Technologieansätze im 3D-Druck

Unter dem Begriff 3D-Druck haben sich mittlerweile eine Menge an Technologien „gesammelt“. Diese Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich des verwendeten Ausgangsmaterials und der Verarbeitungsmethode. Häufig basieren die Technologien allerdings auf denselben Grundprinzipien. Folglich ist nicht jedes neue Verfahren zwangsläufig eine ‚Revolution‘, sondern meist eine Weiterentwicklung bzw. Modifikation bereits existierender 3D-Druck-Technologien.

Hier gibt es generell drei Herangehensweisen: Die bekanntesten sind der Colorjet-3D-Druck sowie das Lasersintern (SLS) bzw. -schmelzen (SLM). Ersteres arbeitet chemisch (verkleben), letztere Verfahren thermisch (laserbasiert).
Das Colorjetverfahren setzt auf einen chemischen Binder (Kleber) zum Formen von Polymergips. Der Binder enthält Pigmente, sodass die Objekte direkt farbig gedruckt werden können. Der Vorteil des Verklebens ist der, dass es unerheblich ist, aus welchem Material das Pulver ist. So können mit einer vergleichbaren Technologie auch Sandformen für den Metallguss (z. B. Voxeljet, ExOne), Metalle (ExOne) oder andere Materialien wie Keramik, Glas oder Holz verwendet werden.

Seit kurzer Zeit gibt es von HP ein weiteres System, das dem pulverbasierten 3D-Druck zuzurechnen ist. Bei der Multi Jet Fusion werden Thermoplaste zunächst mit einer Wärme leitenden Flüssigkeit benetzt und anschließend mittels infrarotem Licht gesintert. Das Ergebnis sind Teile, welche optischen denen vom Lasersintern ähneln, allerdings eine höhere Dichte und damit Stabilität aufweisen.

Hierbei werden photosensitive Kunstharze mithilfe einer Lichtquelle (UV-Licht, Laser) ausgehärtet. Die bekanntesten Verfahren sind die Stereolithografie (SLA), Digital Light Processing (DLP) und das Polyjetverfahren. Bei der Stereolithografie wird ein flüssiges Kunstharz schichtweise mittels eines (UV-) Lasers ausgehärtet. Dieses Verfahren war im Übrigen das aller erste Rapid Prototyping Verfahren, die Entwicklungen dazu begannen bereits in den 1970er Jahren. DLP-Systeme funktionieren nach fast exakt dem gleichen Prinzip, jedoch kommt da anstatt eines Lasers ein Projektor zum Einsatz. Der Vorteil dabei ist, dass deutlich höhere Druckgeschwindigkeiten erzielt werden können (eine Schicht wird durch die Projektion vollständig ausgehärtet), allerdings können je nach Auflösung noch einzelne Pixel zu sehen sein.
In diesem Technologiefeld drängt grade ein neues Verfahren (CLIP, ein DLP-basiertes Verfahren) auf dem Markt und verspricht in puncto Geschwindigkeit neue Maßstäbe zu setzen, da die Schichten vollständig weggelassen werden und der Druck kontinuierlich erfolgt.

Polyjet Systeme (Stratasys) bzw. Multijet-Modeling (3D Systems) arbeiten etwas anders. Es werden kleinste Tropfen des Harzes auf eine Plattform aufgetragen und anschließend mittels eines am Druckkopf befestigten UV-Lasers sofort ausgehärtet.

Bei diesen 3D-Drucksystemen werden die Materialien mittels eines Extruders ausgebracht und härten durch verschiedene Möglichkeiten aus. Das mit Abstand wichtigste Verfahren ist der Filament 3D-Druck (FDM oder FFF), bei welchem Kunststoff (Thermoplaste; häufig ABS, PLA und Polyamide) in Drahtform geschmolzen und aufgebracht werden. Einmal aufgetragen kühlt der Kunststoff ab und verfestigt sich. Neuere Methoden setzten den Kunststoffen andere Materialien bei, z. B. Keramik oder Metalle. Bei letzterem haben Markforged sowie Desktop Metal neue Ansätze verwirklicht. Dabei sind in den Filamenten, Metallpulver enthalten, welche nach erfolgtem Druck gesintert werden.

Andere Systeme sind momentan noch eher exotisch und arbeiten bspw. mit chemischer Aushärtung (Zement beim Häuser 3D-Druck, z. B. Apis-Cor) oder sogar biologisch (Bio 3D-Drucker, z. B. Organovo). Diese Systeme arbeiten meist mit Druckköpfen, die einer Spritze ähneln. Mit derartigen Systemen können inzwischen selbst Nahrungsmittel (z. B. Choc Edge) gedruckt werden.