Wie die Geräte funktionieren

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Was in aller Kürze 3D-Druck genannt wird, heißt unter Ingenieuren auch generative oder additive Fertigung. Der Grund: Anders als beim Schleifen, Fräsen, Bohren oder Drehen wird bei der Formung des Endprodukts nichts weggenommen, sondern etwas hinzugefügt. Dabei führen je nach Material mehrere Wege zum fertigen Werkstück.

Fused Deposition Modeling oder Schmelzschichtung

Dieses Verfahren findet sich bei den meisten billigen 3D-Druckern. Ein Kunststofffaden (Filament) wird von der Rolle zum Druckkopf geführt und dort erhitzt. Der geschmolzene Kunststoff wird Schicht für Schicht computergesteuert auf dem Druckertisch aufgetragen, bis das dreidimensionale Objekt fertig ist. Solche Drucker gib es auch mit mehreren Druckköpfen, sodass Werkstücke aus verschiedenen Kunststoffen entstehen oder einer der Druckköpfe Stützen für frei stehende Teile druckt, die sich später auswaschen lassen.

In gewisser Weise kann man auch das Auftragschweißen hier einordnen. Das wird inzwischen nicht nur zur Reparatur von Metallteilen verwendet. Mit einem computergesteuerten Lichtbogenschweißgerät und einem kontinuierlich zugeführten Schweißdraht lassen sich damit auch größere Metallteile herstellen, die allerdings noch stark nachbearbeitet werden müssen.

Pulverdruck

Hier wird ein pulverisierter Ausgangsstoff - Tonerde, Sand, Glas - vom Druckkopf an den Stellen mit einem Bindemittel besprüht, wo es zum späteren Erzeugnis abbinden soll. Je nach Ausgangsmaterial folgt als weiterer Bearbeitungsschritt eine Beschichtung oder auch eine Wärmebehandlung um etwa keramische Partikel zusammenzuschmelzen.

Laser- bzw. Elektronenstrahlschmelzen

Auch hier ist ein Pulver das Ausgangsmaterial. Die Partikel von metallischen Ausgangsmaterialien, von Kunststoffen, Glassand oder Keramik werden jedoch nicht mit einem Bindemittel verbunden, sondern durch Schmelzen. Überwiegend werden dazu inzwischen Laserstrahlen genutzt, weil sich deren Energie besser dosieren lässt und kein Vakuum nötig ist. Elektronenstrahlen wiederum können schneller arbeiten und sind deutlich feiner. Wegen der komplexen Technik sind 3D-Drucker mit Laser oder Elektronenstrahl recht teuer (300 000 Euro bis eine Million Euro).

Ebenfalls eine Art Schmelzvorgang findet bei einem auf der Hannovermesse 2018 vorgestellten australischen Verfahren statt. Beim Titomic-Drucker werden Metallpartikel mit einem Gasstrahl so stark beschleunigt, dass sie sich beim Aufprall verformen und miteinander verschmelzen. Der Drucker hat einen derzeit konkurrenzlosen Bauraum von 40 Kubikmetern und schafft einen Fahrradrahmen in einer halben Stunde.

Fotopolymerisation/ Stereolithographie

Verschiedene Kunstharze bilden feste Polymere, wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt werden. Viele werden das von den Kunststofffüllungen in Zähnen kennen. Für den 3D-Druck wird das Kunstharz Schicht für Schicht durch das UV-Laserlicht ausgehärtet und das entstehende Werkstück aus dem Kunstharzbad herausgezogen. Das Verfahren bietet bisher die beste Oberflächenqualität.

Laminieren

Papier oder Folien werden schichtweise aufeinander geklebt und mit einem Messer automatisch zugeschnitten. Da das Papier zuvor farbig bedruckt werden kann, lassen sich so preisgünstig vielfarbige Objekte herstellen. Große detaillierte Architekturmodelle für Stadtplaner lassen sich so gut realisieren. StS

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