3D-Druck: Wie digitale Daten zu echten Objekten werden

FDM, SLA und SLS: die drei wichtigsten Verfahren

Beim FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling) wird geschmolzener Kunststoff, meist als Filament von einer Rolle, Schicht für Schicht aufgetragen, bis das Objekt entsteht. FDM ist das günstigste und am weitesten verbreitete Verfahren, eignet sich gut für Prototypen und funktionale Teile, zeigt auf der Oberfläche aber sichtbare Schichtlinien.

Beim SLA-Verfahren (Stereolithografie) härtet ein UV-Laser flüssiges Kunstharz Schicht für Schicht aus. Das Ergebnis sind besonders glatte, detailreiche Oberflächen, die klassischem Spritzguss ähneln, allerdings sind SLA-Teile spröder und brechen leichter als FDM-Teile.

Beim SLS-Verfahren (selektives Lasersintern) verschmilzt ein Laser feines Pulver zu festem Material. Der große Vorteil: Das umgebende, ungesinterte Pulver stützt das Bauteil von selbst, wodurch sich auch bewegliche Teile und komplexe innenliegende Strukturen ohne zusätzliche Stützkonstruktion drucken lassen. Dafür ist SLS in der Anschaffung deutlich teurer als FDM oder SLA.

Vom digitalen Modell zum fertigen Bauteil

Unabhängig vom gewählten Verfahren läuft ein 3D-Druck-Projekt in vier Schritten ab. Zunächst entsteht das Objekt als digitales 3D-Modell, entweder selbst konstruiert in einer CAD-Software oder als fertige Datei heruntergeladen. Eine spezielle Software, der sogenannte Slicer, zerlegt dieses Modell anschließend in hunderte oder tausende hauchdünne Schichten und wandelt sie in G-Code um, eine Art Maschinensprache, die dem Drucker genau vorgibt, wann, wo und wie schnell Material abgelegt werden muss. Erst danach folgt der eigentliche Druckvorgang, bei dem Schicht für Schicht das Objekt entsteht. Zum Schluss steht fast immer eine Nachbearbeitung an: Stützstrukturen werden entfernt, überschüssiges Pulver oder Harz gereinigt, und je nach Anwendung wird die Oberfläche geschliffen, poliert oder eingefärbt.

Mehr als nur Kunststoff: Materialien im 3D-Druck

Am gebräuchlichsten sind nach wie vor Kunststoffe, die sich grob in drei Klassen einteilen lassen: Standard-Thermoplaste wie PLA oder ABS für Einsteiger und einfache Anwendungen, technische Kunststoffe wie Nylon oder PETG für höhere mechanische Anforderungen, sowie Hochleistungspolymere wie PEEK, die extremer Hitze, Chemikalien oder Feuchtigkeit standhalten. Darüber hinaus lassen sich inzwischen auch Metalle, Keramik, Verbundwerkstoffe mit Carbon- oder Glasfaserverstärkung und sogar Beton verarbeiten, etwa im Bauwesen für gedruckte Fundamente oder ganze Gebäudeteile. Am experimentellen Rand des 3D-Drucks steht das Bioprinting, bei dem lebende Zellen in speziellen Gelen gedruckt werden, sowie der Lebensmitteldruck, der bislang vor allem mit Schokolade funktioniert.

Gängige 3D-Dateiformate

Damit ein digitales Modell überhaupt gedruckt werden kann, muss es in einem passenden Dateiformat vorliegen. STL war das erste eigens für den 3D-Druck entwickelte Format und ist bis heute das am weitesten verbreitete, es beschreibt die Oberfläche eines Objekts über ein Netz aus Dreiecksflächen, kann aber nur ein einziges Material und eine einzige Farbe abbilden. Das offene OBJ-Format speichert zusätzlich Farb- und Materialinformationen und gewinnt mit zunehmender Verbreitung von Mehrfarbdruckern an Bedeutung. AMF und das neuere 3MF wurden entwickelt, um die Beschränkungen von STL zu überwinden, etwa durch gekrümmte statt nur flache Flächen und die Möglichkeit, mehrere Materialien in einer Datei zu speichern. Bevor gedruckt werden kann, wandelt der Slicer jedes dieser Formate am Ende ohnehin in G-Code um, die eigentliche Steuersprache des Druckers.

Beispiele für 3D-Druck

In der Automobilindustrie nutzen Hersteller 3D-Druck vor allem für schnelles Rapid Prototyping, um neue Bauteile zu testen, bevor teure Werkzeuge angefertigt werden. In der Zahnmedizin kommen SLA-Drucker zum Einsatz, um individuelle Zahnschienen oder Zahnmodelle direkt nach einem digitalen Scan des Patienten anzufertigen. Für kleine Ersatzteilserien, bei denen sich die Anschaffung einer klassischen Gussform nicht lohnt, ist SLS häufig die wirtschaftlichere Lösung. Wie schnell additive Fertigung im Ernstfall reagieren kann, zeigte sich zu Beginn der Coronavirus-Pandemie: Gemeinsam mit Ärztinnen und Ärzten entwickelte Teams druckten innerhalb weniger Tage Gesichtsschutzschilde und Ersatzteile für Beatmungsgeräte und stellten sie kurz darauf in großer Stückzahl her, ganz ohne die sonst nötige Vorlaufzeit für Spritzgusswerkzeuge. Manche Online-Druckereien bieten 3D-Druck inzwischen zusätzlich zu ihren klassischen Flachdruckprodukten als eigenen Service an.