersteller können Produkte nach Bedarf und nicht in großen Stückzahlen produzieren, was die Bestandsverwaltung verbessert und den Platzbedarf im Lager reduziert. Menschen an entlegenen Orten können Objekte herstellen, die ihnen sonst nicht zugänglich wären.

Aus praktischer Sicht kann der 3D-Druck im Vergleich zu subtraktiven Techniken Geld und Material sparen, da nur sehr wenig Rohmaterial verschwendet wird. Und er verspricht, die Art der Herstellung zu verändern, indem Verbraucher Dateien herunterladen können, mit denen sie selbst komplexe 3D-Objekte – zum Beispiel elektronische Geräte – zu Hause ausdrucken können.

Was können 3D-Drucker herstellen?

Designer verwenden 3D-Drucker, um schnell Produktmodelle und Prototypen zu erstellen, aber sie werden zunehmend auch zur Herstellung von Endprodukten eingesetzt. Zu den Artikeln, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, gehören Schuhdesigns, Möbel, Wachsabgüsse für die Schmuckherstellung, Werkzeuge, Stative, Geschenk- und Scherzartikel sowie Spielzeug. In der Automobil- und Luftfahrtindustrie werden 3D-Drucker zur Herstellung von Teilen eingesetzt. Künstler können Skulpturen erstellen, und Architekten können Modelle ihrer Projekte anfertigen. Archäologen verwenden 3D-Drucker, um Modelle von zerbrechlichen Artefakten zu rekonstruieren, einschließlich einiger der Antiquitäten, die in den letzten Jahren von ISIS zerstört wurden. Ebenso können Paläontologen und ihre Studenten Dinosaurierskelette und andere Fossilien duplizieren. Schauen Sie sich unsere Galerie mit einfachen und praktischen Objekten aus dem 3D-Drucker an.

Ärzte und Medizintechniker können mit Hilfe des 3D-Drucks Prothesen, Hörgeräte, künstliche Zähne und Knochentransplantate herstellen sowie Modelle von Organen, Tumoren und anderen inneren Körperstrukturen aus CT-Scans zur Vorbereitung von Operationen replizieren. Ein gutes Beispiel ist das Projekt Daniel, bei dem 3D-Drucker Arm- und Handprothesen für Opfer der Gewalt im Sudan herstellen. Auch 3D-Drucker, die Schichten von Zellen auftragen können, um künstliche Organe (wie Nieren und Blutgefäße) zu schaffen, befinden sich bereits in der R&D-Phase. Es gibt sogar einen Platz für den 3D-Druck in der Forensik, zum Beispiel um eine Kugel zu replizieren, die in einem Opfer steckt.

Die gedruckte Elektronik ist eine Reihe von Druckmethoden, die es ermöglichen, elektronische Geräte oder Schaltkreise auf flexible Materialien wie Etiketten, Gewebe und Pappe zu drucken, indem elektronische oder optische Tinten aufgetragen werden. Sie ermöglicht eine sehr kostengünstige Herstellung von Geräten mit geringer Leistung. Gedruckte Elektronik wird allmählich mit dem 3D-Druck kombiniert, was den Druck von schichtweisen Schaltungen oder Geräten ermöglicht. Ein natürlicher Nebeneffekt dieser potenten Kombination ist, dass man eines Tages in der Lage sein könnte, Gadgets nach 3D-Plänen auszudrucken, anstatt sie zu kaufen.

Eine weitere Möglichkeit, 3D-Drucker einzusetzen, ist die Zubereitung von Lebensmitteln. Das French Culinary Institute nutzt einen an der Cornell University entwickelten Open-Source-3D-Drucker Fab@Home für die Zubereitung künstlerischer Köstlichkeiten, und das MIT hat einen 3D-Lebensmitteldrucker namens Cornucopia entwickelt. Eine kleine Anzahl von Restaurants testet Prototypen von Lebensmitteldruckern. Die 3D-Druck-Forschung der NASA umfasst auch den Druck von Lebensmitteln, wie z. B. 3D-gedruckte Pizza.

Eine Handvoll 3D-Drucker für Lebensmittel sind inzwischen kommerziell erhältlich. Sie konzentrieren sich in der Regel auf bestimmte Lebensmittel, wie Schokolade, Pfannkuchen oder Kekse.

Was sind 3D-Druckdienste?

Sie müssen keinen 3D-Drucker besitzen, um davon zu profitieren. Viele 3D-Druckdienste, wie Shapeways und Sculpteo, drucken Geschenke und andere kleine Gegenstände auf Bestellung auf ihren eigenen 3D-Druckern und versenden sie dann an den Kunden. Die Kunden können entweder ihre eigenen 3D-Objektdateien einreichen oder aus einem Online-Katalog Gegenstände auswählen, die meist von anderen Nutzern des Dienstes entworfen wurden.

Aber 3D-Druckdienste sind nicht mehr nur eine Domäne von Spezialisten. Große Unternehmen wie UPS haben 3D-Druckdienste eingeführt, und einige traditionelle Druckereien haben den 3D-Druck auf Abruf in ihr Repertoire aufgenommen.

Wo bekomme ich einen 3D-Drucker?

Die meisten 3D-Druckerhersteller verkaufen ihre Produkte direkt online. Viele E-Tailer haben sie mittlerweile im Angebot, darunter reine Online-Anbieter wie Amazon.com, aber auch solche, die auch stationäre Geschäfte betreiben. Einige der letzteren, wie z. B. Walmart, Best Buy und Staples, bieten sie nicht nur online, sondern auch in ihren Geschäften an, aber achten Sie darauf, die Verfügbarkeit in den Geschäften auf ihren Websites zu überprüfen, da nicht alle Verkaufsstellen sie führen. Mehrere 3D-Druckerläden wurden in größeren Städten eröffnet. Zum Beispiel hat iMakr Filialen in London und New York City.

Ein paar Online-Händler haben sich auf 3D-Drucker spezialisiert, wie z.B. Dynamism, das eine Reihe von 3D-Druckern verschiedener Marken verkauft und auch Kundensupport anbietet.

Welche Software benötige ich für den 3D-Druck?

Nahezu alle 3D-Drucker akzeptieren Dateien im so genannten STL-Format (benannt nach Stereolithographie). Diese Art von Dateien kann mit fast jeder CAD-Software erstellt werden, von teuren kommerziellen Paketen wie AutoCAD bis hin zu kostenlosen oder Open-Source-Produkten wie Google SketchUp und Blender. Für diejenigen, die nicht geneigt sind, ihre eigenen 3D-Dateien zu erstellen, bieten 3D-Objektdatenbanken wie Thingiverse von MakerBot zahlreiche 3D-Objektdateien an, die heruntergeladen und ausgedruckt werden können.

Die meisten 3D-Drucker werden mit einer Software-Suite geliefert, die entweder auf Diskette geliefert wird oder zum Herunterladen verfügbar ist und alles enthält, was Sie zum Drucken benötigen. Die Suiten enthalten in der Regel ein Programm zur Steuerung des Druckers und einen Slicer, der in Vorbereitung auf den Druck die Objektdatei auf der Grundlage der gewählten Auflösung und anderer Faktoren in Schichten formatiert. Einige Suiten enthalten ein Programm, das die Objektdatei „heilt“, indem es Probleme korrigiert, die den reibungslosen Druck beeinträchtigen könnten. Die Programme sind aus der RepRap-Open-Source-Bewegung hervorgegangen, aus der sich der hobbymäßige 3D-Druck entwickelt hat. Bei einigen Druckern können Sie die einzelnen Komponentenprogramme herunterladen, anstatt sich mit dem zu begnügen, was in der Suite enthalten ist.

Was bringt die Zukunft für den 3D-Druck?

Eine Vielzahl von 3D-Druckern für den Heimgebrauch und kleine Unternehmen ist bereits erhältlich -CMag hat eine ganze Reihe von ihnen getestet – aber sie werden immer noch oft als exotische und ziemlich teure Geräte angesehen. Das wird sich in den nächsten Jahren ändern, denn 3D-Drucker werden in den Haushalten immer häufiger zu finden sein – auf Werkbänken, in Studios, in Heimbüros und sogar in der Küche. Sie werden vielleicht nicht in jedem Haushalt zu finden sein, aber für die Menschen, die sie haben, werden sie unentbehrlich werden. Die meisten Gegenstände, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, haben ein homogenes Innenleben, aber wir werden immer komplexere Kreationen sehen, die verschiedene Materialien und Verbundstoffe sowie druckbare Elektronik kombinieren. Wenn Sie mit den heutigen 3D-Druckern die Batterieabdeckung Ihrer TV-Fernbedienung verlieren, ist es vielleicht möglich, eine Ersatzabdeckung zu drucken. Wenn Sie morgen Ihre Fernbedienung verlieren, können Sie vielleicht eine ganz neue Fernbedienung drucken.

Auch im Weltraum fasst der 3D-Druck immer mehr Fuß. Die NASA experimentiert mit 3D-Druckern an Bord der Internationalen Raumstation. Irgendwann könnten 3D-Drucker genutzt werden, um Lebensräume auf dem Mars und anderen Welten zu schaffen. Um die Apollo-13-Astronauten vor dem Erstickungstod durch Kohlenmonoxid zu bewahren, musste die NASA einen Weg finden, ein eckiges Loch in ein rundes Loch zu stecken. Hätten sie einen 3D-Drucker an Bord gehabt, hätten sie das Problem leicht lösen können, indem sie ein Verbindungsstück entworfen und gedruckt hätten.

Astronauten können nicht einfach zu Home Depot fahren, wenn sie ein Ventil oder ein Widget ersetzen müssen, aber ein 3D-Drucker könnte eines nach Bedarf herstellen. Ebenso werden wir 3D-Drucker in antarktischen Basen und anderen abgelegenen Orten auf der Erde sehen, wo die Leute nicht sechs Monate auf den nächsten Nachschub warten können, um wichtige Teile oder Werkzeuge zu ersetzen.

Medizinische Anwendungen des 3D-Drucks enden nicht bei Prothesen, Hörgeräten und Zahnkronen. (Siehe „Was können 3D-Drucker herstellen?“ oben für eine Vorschau auf das, was in Arbeit ist.) Ersatzteile müssen nicht auf Mechanik beschränkt sein.

In den letzten Jahren haben wir eine explosionsartige Zunahme der Vielfalt und der Einsatzmöglichkeiten von 3D-Druckern erlebt. Es ist ähnlich wie bei der Entwicklung von Personalcomputern um 1980. Obwohl es einfach genug ist, einige der Bereiche zu sehen, in die sich das Feld des 3D-Drucks verzweigen wird, sind andere jenseits unserer Möglichkeiten vorherzusagen, genauso wie sich 1980 niemand vorstellen konnte, was aus dem Personal Computer einmal werden würde. Es ist möglich, dass der 3D-Druck auf der Ebene der Verbraucher und des täglichen Lebens nicht den gleichen Einfluss wie der PC haben wird, aber er hat das Potenzial, die Fertigung zu revolutionieren und, was vielleicht noch wichtiger ist, sie in die Hände der normalen Verbraucher zu bringen. Eines ist jedoch sicher: Der 3D-Druck wird bleiben.

Welche 3D-Drucker sollte ich mir für den Anfang ansehen?

Für eine ausführlichere Betrachtung der einzelnen Drucker und wie man einen kauft, lesen Sie unseren Leitfaden zu den 10 besten 3D-Druckern und einige Einblicke von einem Early Adopter. Aber ein paar schnelle Tipps zum Ausprobieren…

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