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3D Drucker - der neueste Hype bald auch für zu Hause?

Wer sich mit 3D-Druck beschäftigt, begreift bald die Zukunftsfähigkeit und Möglichkeiten, die er einem bietet. Bisher beschäftigen sich in der Regel Tüftler und Spezialisten damit, doch die Entwicklung macht auch vor "Otto Normal" nicht halt.
Wie wäre es mit kleinen Mitbringseln für Freunde, die Sie einfach am heimischen PC selbst entwerfen und Ihnen zuhause einfach Ihr neuer 3D-Drucker druckt? Sie benötigen ein Geburtstagsgeschenk und finden einfach nicht das passende im Shop? Vielleicht freut sich der Beschenkte ja über individuell gestaltetes Gebäck aus dem 3D-Drucker. Die Bezeichnung "selbst gemacht" bekommt eine neue Dimension und ist auch was für handwerklich Unbegabte. Allerdings ist das noch Zukunftsmusik, die jedoch schon in der Ferne hörbar wird. Die Entwicklung ist in vollem Gange und nicht mehr aufzuhalten.


Inhalt

 
Was ist ein 3D Drucker?
Wie funktioniert der 3D Drucker?
Extruder – die Druckerpatrone für den 3D-Drucker
Filament: die Tinte für den 3D Drucker
Wer profitiert vom Einsatz eines 3D Druckers?
Der 3D-Drucker für den Heimgebrauch
Modelle für den 3D-Drucker
Die "Tinte" für den 3D Drucker
Wie gelangt man an Modelle für den 3D Drucker?
 


Abbildung 3D Drucker

Was ist ein 3D Drucker?

3D-Drucker sind keine Drucker im klassischen Sinne. Sie bezeichnen Maschinen, die dreidimensionale Werkstücke aus unterschiedlichen flüssigen oder festen Materialien herstellen. Kunststoffe, Metalle, Keramik oder Sand werden in dreidimensionale Formen zu Werkstücken verarbeitet. Chuck Hull, ein Amerikaner, erfand den 3D-Druck - und somit auch den 3D-Drucker - 1983. 1986 meldete er das Patent an und bezeichnete diese Technik als Stereolithographie.

Seit einigen Jahren verwendet man das Verfahren des 3D-Drucks bereits in der Industrie, um Prototypen oder Einzelbauteile herzustellen. 2016 ist es der chinesischen Firma Huashang Tengda sogar gelungen, das erste Haus zu drucken.

Für den Hausgebrauch ist das Verfahren noch zu aufwändig, zu teuer und unausgereift. Teilweise kann der Druck noch extrem viel Zeit in Anspruch nehmen und verläuft je nach Druckerqualität noch nicht so perfekt wie  gewünscht. Da der 3D- Drucker jedoch sowohl für die Industrie als auch für den privaten Bereich sinnvolle und spannende Möglichkeiten bietet, läuft auch hier die Weiterentwicklung  schnell voran. Somit wird der Erwerb eines 3D- Druckers in naher Zukunft für jeden erschwinglich und interessant sein.

Die Technik ist bereits so weit, dass auch im Low-Budget-Bereich das eine oder andere Gerät für den 3D-Druck angeboten wird. So gibt es beispielsweise statt eines 3D-Druckers einen sogenannten 3D-Drucker-Bausatz und das schon für 200 Euro oder 300 US.-Dollar. Wie die Bezeichnung Bausatz schon sagt, handelt es sich bei diesen Modellen um ein Gerät, das im Kern ein 3D-Drucker ist, aber nicht als 3D-Drucker verkauft wird, sprich: Sie müssen ihn erst noch zusammensetzen.

Doch was sind die wichtigsten Bauteile für einen 3D-Drucker und wie druckt ein solcher Drucker 3-dimensionale Objekte? Diese Fragen beantworten wir in den folgenden Abschnitten.
 


Wie funktioniert der 3D Drucker?

In der Industrie verwendet man neben flüssigem Kunststoff Pulver aus Metall oder Keramik als Material für zu erstellende 3D-Objekte. Sogar Sand kann zu 3D-Werkstücken verarbeitet werden. Schliesslich besteht das alte und wertvolle Glas ebenso aus geschmolzenem Sand.

Anders als beim Tonerpulver wird das Pulver also hier geschmolzen und anschliessend zu entsprechenden Formen zusammengebacken. Das Zusammenbacken ist das sogenannte additive Fertigungsverfahren.

Zur Herstellung eines 3D-Objektes gibt es nun mehrere Verfahren. Für den Heimgebrauch sind dabei vor allem 3D-Drucker interessant, die nach dem sogenannten Schmelzdruckverfahren (Fused Deposition Modeling, kurz FDM) arbeiten.
Beim FDM wird das das Material hoch erhitzt und verflüssigt, sodass es in diesem Zustand durch einen sogenannten Extruder auf eine Arbeitsplattform gespritzt werden kann. Die Werkstoffe werden dabei in sehr dünnen Schichten aufgetragen. Mittels Laserstrahl werden sie Lage für Lage ausgehärtet. Die Arbeitsplattform senkt sich dabei Stück für Stück, während der Laser auf gleicher Höhe weiterarbeitet.

So entstehen beispielsweise Ersatzteile, Schach- oder andere Spielfiguren, Modellautos, Puppen oder anderes Spielzeug. Der Fantasie und Kreativität sind da kaum Grenzen gesetzt.

Durch die additive Fertigung bekommt die zu erstellende Figur also nach und nach ihre Form. Die Technik dahinter ist entweder die Stereolithographie (SLA) oder das Selektive Lasersintern (SLS), ausserdem gibt es noch das Direct Metal Printing (DMP) und an weiteren wird bereits intensiv geforscht.
 

Extruder – die Druckerpatrone für den 3D-Drucker

Erhitzt wird das Material im Extruder. Dieses enorm wichtige Bauteil eines jeden 3D-Druckers erhitzt Kunststoffe, Metallpulver oder Sand auf die gewünschte Arbeitstemperatur. Ist die Verflüssigung erfolgt, ähnelt der weitere Vorgang grob dem einer Druckerpatrone, indem der Extruder durch feine Düsen das nun verflüssigte Material auf die Arbeitsplattform spritzt und somit das Objekt druckt.

Eine weitere Gemeinsamkeit haben ein Tintenstrahldrucker und ein 3D-Printer hinsichtlich der Bauform. Ebenso wie es bei einem Tintenstrahldrucker die Druckerpatrone als Einzel- oder Mehrfach-Patronen gibt, werden auch für den 3D-Drucker Mehrfach- und Single-Extruder angeboten, wobei häufig ein Dual-Extruder oder ein Single-Extruder zum Einsatz kommen. Für den einfachen Heimgebrauch ist die Einzelvariante Standard.

Die Qualität eines Extruders zeichnet sich unter anderem durch das Mass an Gleichmässigkeit aus, mit welcher er das Material auf die Arbeitsplatte spritzt. Denn je gleichmässiger dieser Prozess verläuft, umso sauberer wird der 3D-Druck. Ausserdem ist ebenso interessant, wie fein das Material sein darf, um die Düse passieren zu können.
 

Filament: die Tinte für den 3D Drucker

Filamente im 3D-Drucker sind das Pendant für die Tinte im klassischen Tintenstrahldrucker. Für das 3D-Printing bzw. das FDM-Verfahren werden zumeist thermoplastische Kunststoffe wie PLA, ABS und andere verwendet.

ABS steht dabei für Acrylnitril-Butadien-Styrol und gehört zu den amorphen Thermoplasten. Lego®-Bausteine werden zum Beispiel aus diesem Material hergestellt.

Das Material ist als Filament hitzebeständiger und stabiler als PAL, da das es erst ab 100 Grad Celsius weich wird. Allerdings ist dieser Stoff wiederum schwerer zu verarbeiten, da er beim Abkühlen stark schrumpft. Die Arbeitsplatte muss beheizt werden, damit die ersten Schichten sich nach dem Auftragen nicht schon zusammenziehen und so das ganze Stück ungleichmässig verzieht. ABS ist daher für Laien eher ungeeignet.

Mit dem PAL-Filament (Polylactid) sind hingegen auch bei Laien gute Ergebnisse erzielbar. Die Schmelz- und damit die Verarbeitungstemperatur liegen unter dem eines ABS-Werkstoffes und auch die anschliessende Bearbeitung gelingt eher, wenn das Druckerzeugnis aus PLA besteht. Des Weiteren hat PLA den Vorteil, dass es nicht so sehr nach dem Abkühlen schrumpft. Da der Werkstoff jedoch schon bei 60 Grad Celsius weich wird, sollten Sie damit angefertigte Werkstücke nicht im Hochsommer im Auto liegen lassen, es sei denn, Sie mögen Skulpturen nach dem Vorbild Dalís.
Im industriellen Sinne ist PLA o – auch Polyester der Milchsäure genannt – sogar unter besonderen Bedingungen biologisch abbaubar, für den heimischen Komposthaufen allerdings nicht zu bewältigen.

In einem Shop für 3D-Druck wird Ihnen das Filament um eine Spule gewickelt angeboten, sodass es einem sehr dünnen Draht ähnelt. Je feiner der Werkstoff, umso feiner kann auch das Endprodukt verarbeitet werden. So finden Sie auf dem Markt und in der industriellen Fertigung Stärken von mehr als 200 mm, aber auch 175 mm oder 100 mm und weniger.

Anbieter sind zum Beispiel German Reprap aus Feldkirchen, EnvisionTEC aus Marl, 3D Systems, FormLabs, MakerBot / Stratasys aus den USA oder Ultimaker aus den Niederlanden. Sogar das Elektronikunternehmen Conrad bietet mit dem Renkforce RF1000 seinen ersten eigenen 3D-Drucker an. Die Arbeitsplattform senkt sich dabei Stück für Stück. So entstehen dann beispielsweise Ersatzteile, Schach- oder andere Spielfiguren, Modellautos, Puppen oder anderes Spielzeug. Der Phantasie und Kreativität sind da kaum Grenzen gesetzt.
 


Wer profitiert vom Einsatz eines 3D Druckers?

Der Hotelier und Restaurantbesitzer könnte mit Nudeln aus dem 3D-Drucker seine ganz individuelle Pasta-Spezialität anbieten, während der Konditor seine besonderen Schokoladen-Kreationen am Computer entwerfen und auf individuellem Kundenwunsch ausdrucken könnte. In diesen Fällen bestünde die Tinte selbstverständlich aus Lebensmitteln. Man arbeitet bereits an so einer "individuellen Nudelmaschine". Der Druck der Nudeln würde allerdings noch Stunden in Anspruch nehmen - zu lange für den hungrigen Gast.

Der Architekt könnte sich über eine leichtere Herstellung seiner Modelle im Drucker freuen, anstatt in aufwändiger Arbeit selbst Hand anzulegen und kostbare Zeit zu verlieren. Auch der Künstler könnte sich hier austoben und seine Kreativität dem 3D- Drucker anvertrauen. Archäologen und Museologen wären dankbar, könnten sie schnell eine getreue Replik der wertvollen Fundstücke anfertigen und in Ausstellungen dem Publikum präsentieren. So kann das Original besser geschützt und erhalten werden.
 


Der 3D-Drucker für den Heimgebrauch

Ersatzteile schnell selber ausdrucken, z.B. kleine verloren gegangene Spielfiguren oder abgebrochene Handtuchhaken ersetzen, macht den 3D Drucker auch für den Heimgebrauch attraktiv. Ebenso Hüllen oder Gehäuse für technische Kleingeräte wie das Smartphone oder Tablet können schnell, bequem und passgenau ausgedruckt werden. Selbst Puppen oder Modellautos als Spielzeug für die lieben Kleinen machen den 3D Drucker zu Hause zu einer sinnvollen Anschaffung.

Wer Zeit hat, kann zu Hause auch kreativ werden und Schmuck- und Modeaccessoires selber entwerfen und drucken, sogar ohne eine ruhige Hand zu haben. Vielleicht benötigen Sie lediglich ein kleines Geschenk? Dann drucken Sie sich doch eines! Einen selbst kreierten Eierbecher zu Ostern, Weihnachtsbaumschmuck zur heiligen Zeit oder Modeschmuck zum Wiegenfeste kann alles selbst entworfen und verschenkt werden. Auf Versandkosten, Umtauschstress bei Nichtgefallen oder Lieferwartezeit kann verzichtet werden. Die Möglichkeiten sind nahezu grenzenlos.
 

Modelle für den 3D-Drucker

Neben bestimmter Software, mit der Sie eigene Kreationen herstellen und selber an Ideen arbeiten können, gibt es bereits jetzt 3D-Druckstudios, die eine gute Qualität bieten. Besonders faszinierend ist dort die Möglichkeit, ein Modell von sich selbst anfertigen zu lassen. Dazu lassen Sie sich von allen Seiten fotografieren und die entsprechende Software lässt Sie in Miniaturausgabe aus dem 3D- Drucker erscheinen.

Selbstverständlich gibt es bereits Internetseiten, die Modelle für den 3D-Druck anbieten, wenn es mit der eigenen Kreativität nicht allzu weit her ist oder Sie ein paar Inspirationen benötigen. Das Herunterladen solcher Modelle ist noch recht teuer Wird die Nachfrage aber erst einmal steigen, erhöht sich auch das Angebot. Die Preise sollten sich dann ebenfalls anpassen, denn Konkurrenz belebt nicht nur das Geschäft, es steigert auch die Kundenfreundlichkeit. Die Kosten für den Anwender dürften sinken.
Eine interessante Entwicklung ist auch ein 3D-Drucker mit 3D-Scanner. Ein solches Gerät ist bereits auf dem Markt. Seit 2015 bietet zum Beispiel der Hersteller xyzPrinting aus Taiwan die Kombi mit seinem Da Vinci 1.0 AiO an. So können Sie per 3D-Scannen Ihre Objekte einscannen, mit der entsprechenden Software bearbeiten und speichern und sich dann Ihre Version des Objektes wieder ausdrucken lassen. Für rund 1000 Euro ist der Da Vinci auf dem Markt zu haben. Bedenken Sie bei der Anschaffung jedoch auch das Verbrauchsmaterial, die Filamente, die ebenso wie die Geräte derzeit noch Luxusgüter sind.

Der heimische 3D-Drucker mag noch zu teuer sein und der Aufwand von der Idee eines Werkstückes zum Ergebnis und zur Umsetzung zu gross, doch die Entwicklung geht rasend schnell voran, zumal die Erfindung nicht brandneu ist. Die Neuheiten werden in naher Zukunft die Erschwinglichkeit von 3D-Druckern und ihrem Werkmaterial sein, seien es PLA, ABS, verflüssigtes Holz, Metallpulver oder andere Filamente. Internetseiten für Modelle wird es zuhauf geben, sodass auch das Herunterladen von Modellen bezahlbar sein wird.
 


Die "Tinte" für den 3D Drucker
Abbdilung zeigt einen Profi 3D Drucker

Zumeist werden Thermoplastische Kunststoffe verwendet wie beispielsweise Polyactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS). Dabei hat PLA jedoch den Vorteil, dass er nicht so sehr nach dem Abkühlen schrumpft. Da es jedoch schon bei 60 Grad Celsius weich wird, sollten Sie damit angefertigte Werkstücke nicht im Hochsommer im Auto liegen lassen, es sei denn Sie mögen Skulpturen nach dem Vorbild Dalís. Im industriellen Sinne ist PLA - auch Polyester der Milchsäure genannt - sogar unter besonderen Bedingungen biologisch abbaubar, für den heimischen Komposthaufen allerdings nicht zu bewältigen. ABS ist hitzebeständiger und stabiler, da er erst ab 100 Grad Celsius weich wird. Allerdings ist dieser Stoff  wiederum schwerer zu verarbeiten, da er beim Abkühlen stark schrumpft. Die Arbeitsplatte muss beheizt werden, damit die ersten Schichten sich nach dem Auftragen nicht schon zusammenziehen und so das ganze Stück ungleichmässig verzieht. Übrigens bestehen die berühmten Legosteine aus diesem Kunststoff.

In der Industrie werden neben flüssigen Kunststoffen auch Metallpulver oder Keramikpulver zur Herstellung von Prototypen verwendet. Sogar Sand kann als "Tinte" geschmolzen, gegossen und zu Werkstücken verarbeitet werden. Schliesslich besteht das alte und wertvolle Glas ebenso aus geschmolzenem Sand.

 


Wie gelangt man an Modelle für den 3D Drucker?

3D Drucker bald zu Hause verwenden?Neben bestimmter Software, mit der man eigene Kreationen herstellen und selber an Ideen arbeiten kann, gibt es bereits jetzt 3D Druckstudios, die eine gute Qualität bieten. Besonders faszinierend ist dort die Möglichkeit, ein Modell von sich selbst anfertigen zu lassen. Dazu lassen Sie sich von allen Seiten fotografieren und die entsprechende Software lässt Sie in Miniaturausgabe aus dem 3D Drucker erscheinen.

Selbstverständlich gibt es auch bereits Internetseiten, die Modelle für den 3D Druck anbieten, wenn es mit der eigenen Kreativität nicht allzu weit her ist. Zudem kann man sich dort auch Ideen holen. Das Herunterladen solcher Modelle ist noch recht teuer, aber wird die Nachfrage erst einmal steigen, gibt es auch ein breiteres Angebot. Die Preise sollten sich dann ebenfalls anpassen, denn Konkurrenz belebt nicht nur das Geschäft, es steigert auch die Kundenfreundlichkeit. Die Kosten für den Anwender dürften sinken.

Der heimische 3D Drucker mag noch zu teuer sein und der Aufwand von der Idee eines Werkstückes zum Ergebnis und zur Umsetzung zu gross, doch die Entwicklung geht rasend schnell voran, zumal die Erfindung nicht brandneu ist. Die Neuheiten werden in naher Zukunft die Erschwinglichkeit von 3D Druckern und Werkmaterial sein. Internetseiten für Modelle wird es zu Hauf geben, so dass auch das Herunterladen von Modellen bezahlbar sein wird.
 


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