3D Drucker im Überblick

Kaum eine Technologie fasziniert Technik-Enthusiasten derart so sehr wie der 3D-Druck. Dies ist auch nicht verwunderlich, eröffnet sie doch gerade für Privatanwender Möglichkeiten, die bis vor wenigen Jahren ausschließlich großen Unternehmen vorbehalten waren. Grund genug also, etwas tiefer in die Materie einzusteigen und der Faszination, die 3D-Drucker auf Heimanwender ausüben, auf den Grund zu gehen.

Die Geschichte des 3D-Drucks

Die Ursprünge des 3D-Drucks reichen zurück bis zu den Wurzeln der Menschheit, denn schon seit mehreren Tausend Jahren kommen diverse additive Fertigungsverfahren zum Zweck der Erschaffung von Kunst oder Alltagsgegenständen zur Anwendung.

Die Vorläufer der heutigen3D-Drucker sind also beispielsweise die Töpfer, Steinmetze und Bildhauer der Antike, die aus diversen Materialien Schritt für Schritt dreidimensionale Skulpturen entstehen ließen. Moderne 3D-Drucker sind daher nichts weiter als eine digitalisierte und technisierte Form des ursprünglichen Handwerks, jedoch mit dem Unterschied, dass der gesamte Vorgang automatisiert vonstattengeht. Der moderne 3D-Druck ist hingegen gerade einmal etwas mehr als 30 Jahre alt. Im Jahr 1984 war es der US-Amerikaner Chuck Hall, der mit der Stereolithographie das erste moderne additive Fertigungsverfahren entwickelte und mit seiner Firma 3D Systems patentierte.

Nach der erfolgreichen Kommerzialisierung wurden die 3D-Druckverfahren zusehends verfeinert, sodass die damit hergestellten Erzeugnisse in puncto Qualität, Haltbarkeit und Stabilität immer besser wurden. Aufgrund der technischen Deflation und der damit einhergehenden Kostensenkung kommen additive Fertigungsverfahren nicht mehr nur im Rahmen der industriellen Produktion zum Einsatz, sondern erobern dank vergleichsweise günstiger 3D-Printern auch immer mehr Privathaushalte.

Wie funktioniert ein 3D-Drucker?

Auch wenn es im Detail unterschiedliche Druckverfahren gibt, so basieren alle 3D-Drucker doch auf dem gleichen grundlegenden Prinzip des schichtweisen Aufbaus einer dreidimensionalen Struktur aus einem oder mehreren Ausgangsmaterialien. Diese Ausgangsmaterialien, zu denen unter anderem Keramiken, Kunststoffe, Kunstharze und Metalle zählen, werden je nach Verfahren auf physikalische oder chemische Weise präzise gehärtet respektive aufgeschmolzen, bis die gewünschte Struktur entsteht. Basis für diese additive Fertigung ist ein dreidimensionales Computermodell des zu erschaffenden Objektes.

Dieses Modell kann mit Hilfe von spezieller CAD-Software oder anderweitigen 3D-Grafik-Tools nach eigenen Maßgaben sogar am heimischen Computer erstellt und in ein von 3D-Druckern lesbares Dateiformat umgewandelt werden. Auf Grundlage der Datei errechnet die Software des 3D-Druckers alle notwendigen Parameter und Positionsdaten, die benötigt werden, um den Präzisionslaser beziehungsweise die Extruderdüse des jeweiligen 3D-Druckers punktgenau zu steuern, damit das Ausgangsmaterial an den richtigen Stellen gehärtet respektive aufgeschmolzen werden kann.

Welche 3D-Druckerverfahren lohnen sich für Privatanwender?

Im Laufe der Jahrzehnte haben einige additive Fertigungsverfahren das Licht der Welt erblickt, von denen allerdings die meisten ausschließlich im industriellen oder wissenschaftlichen Kontext zur Anwendung kommen, da insbesondere die Hardware für den privaten und semiprofessionellen Gebrauch deutlich zu teuer ist.

Dennoch haben sich im Bereich der privaten Anwendung vor allem drei Formen des 3D-Drucks durchgesetzt, die alle ihre individuellen Vor- und Nachteile haben, was sie für mehr oder minder spezifische Anwendungszwecke qualifiziert. Namentlich betrifft dies das Fused Deposition Modeling (FFM), die Stereolithographie (SLA) sowie das Selektive Lasersintern (SLS), wobei das FDM-Verfahren vor allem aus Kostengründen bei den meisten 3D-Druckern für den Heimgebrauch zur Anwendung kommt.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Dieses Verfahren, das auch unter der Bezeichnung Fused Filament Fabrication (FFF) bekannt ist, beruht auf dem Prinzip der Schmelzschichtung, bei dem ein Objekt Schicht für Schicht aus schmelzfähigem Kunststoff aufgebaut wird. Das dazu nötige Kunststofffilament wird im Rahmen des Prozesses durch Erhitzen verflüssigt und gelangt durch eine Extruderdüse an den zuvor punktgenau berechneten Bestimmungsort. Charakteristisch für das Fused Deposition Modeling ist zudem die Notwendigkeit von Stützstrukturen, um stark auskragende Objekte zu erstellen. Die Beschaffenheit der Stützkonstruktion wird im Zuge der Druckvorbereitung errechnet und dementsprechend Schicht für Schicht mit gedruckt. Diese kann jedoch nach dem Abschluss des Vorgangs durch Nachbearbeitung leicht entfernt werden.

Ausführliche Informationen über dieses Verfahren findet Ihr hier.

Stereolithographie (SLA)

Auch die Stereolithographie, kurz SLA oder STL, setzt auf das schichtweise Erstellen von Objekten im freien Raum auf Basis von CAD-Daten. Anders als beispielsweise beim FDM-Verfahren kommt dabei aber ein hochpotenter Präzisionslaser zum Einsatz, der flüssigen lichtaushärtenden Kunststoff an den zuvor berechneten Positionen Stück für Stück aushärtet. Die Objekte entstehen dabei auf einer Bodenplatte in einem Bad aus entsprechend geeigneten Photopolymeren, wie zum Beispiel Acryl-, Epoxid- oder Vinylesterharz. Nachdem eine Schicht durch den Laser ausgehärtet wurde, wird die Bodenplatte samt dem Werkstück in winzigen Schritten tiefer in das Kunststoffbad abgesenkt, sodass der Laser die nächste Schicht nach den Maßgaben der zugrundeliegenden CAD-Datei aushärten kann.

Ausführliche Informationen über dieses Verfahren findet Ihr hier.

Selektives Lasersintern (SLS)

3D-Drucker, die nach dem Prinzip des Selektiven Lasersinterns funktionieren, bedienen sich ebenfalls einem Laser als Präzisionswerkzeug zur Schaffung dreidimensionaler Körper. Beim SLS-Verfahren entsteht das Bauteil allerdings nicht in einem Bad aus Flüssigkunststoff, sondern in einem Pulverbett, das Schicht für Schicht aufgeschmolzen wird. Nach jeder fertigen Ebene wird die Bauplatte schließlich abgesenkt, woraufhin abermals eine dünne Schicht des Werkstoffpulvers aufgebracht wird, die im Anschluss erneut aufgeschmolzen wird. Vorteil dieser Variante ist die Tatsache, dass neben Kunststoffen auch verschiedene Metallpulver als Werkstoffe verwendet werden können, was dem Verfahren eine vielseitige Einsetzbarkeit verleiht.

Ausführliche Informationen über dieses Verfahren findet Ihr hier.

Wozu kann ein 3D-Drucker eingesetzt werden?

Das Wunderbare am 3D-Druck ist schlicht, dass sich das Einsatzgebiet für die additiven Fertigungsverfahren kaum eingrenzen lässt, zumal es sich querbeet sowohl über die Bereiche Forschung, Medizin und industrielle Fertigung als auch bis in den privaten Anwendungskontext erstreckt. In der Heimanwendung eignet sich ein 3D-Drucker beispielsweise für Modellbauer und Bastler, die Schiffe, Fahr- und Flugzeuge ganz nach ihren eigenen Vorstellungen entwerfen möchten, oder wichtige Kleinteile nachbauen wollen, die verloren gegangen sind. Diese Teile können leicht mit Hilfe der entsprechenden Grafiksoftware am Computer modelliert und binnen kurzer Zeit ausgedruckt werden, sodass kein Modell unvollendet bleiben muss.

Auch richten sich 3D-Drucker im Heimbereich an Künstler, die entworfenen Plastiken und Skulturen Leben einhauchen und diese gleich in mehrfacher Ausführung Wirklichkeit werden lassen wollen. Darüber hinaus birgt der 3D-Druck zusätzliches Potenzial für Selbstständige und Existenzgründer, die mit Hilfe der vergleichsweise kostengünstigen 3D-Drucker dazu in der Lage sind, auf eigene Faust Prototypen und sogar verkaufsfertige Endprodukte herzustellen.

Was kostet ein 3D-Drucker?

Wie viel ein 3D-Drucker für den Hausgebrauch letztendlich kostet, lässt sich pauschal nicht sagen, da der Preis in erster Linie von den Ansprüchen abhängt, die an ein Gerät gestellt werden. Einfache 3D-Printer, die sich vorwiegend für erste Experimente, nicht aber für die semiprofessionelle Anwendung eignen, sind bereits ab 300 Euro erhältlich.

Bessere Geräte, mit denen sich sehr hochwertige und robuste Objekte aus unterschiedlichen Materialien herstellen lassen, sind hingegen ab ca. 800-1.000 Euro zu bekommen, wenngleich der Preisspanne nach oben keine Grenze gesetzt ist. Etwas günstiger kommen bastelfreudige Anwender weg, denn viele Hersteller führen auch Bausätze für 3D-Printer in ihrem Sortiment, die im Vergleich zu den sogenannten Ready2Print-Geräten gut 25 Prozent günstiger sind.

Wer also über ein wenig handwerkliches Geschick und technisches Verständnis bezüglich der Funktionsweise eines 3D-Druckers verfügt, kann in dieser Hinsicht bares Geld sparen, das beispielsweise in Druckmaterialien investiert werden kann.

Welche Hersteller gibt es am Markt?

Aufgrund der rasch voranschreitenden technologischen Entwicklung sowie der steigenden Nachfrage tummeln sich derzeit bereits einige Dutzend Hersteller von 3D-Druckern auf dem Markt. Einer der führenden und derzeit bekanntesten Hersteller ist das US-Unternehmen MakerBot, das sowohl Lösungen für den industriellen als auch für den privaten Bereich im Portfolio führt. Das Modell Replicator ist das Flaggschiff des Unternehmens und bietet gerade für semiprofessionelle Anwender alles, was das Herz begehrt.

Ebenfalls in diesem Segment angesiedelt ist der deutsche Anbieter Formlabs, der im Jahr 2011 von Designern und Ingenieuren des Massachusetts Institute for Technology (MIT) gründet wurde und mit dem Spitzenmodell Form 1+ High-Resolution einen 3D-Drucker für ambitionierte Privatanwender im Programm hat. Deutlich günstiger ist der chinesische Hersteller FlashForge, der insbesondere auf Einsteigergeräte mit einem ordentlichen Preis-Leistungs-Verhältnis setzt.

Weitere bekannte Hersteller von 3D-Druckern für Privatanwender:

• Conrad
• Fab@Home
• German RepRap GmbH
• Kude3D
• Reprap
• XYZprinting

Worauf muss ich beim Kauf eines Druckers achten?

Vor dem Kauf müssen sich Interessenten zunächst einige Fragen stellen, denn nicht alle 3D-Drucker eignen sich gleich für jeden Verwendungszweck. Im Fokus steht dabei zunächst der Punkt, was und wie viel gedruckt werden soll, denn insbesondere, wer komplexe Objekte in größerer Stückzahl herstellen möchte, kommt mit einem Einsteigergerät nicht sehr weit. In einem solchen Fall sollte es ein höherklassiger 3D-Drucker mit einer hohen Druckauflösung sowie einer entsprechend hohen Druckgeschwindigkeit sein.

In Abhängigkeit davon, was gedruckt werden soll, steht auch die Auswahl der richtigen Druckraumgröße, wobei bedacht werden sollte, dass die Anschaffungskosten mit zunehmendem Druckraum ansteigen. Wer zunächst nur experimentieren oder lediglich kleinere Objekte drucken möchte, kann hingegen auf ein günstiges Modell mit kleinerem Druckraum zurückgreifen.

Mit dem Kauf eines 3D-Druckers ist es allerdings noch nicht getan, denn auf Dauer ist es vor allem das Druckmaterial, das fortlaufend Geld kostet. Die Auswahl und der Preis der zur Verfügung stehenden Materialien sollten also beim Kauf durchaus eine gewichtige Rolle spielen.

Was ist in Zukunft zu erwarten?

Der 3D-Druck feiert derzeit eine sagenhafte Erfolgsstory, was einige Börsianer nicht zuletzt dazu ermuntert, in dieser Technologie die nächste industrielle Revolution zu sehen. Und in der Tat stimmt die Entwicklung des Marktes sehr positiv, zumal das Umsatzwachstum der Branche laut einer Studie der Marktforschungs-Firma Research and Markets rund 30 Prozent beträgt und das Marktvolumen von 4,98 Milliarden US-Dollar (2015) bis zum Jahr 2022 auf satte 30,19 Milliarden US-Dollar anwachsen soll. Die rapide fortschreitende technologische Entwicklung wird dabei insbesondere die Anschaffungskosten für Privatanwender sehr schnell sinken lassen, sodass es durchaus nicht unwahrscheinlich ist, dass ein 3D-Drucker in zehn Jahren ebenso selbstverständlich in jedem Haushalt zu finden ist wie heutzutage ein konventioneller Tintenstrahl- oder Laserdrucker.

Welche Möglichkeiten sich damit für den Alltag und die Wirtschaft eröffnen, ist aber noch völlig offen. Denkbar wäre aber beispielsweise, dass Unternehmen zukünftig nur noch Baupläne ihrer Produkte verkaufen und diese dann unmittelbar beim Kunden vor Ort gedruckt werden. Sicher ist jedoch, dass über die Zukunft des 3D-Drucks gerne spekuliert werden kann.