3D-Druck

Der 3D-Druck (auch 3-D-Druck)  ist ein Verfahren, bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (siehe CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken  und Metalle. 3D-Drucker werden in der Industrie und der Forschung eingesetzt. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst. 3D-Druck-Verfahren werden zu den generativen Fertigungsverfahren gezählt, wobei es je nach Definition Gemeinsamkeiten und Überschneidungen gibt.

Beschreibung
Innerhalb der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren stellen die 3D-Drucker die wichtigste Teilklasse der additiven, also anhäufenden, aufbauenden Fabrikatoren dar.

3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden.

Einige grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik, auch in der Serienproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwändige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen das Material abtragenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der zusätzliche Bearbeitungsschritt nach dem Urformen entfällt. Meist ist der Vorgang energetisch günstiger, insbesondere wenn das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Wie bei anderen automatisierten Verfahren ist je nach Anwendungsbereich eine Nachbearbeitung notwendig.  Weitere Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Bauteile auf einer Maschine gefertigt und komplizierte Geometrien erzeugt werden können .

Die wichtigsten Techniken sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen  für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik  und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Deposition Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze.

Die erreichbare Genauigkeit eines Kunstharz-Druckers betrug Ende 2012 bei der Positionierung 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.  Eine weitere Stärke des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, komplexe Formen aufzubauen, die mit anderen Maschinen schwer oder gar nicht herstellbar sind. So verwendet die Bauhütte der Sagrada Família 3D-Drucker, um Modelle für die sehr anspruchsvollen architektonischen Formen von Antonio Gaudí anzufertigen. Dessen Gewölbe bestehen etwa aus großen Drehhyperboloiden mit dazwischen eingeschalteten hyperbolischen Paraboloiden.

Geschichte
1981 hatte Charles W. Hull die Stereolithographie erfunden, und im Jahr 1983 wurde das Verfahren erstmals in die Praxis umgesetzt.  Das erste 3D-Konstruktionsprogramm ist seit 1985 erhältlich. Im darauffolgenden Jahr (1986) publizierte Hull die erste Patentanmeldung. Das Prinzip des Lasersintern wurde 1987 von Charles Deckard, Universität Texas, veröffentlicht. Der erste 3D-Drucker war 1988 käuflich zu erwerben. Außerdem erfanden in diesem Jahr der Amerikaner S. Scott Crump und seine Frau Lisa das Fused Deposition Modeling. 1991 kam die erste Fused Deposition Modeling-Anlage auf den Markt. Im Jahr 2000 wurde die Polyjet-Technologie von dem Unternehmen Objet (heute stratasys) eingeführt. Seit 2010 ist ein Fused Deposition Modeling-Drucker für den Heimbedarf erhältlich.  Parallel dazu hat sich das 3D-Siebdruckverfahren aus dem schon lange bekannten Siebdruck entwickelt.

Multipler 3D-Druck
Meist arbeiten 3D-Druckmaschinen nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Versuchsweise wurden schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben Wissenschaftler der Cornell-Universität die Teile für eine Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gefertigt.  Hewlett-Packard hat Ende Oktober 2014 einen 3D-Drucker, bei dem verschiedene flüssige Materialien kombiniert werden, vorgestellt.

Das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben ist inzwischen simultan möglich. So können Prozesse in einem Arbeitsgang durchgeführt werden, wo bisher mehrere Fertigungsschritte benötigt wurden. Beispielsweise kann ein Objekt stellenweise mit gummiähnlichen Flächen stoßresistent gemacht werden.

Mittels Drucks in zwei Komponenten, von denen später eine, die nur vorübergehende Heftfunktion hat, etwa durch Wasser herausgelöst oder als loses Pulver aus Fugen geblasen  wird, lassen sich einander durchdringende oder formschlüssig verbundene, doch drehbare oder verschiebbare Teile herstellen.  Bei der Oberflächenbehandlung gibt es Überschneidungen mit anderen bzw. ähnlichen Verfahren.

Anwendungsgebiete
Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen der Herstellung von Modellen und Prototypen einerseits und der Serienfertigung andererseits:

In folgenden Bereichen wird 3D-Druck zur Herstellung von Modellen und Prototypen eingesetzt:
• Kunst und Design
• Architektur
• Modellbau
• Maschinenbau
• Automobilbau
• Bauverfahren (Contour Crafting)
• Wissenschaftlichen Laboratorien

In folgenden Bereichen wird 3D-Druck zur Serienfertigung eingesetzt:
• Luft- und Raumfahrtindustrie
• Medizin- und Zahntechnik
• Verpackungsindustrie
• Bioprinting

Quelle: Wikipedia