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Unter 3D-Druck wird eine Vielzahl an Technologien zusammengefasst, die teilweise wenig miteinander gemeinsam haben. Vom Polymer (Kunststoff) über „normale“ Metalle bis hin zu High-Tech-Materialien und Bio-Gewebe werden mittlerweile viele Werkstoffe verarbeitet. Gemeinsam ist allen Technologien das Prinzip der additiven Fertigung (Definition). Bei der Anschaffung eines Systems z.B. in Metall gibt es einiges zu beachten und womöglich ist die Anschaffung eines eigenen Systems gar nicht sinnvoll.

Was bedeutet additive Fertigung?

Man könnte nun einfach erläutern: Additive Fertigung ist das Gegenteil von substraktiver Fertigung. Es wird also nicht Material aus einem vollen Körper nach und nach entfernt (z.B. mittels Zerspanen), sondern vielmehr Schicht für Schicht aufgebaut. Bei allen Technologien des 3D-Drucks wird ein in einem CAD-System konstruierter – oder mittels eines Scanners abgebildeter – Körper zunächst in einzelne Schichten zerlegt und an das jeweilige 3D-Druck System als Datensatz übergeben. Dort wird er dann aus diesen Schichten aufgebaut. Die genauen Verfahren der additiven Fertigung werden weiter unten behandelt. Zunächst sehen wir uns die einsetzbaren Materialien an.

Welche Materialien kann man 3D-Druck verarbeiten?

Die ersten 3D-Druck-Systeme konnten Kunststoffe (Polymere) und bald auch Elastomere (also flexible Materialien wie Gummi) verarbeiten. Mittlerweile können Metalle wie Stahl, Aluminium und Titan in verschiedenen Verfahren verarbeitet werden. Auch Legierungen wie etwas Nitinol oder auch fast reines Kupfer sind inzwischen im Einsatz. Neuere Systeme verarbeiten Keramiken ebenso wie Glas und Bio-Gewebe – zum Beispiel in der Medizin. Eine (sicherlich nicht vollständige Übersicht) an verfügbaren Materialien finden Sie unten kategorisiert nach Werkstoffart.

Metallische Werkstoffe (Pulvermaterial)

  • Edelmetalle (Platin, Rhodium, Iridium, Palladium, Silber, Gold)
  • Amorphe Metalle (Zirkonium, Kupfer, Aluminium, Niob)
  • Refraktärmetalle (Niob, Molybdän, Wolfram und Tantal)
  • Titan Legierungen
  • Nickel Legierungen
  • Cobalt Legierungen
  • Edelstähle
  • Hochfeste Stähle
  • Aluminium
  • Magnesium
  • Keramik – Hierzu finden sich auch lesenswerte Beiträge vom Fraunhofer Institut, dem Journal of Ceramic Science and Technology und der Keramischen Zeitschrift.

Anbieter dieser Werkstoffe sind (unter anderem) HeraeusthyssenkruppoerlikonnmdBöhlerUddeholm und H.C.Stark.

Kunststoffe

Der Kunststoff-3D-Druck ist eines der ältesten Verfahren im Bereich der additiven Fertigung und dementsprechend gibt es hier eine breite Auswahl an Materialien:

  • ABS
  • PLA (Polylactide)
  • PVA (Polyvinylalkohol)
  • PA mit Glasfaseranteil
  • Nylon / PA 66
  • PA mit Carbonfaseranteil
  • TPU (Polyurethan)
  • PA mit Aluminiumanteil
  • PS
  • PP
  • Photopolymerharz
  • Silikongummi
  • und weitere

Glas

Die additive Fertigung von Glas steht noch recht weit am Anfang, auch wenn das Verfahren bereits 2015 am MIT erprobt wurde. Im April 2017 hat auch das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) nachgezogen und ebenfalls ein Verfahren für den 3D-Druck von Glas vorgestellt.

Biogewebe

Auch Biogewebe wird man demnächst „drucken“ können, um beispielsweise Zellgewebe für Transplantationen zu erzeugen. Vielleicht wird man eines fernen Tages sogar ganze Organe damit herstellen können. Eine umfangreiche wissenschaftliche Abhandlung findet sich vom Juni 20171. Selbst auf Wikipedia findet sich mittlerweile der Begriff des Bioprinters. 3D natives erläutert sehr schön, welche Technologien eingesetzt werden und macht auch verständlich warum das Thema sehr interessant ist: Aufgrund der teilweise sehr langen Wartelisten für Transplantationen.

Nahrungsmittel

Selbst für Lebensmittel gibt es mittlerweile mehrere additive Herstellungsverfahren. Vom Pizzadrucker über Schokoladendrucker, Pfannkuchendrucker, Käsedrucker bis hin zu Nudeldruckern und einem Drucker für kalorienfreie Mahlzeiten aus Nanozellulose ist eine breite Auswahl an Systemen verfügbar.

Welche Verfahren für die additive Fertigung gibt es?

Mittlerweile gibt es eine Vielzahl an unterschiedlichen Technologien, die zum Einsatz kommen. Dies hat einmal mehr die Messe formnext gezeigt. Grob unterscheiden muss man die Verfahren nach dem verwendeten Material.

Metalle werden in laserbasierten Systemen mittels des Selektiven-Laser-Sintern oder dem Selektivem-Laserschmelzen hergestellt. Es gibt noch eine Reihe weiterer Verfahren, diese beiden Techniken sind jedoch am weitesten verbreitet:

  • Selective Laser Sintering (SLS)
  • Electron Beam Melting, Electron Beam Additive Manufacturing Elektronenstrahlschmelzen (EBM/EBAM)
  • NanoParticle Jetting™

Die bekanntesten Herstellungsverfahren für Kunststoffe sind das Fused Deposition Modeling (FDM) und die Stereolithografie (SL, STL, SLA), daneben gibt es aber noch eine Reihe anderer Verfahren:

  • Polygraphie, Polyjet, Inkjet
  • Multi Jet Modeling (MJM), Polyjet Verfahren
  • Film Transfer Imaging Verfahren (FTI)
  • Polymergipsdruck (3DP)
  • FFF (=FDM)
  • Digital Light Processing (DLP)

Insgesamt kann man sagen, daß das Thema 3D-Druck / additive Fertigung sicherlich eine disruptive Technologie mit enormen Nutzen für die Zukunft ist. Man sollte jedoch bedenken, was beim Einsatz dieser Technik beachtet werden muss und ob es nicht klüger ist, zunächst nicht selbst zu investieren und statt dessen einen Dienstleister zu nutzen.

Sie haben Fragen zum Thema 3D-Druck?



Fußnoten

  1. Mir Tanveer Ahmad and Nakamura Makoto. Tissue Engineering Part B: Reviews. June 2017, 23(3): 245-256