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Der Oberbegriff computergestützter Technologien und Prozesse, die nach digital entworfenen Vorlagen mithilfe spezieller Drucker dreidimensionale Werkstücke herstellen, ist der 3D-Druck. Hergestellt werden diese aus festen oder flüssigen Stoffen wie Harz, Kunststoff, Keramik oder Metall. In die gewünschte Form bzw. Abmaße werden die Ausgangsstoffe vom 3-D-Drucker physikalisch durch Schnittverfahren oder chemisch durch Schmelz- und Aushärtungsprozesse gebracht.
Mithilfe des neuen umformenden 3-D-Druckverfahrens ist es möglich, Modelle und Werkzeuge herzustellen. Das gedruckte Objekt wird Schicht für Schicht in einem additiven Prozess aufgebaut. Das verwendete Material kann mit dieser Technologie einen Millimeter Höhe unterschreiten. Der Unterschied zwischen dem 3-D-Druck und dem subtraktiven Fertigungsverfahren besteht darin, dass bei dem herkömmlichen Fertigungsverfahren Material unter Entstehung von Abfallstoffen abgetragen wird, und dies bis zur Erreichung der gewünschten Form oder des Fertigproduktes.
Historie des 3D-Druckers
Im Zuge industrieller Produktentwicklungen wurden die ersten 3-D-Drucker Ende der 80er Jahre zur Herstellung von Prototypen verwendet. Erstmals patentiert wurde die 3D-Technik 1986 und auf dem freien Markt sind die 3-D-Drucker seit dem Jahr 1988. Es folgten in den Jahren 1989 die Patentierung der Laserinternmethode (SLS) sowie 1992 die Genehmigung des Fused Deposition Modelling-Verfahrens (FDM).
In dieser Zeit gründeten sich die Unternehmen EOS GmbH, 3-D-Systems und Stratasys, die bis zum heutigen Tage zu den erfolgreichsten Firmen gehören, die 3-D-Drucksysteme produzieren. Nach weiteren Patentierungen, wie Ballistic Particle Manufacturing (BPM), Laminated Object Manufacturing (LOM) sowie Solid Ground Curing (SGC) wurde der 3-D-Druck nicht nur für die Prototypenherstellung genutzt, sondern es wurden auch spezifische Werkzeuge, Gussformen und auch schon kleine Serien komplexer Endprodukte hergestellt.
Der erste 3D-Drucker, der in der Lage war, seine Kunststoffteile mittels Autoreplikation selbst herzustellen, wurde im Jahre 2007 entwickelt. Die Gerätepläne und der Softwarecode wurden vom Entwickler dieses Druckers als frei nutzbare General Publik License zur Verfügung gestellt, was den Grundstein für die bis heute wachsende 3D-Druck Open Sourcebewegung legte.
Erst 2009 konnte der erste kommerzielle RepRap-Drucker „BfB RapMan 3 D Printer“ auf dem Markt präsentiert werden. Für private Zwecke wurde der 3-D-Drucker seit 2009 interessant, weil sich die ersten 3-D-Drucker-Agenturen etablierten. Analog zu den gewöhnlichen Druckershops werden Objekte nicht industriell, sondern auf Auftragsbasis hergestellt. Da auch auf dem Sektor der 3D-Drucker die Preise günstiger werden, ist es möglich, bezahlbare Geräte für die private Nutzung zu erwerben.
Die 3D-Druck-Technologie
Der 3-D-Druck basiert auf einem digitalen dreidimensionalen Modell, das von entsprechenden Programmen und Scanner hergestellt wird. 3D-CAD bezeichnet den Industriestandard. Das Modell wird dann gemäß verwendeter Technologie real in sogenannten Layern, wie die Schichten unterschiedlicher Materialien genannt werden, aufgebaut.
Prototypen für die Industrie werden vorrangig aus verschiedenen Kunststoffen, Keramik, Metall und sogar Sand hergestellt. Die Kunststoffe ABS und PLA werden ausschließlich von 3-D-Druckern für Endverbraucher genutzt. Je nach den gewünschten Eigenschaften, die das Endprodukt haben soll, unterliegt die Materialverarbeitung verschiedenen Ansätzen.
Bei einigen 3-D-Druckern verschmilzt pulverisiertes Material in Verbindung mit einer Licht- bzw. Hitzequelle zur gewünschten Form. Auch Drucker, die Polymerharz verwenden, finden ihre Anwendung. Das Harz wird hierbei in ultra-dünnen Schichten durch einen Laser gehärtet.
Ein alternatives Verfahren, das an die Tintenstrahl-Drucktechnologie angelehnt ist, sprüht feine Tröpfchen auf. Anschließend werden sie zu Schichten verbunden. Das Fadenextrudieren von PLA oder ABS-Kunststoffen durch Hitzeeinwirkung stellt das häufigste Verfahren, mit denen Verbraucherdrucker arbeiten, dar.
Auch die Kombination verschiedener Werkstoffe und Verfahren sowie die Kombination unterschiedlicher Härtegrade und Farben ist beim 3-D-Druck möglich. Der 3-D-Druck beinhaltet neben der reinen Druckfunktion Funktionen in der Vorbereitung sowie in der Nachbearbeitung entstandener Druckteile.
Neue Designprozesse sind für den 3-D-Druck ebenso notwendig, wie die Aufarbeitung und Konvertierung der zugrunde liegenden Datensätze. Die Optimierungsprozesse, die nach dem Druck erfolgen (wie schleifen, lackieren und notwendig werdende Anstriche) werden oft noch von Hand ausgeführt. Um auf dem Massenmarkt bestehen zu können, ist in diesem Bereich weitere Arbeit zu leisten.
Einsatzbereiche der 3D-Drucker
3D-Drucker werden beispielsweise bei der Fertigung von Modellen und Prototypen in der Automobilindustrie, im medizinischen Bereich bei der Fertigung von Prothesen und für kleine Ersatzteile für diverse Gerätschaften eingesetzt. Sogar Schmuckstücke, die industriell gefertigt werden, und komplexe architektonische Modellbauten werden mit dem 3-D-Drucker erstellt.
Ein besonderer Bereich seines Einsatzes ist die Forschung. Hier arbeitet man mit 3-D-Druckern, um Reliquien oder fossile Skelette darzustellen. Nicht zuletzt sind sie in der Luft- und Raumfahrt, der Zahnmedizin und Telemedizin sowie Design, Robotik und Filmindustrie ebenfalls eingesetzt. Auch in den Privathaushalten haben die 3-D-Drucker Einzug gehalten. Mittlerweile wird es bei Privatpersonen immer beliebter, Gegenstände dreidimensional zu drucken.
3D-Drucker in der Zukunft
Aufgrund der Tatsache, dass beim 3-D-Druck das aufwendige Herstellen von Formen und der Formenwechsel entfallen, hat der 3D-Druck einen großen Vorteil gegenüber konkurrierender Herstellungsverfahren, wie z. B. dem Spritzgussverfahren oder dem Tiefziehen.
Die spezifischen Eigenschaften des Druckes gehen mit den sich abzeichnenden wirtschaftlichen und sozialen Trends konform. Einer der budgetintensivsten Aspekte der industriellen, herkömmlichen Produktion stellt die Produktion von Werkzeugen dar. Da der 3-D-Druck ohne Werkzeuge auskommt, stellt er einen Lösungsansatz dar.
Ebenfalls positiv wirkt sich das Wegfallen von Abfallprodukten sowie eine unnötig werdende Logistik durch Print-On-Demand enorm positiv auf die Umwelt aus. Der 3D-Drucker wird durch die aktuellen technischen Entwicklungen immer effizienter, was von Experten als eine neue industrielle Revolution interpretiert wird. Der 3-D-Drucker wird sich künftig als Standard durchsetzen.
3D-Drucker Bestenliste
Die besten 3D-Drucker im Vergleich:
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3D-Drucker Test Fazit
Die 3D-Drucker haben für viele Bereiche der Industrie, Wirtschaft und des täglichen Lebens eine große Bedeutung. Besonders die vielfältig einsetzbaren Werkstoffe und unterschiedlichen Druckverfahren ermöglichen eine Vielzahl von Eigenschaften und Verwendungszwecke von Prototypen und Modellen. Schon jetzt kann man erahnen, dass die 3-D-Drucker alte Dimensionen überwinden, um noch effizienter und noch individueller in die Zukunft zu gehen.
