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Materialien und Verfahren im 3D-Druck: Dinge aus dem Nichts


Linux Magazin - epaper ⋅ Ausgabe 11/2020 vom 08.10.2020

3D-Druck zählt zu den faszinierendsten technischen Entwicklungen der letzten Jahre. Dieser Artikel zeigt, wie die Entwicklung begann und welche Technologien heute für den Hobby- und semiprofessionellen User zur Verfügung stehen.


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Bildquelle: Linux Magazin, Ausgabe 11/2020

Auf die Frage, wie lange es schon 3D-Druck gibt, antworten die meisten: geschätzt seit 10 bis maximal 20 Jahren. Weit gefehlt: Bereits am 11. März 1986 wurde das US-Patent Nr. 4 575 330 veröffentlicht. Der Ingenieur und Erfinder Chuck Hull meldete es am 8. August 1984 an. Es basiert auf Entwicklungen, die er in den Jahren davor machte. „Apparatus for production of ...

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... three-dimensional objects by stereolithography“, so lautet der sperrige Titel der Patentschrift. Damit war der weltweit erste 3D-Drucker geboren, der im Stereolithografie-Verfahren arbeitete. Hull gründete das Unternehmen 3D-Systems, das noch heute zu den Weltmarktführern gehört.

Anfangs Prototyping

Schon bald wurde die Stereolithografie in der Automobilindustrie erfolgreich eingesetzt, viele weitere Branchen kamen dazu. Überall ging es zunächst darum, Prototypen preisgünstig herzustellen. Daher stammt auch der früher hauptsächlich gebräuchliche Name für diese Technik: Rapid Prototyping.

Die Technologie, die die massentauglichen und preiswerten Geräte von heute erst möglich machte, heißt Fused Deposition Modeling oder kurz FDM (deutsch: Schmelzschichtverfahren). FDM wurde von S. Scott Crump Ende der 1980er-Jahre entwickelt. 1989 gründete er mit seiner Frau Lisa die Firma Stratasys, die heute ebenfalls zu den Weltmarktführern im 3D-Druck zählt.

Zwei Herstellungsweisen

Der Grundstein für die neue Technologie wurde also schon vor über drei Jahrzehnten gelegt. Doch erst in den letzten Jahren avancierte sie zum Shootingstar. Was macht die Technologie aus?

Will man Gegenstände herstellen, kann man grundsätzlich zwischen subtraktiven und additiven Verfahren unterscheiden. Bei subtraktiven Verfahren kommt der zu produzierende Gegenstand durch das mechanische Abtragen von Material zustande. Solche Verfahren werden seit der Steinzeit eingesetzt. Aus einem passenden Rohmaterial entstanden durch Abschlagen schon vor 300 000 Jahren Faustkeile und Schaber, später Äxte, Speer- und Pfeilspitzen.

Heute kommen moderne Verfahren wie Fräsen, Drehen und Bohren zum Einsatz, hauptsächlich automatisiert durch CNC-Maschinen. Der Nachteil dabei: Die Maschinen für die Bearbeitung sind sehr teuer und tragen zudem wertvolles Material ab, das sich nur nach aufwendigem Aufarbeiten wiederverwenden lässt. Hinzu kommt, dass sich dort nichts bearbeiten lässt, wo das Werkzeug nicht hinkommt. Das betrifft zum Beispiel Hinterschneidungen oder unregelmäßig verlaufende Kanäle. In solchen Fällen hilft nur die Fertigung in Einzelteilen mit anschließender Montage.

Im Gegensatz dazu wird das Material bei einem additiven Verfahren schichtweise aufgetragen, und durch Sintern oder Verschmelzen entstehen feste Gegenstände. Der Gruppe der additiven Verfahren könnte man auch eine uralte Technik der Menschheit zurechnen, die Herstellung von Keramikgegenständen. Eine formbare Masse, in diesem Fall Lehm, wird schichtweise zu Gefäßen, Schalen und so weiter aufgebaut.

Entsprechende additive Fertigungsverfahren (englisch Additive Manufacturing oder kurz AM) haben grundsätzliche Merkmale gemeinsam. Es ist keine Form erforderlich wie beim Metallguss oder Kunststoffspritzguss. Das Objekt entsteht nur aus dem virtuellen CAD-Modell im Computer. Aus der Tatsache, dass sich jeder Gegenstand in Schichten zerlegen und umgekehrt auch zusammensetzen lässt, resultiert die Möglichkeit, Gegenstände herzustellen, die mit anderen Verfahren nicht, nur schwer oder nur mit zusätzlichen Montageschritten machbar wären. Denken Sie beispielsweise an eine Wendeltreppe in einem Turm, ein beliebtes Demobeispiel für den 3D-Druck und nur damit in einem Schritt zu erstellen. Ebenfalls wichtig: Das Verfahren funktioniert werkzeuglos, und man kann damit beliebig komplexe Geometrien erstellen.

1 Funktionsprinzip des FDM-Drucks.


Weg zur Massentauglichkeit

Nachdem 2004 verschiedene Patente ausgelaufen waren, entwickelte Dr. Adrian Bowyer, ein englischer Hochschullehrer an der University of Bath, den RepRap. Der Name steht für Replicating Rapid Prototyper. Dahinter stand die Idee, einen preiswerten Drucker für jedermann im Internet als Open Hardware zur Verfügung zu stellen.

Ein wichtiger Aspekt der RepRap-Philosophie, der sich auch im Namen widerspiegelt, war die Replizierbarkeit. Alle Kunststoffteile des Druckers ließen sich mit dem RepRap selbst herstellen, und er war somit in der Lage, sich selbst zu replizieren. Die Veröffentlichung sollte sicherstellen, dass jedermann Verbesserungen zur Konstruktion beisteuern konnte. So sollte eine Weiterentwicklung ähnlich der in der biologischen Evolution stattfinden.

Die Vorstellung, Produkte am PC mit kostenloser Design-beziehungsweise CAD-Software zu entwerfen und dann auszudrucken, faszinierte von Anfang an viele Menschen. Mit der Maker-Bewegung entstand ein Hype um diese Technologie, der vergleichbar war mit dem, der zuletzt beim Aufkommen der ersten Personal Computer zu beobachten war. Startups nahmen sich der neuen Technik an und entwarfen Geräte, die die Technologie des RepRap weiterentwickelten.

Das Beispiel der Firma MakerBot zeigt die rasante Entwicklung in der Branche. Die Firma entstand 2009 als kleine Bastelbude im New Yorker Stadtteil Brooklyn. Das Druckermodell Replikator 2 wurde in den ersten neun Monaten nach Verkaufsstart 11 000 Mal verkauft. 2013 wurde MakerBot von der bereits erwähnten Firma Stratasys übernommen, inzwischen ein US-amerikanisch-israelischer Konzern. Die Besitzer von MakerBot erhielten nach Pressemeldungen rund 400 Millionen US-Dollar in Aktien.

Wie es funktioniert

Den 3D-Druck an sich gibt es nicht. Es sind eine Reihe verschiedener Verfahren im Einsatz. Eines haben jedoch alle gemeinsam: den Druck in Schichten. Das Funktionsprinzip eines FDM-3D-Druckers lässt sich am einfachsten mit einer Heißklebepistole vergleichen. Jeder Bastler kennt solche Geräte: Ein Kunststoff wird in einer beheizten Düse verflüssigt und herausgepresst. Genauso funktioniert ein entsprechender 3D-Drucker, nur dass der verflüssigte Kunststoff nicht zum Verkleben dient, sondern schichtweise aufgetragen wird und so das Modell entsteht. Im Prinzip braucht man nur eine Mechanik zur Führung der Heißklebepistole und eine weitere, die die Materialzufuhr steuert. Abbildung 1 zeigt das Prinzip. Die Druckermechanik führt den oder die Extruder, so der Begriff für die Heißklebepistole, mit ihren beheizten Düsen, in X- und Y-Richtung über das Druckbett. Das erfolgt, angetrieben von präzisen Schrittmotoren, mittels Zahnriemen an Führungsstangen. Je stabiler und verwindungsfreier die Mechanik ausgelegt ist, desto genauer wird nachher der Druck. Bei einfachen Geräten wird der Extruder nur in X-Richtung geführt, während sich der Drucktisch in Y- und Z-Richtung bewegt.

2 3D-Druck mit Stützmaterial, das verhindert, dass frisch gedruckte Elemente zerlaufen.


Ein Motor presst den Kunststoff, Filament genannt, in der Regel von einer Spule in meist 1,75 oder 2,85 Millimeter dünnen Fäden gleichmäßig in die beheizte Düse. Oft kommen zwei Extruder zum Einsatz, einer für das Hauptmaterial, aus dem das Modell aufgebaut wird, und ein weiterer für das Stützmaterial - dazu gleich mehr. Sobald eine Schicht ausgeführt ist, muss für die nächste das Druckbett gesenkt werden.

Wird ein 3D-Modell nach oben hin breiter, gibt es ab einem bestimmten Überhangwinkel das Problem, dass das Material nicht mehr in Form bleibt. Der noch flüssige Kunststoff läuft nach unten. Das lässt sich nur mit Stützmaterial verhindern, auch Support-Material genannt. Außerdem kann ein 3D-Drucker nicht in die Luft drucken. Abbildung 2 zeigt ein Beispiel: Es leuchtet ein, dass die Arme und vor allem die Hände sich nicht ohne Auflagefläche drucken lassen. Das funktioniert nur, wie rechts im Bild, mit Stützmaterial.

Im einfachsten Fall dient dasselbe Material als Support, mit dem man das Objekt druckt. Der Vorteil dabei: Ein 3D-Drucker mit einem Extruder genügt. Nachteilig ist dagegen, dass man das Objekt nach dem Druck von den Stützstrukturen befreien und meist durch Schleifen glätten muss. Vor allem bei Funktionsmodellen oder komplizierten inneren Strukturen gelingt es nur schwer oder gar nicht, das Material restlos zu entfernen, ohne das Modell zu beschädigen.

Diese Nachteile vermeidet man mit löslichem Stützmaterial. Es gibt wasserlösliches und in Lauge oder sonstigen Chemikalien lösliches Filament. Damit lässt sich eine aufwendige mechanische Nachbehandlung umgehen. Um mit dem zweiten Material, eben dem Stützmaterial, drucken zu können, braucht man einen Drucker mit zwei Extrudern. Je nach Investitionssumme kann man hier auch Geräte mit einem großen bis sehr großen Bauraum bekommen.

Woher kommt das Modell?

Nun stellt sich die entscheidende Frage: Was soll eigentlich gedruckt werden? Man kann ja ein Objekt nicht einfach mit der Digitalkamera fotografieren und dann dreidimensional ausdrucken - zumindest nicht so einfach: Man bräuchte eine Serie von Fotos aus verschiedenen Positionen und spezielle Highend-Software zur Berechnung. Abgesehen davon ergeben sich drei Möglichkeiten: Man kann den Gegenstand mit einem 3D-CAD-Programm modellieren, ihn mit einem 3D-Scanner digitalisieren oder schlicht ein Modell des Objekts von einer Internet-Plattform herunterladen.

Das Modellieren per CAD-Software macht den meisten Aufwand, aber auch den meisten Spaß. Der eine oder andere mag einwenden, 3D-CAD-Programme seien doch so teuer, dass man sie sich nicht leisten kann. Das trifft aber nur auf Profi-Programme zu. Es gibt jedoch viele kostenlose CAD-Anwendungen, die sehr gute Ergebnisse nicht nur für Hobbyanwender liefern. Die Anschaffungskosten für einen 3D-Scanner in brauchbarer Qualität übersteigen leicht den Preis für den 3D-Drucker. Deshalb bleibt diese Variante hier außen vor.

Ein exzessiver Download vorgefertigter Modelle füllt die Wohnung schnell mit unnützem Plastiknippes; spätestens nach der vierten Star-Wars-Figur wird es langweilig. Trotzdem gibt es auch jede Menge Interessantes: nützliche Dinge für den Haushalt, jede Menge Schach- und Spielfiguren sowie sonstige Spiele, Modelle für den Hobbybastler, Modellbauer, Modellbahnfan und vieles mehr.

Workflow

Allen Varianten gemein ist ein Workflow wie in Abbildung 3. Bei der Download-Variante lassen sich oft STL-Dateien aus dem Internet herunterladen. Möchte man aber etwas ändern oder bearbeiten, was jedoch nicht alle Formate erlauben, braucht man auch hier wieder CAD-Software. Um die Daten aus dem CAD-Programm für den 3D-Druck weiterzuverarbeiten, muss die Anwendung in der Lage sein, eine STL-Datei des Modells zu erstellen und auszugeben. Das beherrschen fast alle einschlägigen Programme.

3 Der Workflow, der beim 3D-Druck in der Regel durchlaufen wird.


Die STL-Datei kann man aber nicht direkt an den Drucker schicken. Da der das Modell Schicht für Schicht druckt, braucht man noch ein weiteres Programm. Das zerlegt die STL-Datei in die einzelnen Schichten, steuert danach die Bewegung des Extruders in X- und Y-Richtung und senkt das Druckbett nach jeder Schicht in Z-Richtung ab. Derartige Software bezeichnet man als Slicer (von Slice, Scheibe). Der Slicer liefert letztendlich den G-Code, der entweder den Drucker oder eine Simulation des Druckvorgangs steuert. Die meisten Hersteller liefern den Slicer mit dem Drucker aus.

Stereolithografie?

Eingangs war ja bereits die Rede vom Stereolithografieverfahren von Chuck Hull, dem Urahn aller 3D-Druck-Verfahren. Dessen Prinzip ist einfach oder besser gesagt einfach genial. In einem Becken befindet sich ein flüssiger Kunststoff, genauer gesagt ein Epoxidharz. Es härtet unter Einwirkung von Licht aus. Der Fachbegriff dafür lautet Fotopolymer. Damit das Aushärten schneller geht, kommt ein Laser zum Einsatz, der den Kunststoff schichtweise härtet. Ein Umlenksystem mit einem beweglichen Spiegel führt diesen Laserstrahl über das Druckbett. Hat der Laserstrahl eine Schicht ausgehärtet, wird das Druckbett abgesenkt. Das Harz fließt nun über die bereits ausgehärtete Schicht, sodass wieder eine Harzschicht entsteht. Nun beginnt der Aushärtungsprozess erneut. Nach dem kompletten Vorgang wird das Modell aus dem Bad genommen und oft noch in einem separaten Vorgang nachgehärtet.

Wie FDM erfordert auch SLA Stützstrukturen: Ohne Auflagefläche würden gedruckte „Inseln“ im flüssigen Harz absinken. Der Vorteile von SLA liegt aber auf der Hand: Da wenig Mechanik bewegt werden muss, erreicht man eine deutlich höhere Druckqualität als bei FDM. Geräte, die nach dem SLA-Verfahren arbeiten, fanden sich in der Vergangenheit meist nur in der ober(st)en Preisklasse. Das Verfahren erlebt derzeit aber eine große Renaissance mit kompakten und preiswerten Geräten. Dabei läuft der Prozess meist umgekehrt: Das Modell wird aus der Flüssigkeit „herausgezogen“, was eine kompaktere Bauweise ermöglicht. Entsprechende 3D-Drucker kosten zwischen 3000 und 6000 Euro, Tendenz fallend. Sie finden vor allem Anwendung in der Dentaltechnik, in der Schmuckindustrie, bei Eisenbahn-, Schiffs- und Flugzeugmodellen und so weiter. Die Bauraumgröße ist bei diesen Geräten allerdings begrenzt.

Inzwischen gibt es eine Reihe von Abwandlungen dieser Technik. Dabei dient zum Aushärten kein Laser, dessen Strahl man aufwendig über Spiegelsysteme ablenken muss, sondern die Lichtquelle eines handelsüblichen Beamers. Man spricht hier von DLP-Druckern. Die Druckqualität hängt dabei maßgeblich von der Auflösung des Beamers ab. Bei noch einfacheren Geräten wird ein Tablet für die Belichtung verwendet.

Damit sind wir mit den Druckverfahren noch lange nicht am Ende, aber sicher mit den finanziellen Möglichkeiten von Hobby- und semiprofessionellen Anwendern. 3D-Drucker für selektives Lasersintern, Pulverdruck, Polyjet-Verfahren, Metalldruck und andere Verfahren erfordern Investitionen, die im mittleren fünfstelligen Euro-Bereich beginnen und oft sogar die Millionengrenze überschreiten.

Druckmaterialien

FDM-Drucker arbeiten mit Kunststoff in Form von Fäden. Dieses sogenannte Filament wird üblicherweise auf standardisierten Rollen geliefert in den zwei verbreiteten Materialstärken 1,75 und 2,85 Millimeter.

Das Einsteigerfilament PLA (Poly Lactic Acid, Polymilchsäure) kann jeder FDMDrucker verwenden. Der thermoplastische Kunststoff wird aus Pflanzenstärke hergestellt und lässt sich biologisch abbauen. Der harte Kunststoff ist weder brüchig noch spröde und überzeugt durch seine hohe Festigkeit und Starrheit. PLA zeichnet sich durch wenig Verzug (Warping) und eine sehr geringe Schrumpfung aus.

Das zähe und flexible ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol) verformt sich leichter, weshalb es sich beispielsweise sehr gut für „lebende“ Scharniere und Schnappverschlüsse eignet. Es lässt sich sehr gut nachbearbeiten, etwa mit Bohren, Sägen oder Schleifen. ABS weist jedoch ein höheres Warping auf als PLA und sollte nur mit Druckern mit einem heizbaren Druckbett oder geschlossenem Bauraum eingesetzt werden. Nicht selten wird ABS auch als Lego-Kunststoff bezeichnet. ABS und PLA sind beide in den unterschiedlichsten Farben lieferbar.

4 Ein komplettes Set für ein Schachspiel aus dem 3D-Drucker.


Daneben gibt es viele Mischformen und Spezialfilamente, wie beispielsweise PETG, Polycarbonat, ASA, PET, Nylon, Ultem, hochflexible Filamente und vieles mehr. Außerdem finden sich Filamente mit Holz-, Metall- oder Steinmehlbeimischungen, kohlefaserverstärkte Filamente, magnetische und elektrisch leitende Filamente im Angebot. Die größte Auswahl findet man hierzulande bei Filamentworld.de. Abbildung 4 zeigt ein Schachspiel samt Figuren, Brett aus Puzzleteilen und Aufbewahrungsbox aus dem FDM-Drucker.

5 Materialproben des Herstellers Formlabs.


Sowohl bei SLA- als auch bei DLP-Druckern wird mit flüssigem Kunststoff gedruckt, einem Fotopolymer. Es härtet unter Einwirkung von Laser- oder normalem Licht aus. Im Zusammenhang mit 3D-Druckern nennt man dieses Druckmaterial Resin. Trotz der eingeschränkten Materialvielfalt überzeugen Drucker dieser Art durch ihre hohe Detailwiedergabe, besonders bei filigranen Objekten. Formlabs, der Marktführer in der Kompaktklasse, offeriert spezielle 1-Liter-Kartuschen. Die gibt es in verschiedenen Farben, sogar in einem Color Kit mit einem Basismaterial und fünf Farbpigmenten (Cyan, Magenta, Gelb, Schwarz und Weiß), um die gewünschte Farbe selbst zu mischen. Außerdem gibt es Materialien mit unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften: belastbar oder flexibel, gussfähig, hitzebeständig, keramikartig und Materialien speziell für die Dentaltechnik 5.

Fazit

Für den Hobbybereich und die meisten professionellen Anwendungen ist ein FDM-Drucker die beste Wahl, da er universelle Einsatzmöglichkeiten bietet. Schon ab etwa 350 Euro offeriert der tschechische Hersteller Prusa sehr robuste Geräte im Bausatz und als Fertiggerät. Mit zwei Extrudern und weiteren Features steigen die Preise dann auf bis zu 1000 Euro.

Der taiwanische Hersteller Flashforge bietet ebenfalls eine breite Palette an, vom Einstiegsgerät für knapp 400 Euro bis zum semiprofessionellen Drucker für 2500 Euro mit zwei unabhängigen Extrudern. Als Mercedes unter den FDM-Druckern gelten die Geräte von Ultimaker, doch deren Qualität hat auch einen entsprechenden Preis. Der fängt bei 2000 Euro an und endet bei über 6000 Euro, je nach Bauraumgröße und Extruderanzahl.

Zum SLA-Drucker sollte man nur dann greifen, wenn dessen Vorteile kaufentscheidend sind: hoher Detaillierungsgrad, feine Strukturen, weniger hohe Anforderungen an Maßhaltigkeit. Als Einschränkung erweist sich hier der relativ kleine Bauraum. Viele Hersteller bieten inzwischen auch SLA-Drucker an; als Platzhirsch gilt hier nicht zuletzt wegen der von ihm beziehbaren Materialvielfalt der Hersteller Formlabs. Allerdings fallen auch für diese Modellen relativ hohe Kosten an.

Sicherlich kann man noch warten, bis es bessere und vor allem preiswertere Geräte gibt. Wer aber zu lange wartet, der verschläft auch eine Entwicklung, bei der dann andere die Nase vorn haben werden - sowohl beim Hobby als auch im Beruf.

(jcb)


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