Prolog

Der 3D-Druck ist die Methode, die dazu geführt hat das jedermann im eigenen Haus Objekte produzieren kann. Objekte, bei denen man früher gezwungen war sich eine Firma zu suchen die einem die Dinge zu erschwinglichen Kosten produziert. Was das Internet für die Schreiber (Veröffentlichungen für jedermann), ist der 3D-Druck für die Bastler (Bauteile für jedermann).

So wie das Internet die Vormacht der Verleger und Druckereien brechen konnte, so könnte der 3D-Druck die Vormacht der Industrie brechen. Die Volks-Fabrik sozusagen. Nachdem die Kosten für die Anschaffung eines 3D-Druckers in einen für Privathaushalte erschwinglichen Rahmen gesunken sind, steht dem Traum vom eigenen Bauteil-Design nichts mehr im Wege.

Zeit sich mit den Grundlagen zu befassen.

Verfahren

Es gibt eine ganze Reihe von Druckverfahren und Druckmaterialien, die sich auch alle in den Kosten für die Geräte und das Material niederschlagen.

Grundsätzlich gibt es „additive“ und „subtraktive“ Verfahren. Vereinfacht gesagt: Additiv bedeutet ich nehme ein Material, und baue daraus Stück für Stück ein Werkstück zusammen (also wie eine Konstruktion oder wie stricken). Subtraktiv bedeutet ich nehme einen kompletten Block, und schneide so lange Material weg, bis mein gewünschtes Werkstück entsteht (etwa wie Bildhauerei oder Holz-Schnitzereien).

Unter dem 3D-Druck versteht man meist die additiven Verfahren. Subtraktive Verfahren gibt es hingegen schon lange: jede CNC-Maschine ist im Grunde ein subtraktiver 3D-Drucker.

FDM und FFF

Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) sind additive Verfahren. Sie funktionieren im Grunde wie eine Heißklebepistole. Man nimmt ein Material das bei Hitze weich wird, und presst es durch eine Düse. Die Düse fügt das Material an die Stellen an denen es gebraucht wird, wo es abkühlt und die feste Form bildet.

Der Vorteil ist, das diese Methode denkbar einfach ist, und theoretisch beliebig große Gebilde ermöglicht (sofern die Düse weit genug bewegt werden kann). Der Nachteil ist, das sich nicht jedes Material so verarbeiten lässt, und manche Materialien eine sehr hohe Temperatur benötigen, was die Verwendung im Heimgebrauch schwierig macht. Deswegen werden in diesen Verfahren meist Kunststoffe verwendet.

Einen weiteren großen Nachteil kann jeder Nachvollziehen, der schon einmal versucht hat etwas zu kleben. Das Material erstarrt nicht sofort. Bei dem Versuch etwas zu kleben, muss man die Werkstücke eventuell fixieren, sprich festhalten. Genau das Problem entsteht hier auch, wenn es in dem gewünschten Werkstück überhängende Strukturen gibt. Dann müssen eventuell stützende Elemente eingebaut werden, die man später wieder entfernen muss.

SLM und SLS

Selective Laser Melting (SLM) oder Selective Laser Sintering (SLS) sind ebenfalls additive Verfahren. Hier werden verschiedene Materialien in Pulverform verwendet (Kunststoffe, Metalle, Gips, …). Es wird eine dünne Schicht aufgetragen, und ein Laser geht über die Schicht und verschmilzt die Pulverkörner an den benötigten Stellen. Schicht für Schicht entsteht das Werkstück. Farbdruck ist hier durch farblich versetzte Pulvergemische möglich.

Das Pulver das nicht benötigt wird, bleibt lose zurück und muss später entfernt (oder wiederverwendet) werden. Praktischerweise stützt es bis da hin das Werkstück, was uns besondere Strukturen zum Abstützen erspart.

Stereolithografie

Bei der Stereolithografie wird Kunstharz mit Hilfe von UV-Licht punktuell ausgehärtet. Ein Becken voller Harz wird Schicht um Schicht weiter gefüllt, und in jeder Schicht die benötigte Form gehärtet. Der Nachteil ist hierbei, das eben nur Materialien verwendet werden können, die man mittels Licht schnell aushärten kann und die bis da hin flüssig sind. Diese Materialien bergen meist selber Nachteile, sie bleichen zum Beispiel gern aus oder werden porös. Die Grundsätzliche Reaktion auf Licht verschwindet eben nicht vollständig.

Der Vorteil, wir brauchen auch hier keine stützenden Strukturen.

Polyjet

Hier wird Kunstharz in kleinen Tropfen aufgetragen, und sofort mittels UV-Licht ausgehärtet. Dieser Ansatz ermöglicht den Einsatz mehrerer Druckköpfe im Parallelbetrieb, die verschiedene Kunstharze verwenden und so Werkstücke aus Materialien mit verschiedenen Eigenschaften in einem Rutsch aufbauen können.

Papierdruck

Einfacher geht es kaum. Bei diesem Verfahren bestehen die Schichten, aus denen sich das Werkstück zusammensetzt, aus Papier. Man nehme ein Blatt, drucke darauf die Form die man in dieser Schicht gern hätte, klebe es auf die Schicht darunter und schneide die Ränder ab. Das kann man theoretisch auch per Hand machen.

Die Drucker dieser Machart nehmen einem die ganze Arbeit ab. Sie verwenden eine Farbe, die das Papier möglichst schnell und vollständig durchdringt. Aufkleben mit exakt platziertem Klebstoff und abschneiden der Ränder geht ebenfalls vollautomatisch und weitaus präziser als man es per Hand machen könnte.

Die Vorteile liegen auf der Hand: Man kann von den jahrelang erprobten Techniken der Tintenstrahldrucker profitieren. Dementsprechend sind alle möglichen Farben und Formen im Werkstück denkbar. Die verwendeten Materialien können auch recht umweltfreundlich gestaltet werden. Im Gegenzug ist man aber eben auch in der Materialwahl wieder relativ eingeschränkt.

Als kleine Besonderheit könnte man sich bei diesem Verfahren streiten, ob es additiv oder subtraktiv ist. Es gibt Argumente für beides: erst wird hinzugefügt, dann wieder entfernt.

Vergleich

Welches Verfahren den eigenen Zwecken am besten dient, hängt natürlich von den Zwecken ab.

FDM basiert hauptsächlich auf Kunststoffen, ist aber einfach und günstig. SLM lässt eine größere Materialwahl zu, ist aber aufwändiger und teurer. Lithografie lässt hübsche Formen entstehen, die aber nicht für lange Haltbarkeit unter der Sonne gedacht sind. Papierdruck lässt ebenfalls sehr schöne Formen entstehen, die aber weder Feuerfest sind noch auf einem Werkstoff basieren aus dem man seine Zimmermanns-Werkzeuge konstruieren möchte.

Letztendlich kann man in allen Verfahren recht schnell erste Prototypen und Anschauungsmodelle erstellen. Soll es dabei bleiben, ist die Wahl wohl eher Geschmackssache. Soll es aber ein benutzbares und belastbares Bauteil werden, wird die Auswahl je nach Belastungsart schon deutlich enger.

Software

Um etwas drucken zu können, muss man eine Vorlage haben. Beim 3D-Druck, muss die Vorlage logischerweise dreidimensional sein. Damit ergibt sich, ebenso logisch, das wir ein Programm benötigen in dem wir dreidimensionale Modelle erstellen können.

Dann muss das Modell an den Drucker übergeben werden. Dafür braucht es ein Dateiformat, das möglichst alle Drucker verstehen. Also solches dient zum Beispiel STL (Surface Tesselation Language oder Standard Triangulation Language).

Und der Drucker muss natürlich zu guter Letzt noch wissen, in welche Maschinenbefehle ein Modell umzusetzen ist.

Konstruktionssoftware

Als erstes sind schon mal so ziemliche alle gängigen CAD-Programme in der Lage diesen Job zu erledigen. Allerdings können die recht teuer sein, hier kann man sich eventuell mit kostenlosen Probeversionen behelfen. Die sind meist entweder in der Funktion oder der nutzbaren Zeit eingeschränkt, können aber je nach Bedarf für den eigenen Zweck reichen.

In zweiter Instanz gibt es auch eine Reihe von Programmen für das 3D-Modeling, die eher der Medien-Branche entstammen. In Computerspielen und selbst im Film gibt es ja meist reichlich Computer-generierte Modelle, die auch alle mit einem Programm erstellt wurden. Ein solches Programm wäre zum Beispiel Blender. Blender ist OpenSource und kostenlos verfügbar für jedermann, Tutorials gibt es reichlich im Netz.

Und wenn das alles nicht hilft, gibt es mittlerweile auch reichlich Webseiten zu dem Thema. Dort werden nicht nur Modelle zur freien Verfügung gestellt, sondern auch gleich die passenden Druckdienste angeboten. Und, nicht zu vergessen, auf einigen Webseiten kann man sein Modell auch direkt im Browser konstruieren.

Treiber

Letztendlich muss der Drucker das Modell dann noch verstehen und umsetzen können. Dafür wird von den Druckerherstellern meist eine freie OpenSource-Software verwendet. Auch davon gibt es einige: Pronterface, Repetier, Skeinforge, Slic3r. Hier einzusteigen würde etwas zu weit führen, aber es sollte prinzipiell nicht all zu schwierig sein sich einen eigenen 3D-Drucker zu konstruieren. Letztendlich gibt es heute noch viele Drucker die als Bausatz zu erwerben sind, und deren Teile ebenso aus dem 3D-Drucker stammen. Auch die heute verfügbaren Drucker, haben demnach irgendwann als Werkstück in einem Drucker begonnen.

Intro: 3D-Druck