Welche Arten von 3D-Druckern gibt es?

Beim 3D-Druck, der auch als additive Fertigung oder generative Fertigung bekannt ist, kommen unterschiedliche 3D-Drucker-Arten zum Einsatz. Die 3D-Drucker-Arten unterscheiden sich in ihrer Bauweise, den verwendeten Materialien, ihrem Einsatzbereich und 3D-Druckverfahren. Auf dieser Seite stellen wir die fünf 3D-Drucker-Arten vor und erklären, warum eine allgemeingültige Klassifizierung der 3D-Drucker in verschiedene Arten schwierig ist. Für die Ermittlung der 3D-Drucker-Arten wird der Leser über vier unterschiedliche Kriterien an die Klassifizierung der 3D-Drucker in unterschiedliche Arten herangeführt und erfährt dabei zusätzlich viel über Bauweisen, Einsatzbereiche, 3D-Druck-Materialien und Druckverfahren der 3D-Drucker.

Blauer 3D-Drucker
Vom Spielzeugauto bis zu hochkomplexen Fahrzeugbauteilen für Automobile: 3D-Drucker finden sowohl im Privatbereich als auch in der Industrie Anwendung.

Eines ist allen 3D-Drucker-Arten gleich: Die Objekte werden schichtweise in dreidimensionaler Form aufgebaut (s.g. Schichtaufbauverfahren). Außerdem kommen beim 3D-Drucker im Gegensatz zum normalen Druck keine Tinten zum Einsatz, sondern verschiedene Kunststoffe (siehe auch Polymere), Metalle in Pulverform und zahlreiche andere 3D-Drucker-Materialien, wie Keramik, Beton aber auch Lebensmittel und organische Substanzen. Generell wird bei jeder 3D-Drucker-Art auch ein sogenannter 3D-CAD-Körper, das heißt ein am PC erstelltes digitales 3D-Objekt, mit einer Software (Slicer-Software) in Einzelschichten aufgeteilt und anschließend mit dem 3D-Drucker „gedruckt“. Doch welche 3D-Drucker-Arten gibt es und auf Grundlage welcher Kriterien lassen sich diese klassifizieren?

Grundsätzlich lassen sich die 3D-Drucker-Arten nach folgenden Kriterien einteilen:

  1. Unterscheidung nach Einsatzbereich
  2. Unterscheidung nach Bauweise
  3. Unterscheidung nach verwendetem 3D-Druckverfahren
  4. Unterscheidung nach 3D-Drucker-Material

Dass eine allgemeingültige Einteilung der 3D-Drucker in Arten nicht so einfach möglich ist, zeigen die nachfolgenden vier Abschnitte. Über die zuvor ermittelten Kriterien Einsatzbereich, Bauweise, 3D-Druckverfahren und 3D-Druckmaterialien führen wir eine Klassifizierung der 3D-Drucker in fünf Arten ein, welche am Ende dieser Seite aufgeführt und im Einzelnen abschließend erläutert werden.

Einsatzbereiche der 3D-Drucker

Für die Ermittlung der unterschiedlichen 3D-Drucker Arten können die Einsatzbereiche der 3D-Drucker herangezogen werden. Hier wird in folgende zwei Arten unterschieden:

  • Desktop-3D-Drucker: Kaufpreis ab 100 Euro bis 2.500 Euro. Ideal für Privatanwender, kleine und mittelständische Unternehmen für das Protoyping oder Herstellung kundenindividueller Produkte und Bildungseinrichtungen, wie allgemeinbildende Schulen, Berufsschulen, Hochschulen aber auch Kindergärten.
  • Industrie-3D-Drucker: 3D-Drucker für industrielle Anwendungen, welches auch die Fertigung von Produkten in Kleinserien umfasst und zunehmend auch für die Massenfertigung möglich macht, sind ab 50.000 € erhältlich und setzen andere 3D-Drucker-Materialien und -verfahren ein, als Desktop-3D-Drucker.

Eine Unterscheidung der 3D-Drucker-Arten nur nach Einsatzbereich führt hiermit unserer Meinung nach zu kurz und erfordert das zusätzliche Heranziehen eines weiteren Kriterium: der Bauweise der 3D-Drucker.

Bauweise der 3D-Drucker

Grundsätzlich lässt sich die Bauweise der 3D-Drucker in folgende vier Bereiche unterscheiden:

  • Offene 3D-Drucker
  • Geschlossene 3D-Drucker
  • Komplettgeräte
  • Bausätze

Neben den Einsatzbereichen der 3D-Drucker soll also auch die Bauweise zur Klassifizierung der 3D-Drucker-Arten herangezogen werden. Grundsätzlich unterteilt man hier zwischen geschlossenen und offenen 3D-Druckern. Einige davon werden vollständig montiert geliefert, bei anderen wiederum handelt es sich um sogenannte „Bausätze„, die vom späteren Nutzer selbst zu montieren werden müssen.

Der Unterschied zwischen Komplettgeräten und 3D-Drucker-Bausätzen liegt weniger in der Qualität als im Preis. 3D-Drucker die selbst montiert werden müssen, sind in der Regel kostengünstiger als Geräte mit gleichen Eigenschaften, welche bereits fertig montiert geliefert werden.

Ähnlich schwierig ist eine finale Definition der 3D-Drucker-Arten nach ihrer offenen oder geschlossenen Bauweise. So erfordern es einige 3D-Druckverfahren, dass der Bauraum geschlossen ist, um gesundheitliche Schäden beim Anwender zu verhindern. Die offene oder geschlossene Bauweise ist allerdings nicht gänzlich vom 3D-Druckverfahren abhängig. So gibt es Hersteller für Desktop-3D-Drucker die bei gleichem 3D-Druckverfahren ihre Geräte in offener und geschlossener Bauweise anbieten, um sich zum Beispiel voneinander abzugrenzen. Geräte mit geschlossenem Bauraum werden dann oftmals für Schulen und Familien mit Kinder beworben und mit dem gesundheitlichen Aspekten argumentiert. Eine Diskussion zur Gesundheit beim Einsatz von 3D-Druckern, unabhängig der einzelnen Arten, soll hier aber nicht erfolgen.

Die Einteilung in unterschiedliche 3D-Drucker Arten lässt sich in Kombination von Einsatzbereich und Bauweise allerdings noch immer nicht abschließend klären, da Industrie-3D-Drucker oftmals einem professionellen Aufbau erfordern, der auch als „Zusammenbau“ von einem Experten (oftmals ein ausgebildeter Mitarbeiter des Herstellers) verstanden werden kann. Eine Abgrenzung von Komplettgerät und Bausatz zur Ermittlung der 3D-Drucker-Art ist also ebenfalls nicht abschließend möglich, weshalb im nächsten Schritt die 3D-Druckverfahren näher betrachtet werden sollen.

3D-Druckverfahren

Nachdem zur Ermittlung der 3D-Drucker-Arten sowohl die Unterscheidung der Bauweise als auch die Unterscheidung nach Einsatzbereich zu kurz gefasst war, sollen im folgenden die unterschiedlichen 3D-Druckverfahren genauer beleuchtet werden. Hypothese dieser Betrachtung ist, dass die Anwender in erster Linie ihrer Kaufentscheidung von dem eingesetztem Druckverfahrens abhängig machen, um optimale Ergebnisse bei der Produktherstellung zu erzielen und Kaufpreis und Bauweise erst als sekundäre Parameter herangezogen werden.

Im folgenden werden die unterschiedlichen 3D-Druckverfahren in Kurzform vorgestellt, um im darauffolgenden Abschnitt eine Festlegung der 3D-Drucker-Arten treffen zu können.

Selektives Laserschmelzen

Beim selektiven Laserschmelzen wird ein aus Pulver bestehendes Metall aufgetragen und vom Laser geschmolzen. Im nächsten Schritt wird das zu druckende Objekt um die gewünschte Schichtdicke herabgesenkt und dann neues Pulver aufgetragen und verschmolzen. Gedruckt wird in einer Schutzatmosphäre. Mit diesem Verfahren lassen sich sowohl Metalle, Keramiken, Kunststoffe und Sand verarbeiten.

Selektives Lasersintern (SLS)

Im Gegensatz zum Laserschmelzen wird kein reines Metallpulver verwendet, sondern ein Binder zugesetzt. Gleiches gilt auch bei Kunststoffen. Zugleich wird dieses Spezialpulver nur etwas aufgeschmolzen, das Material verklebt dadurch.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM)

Auch hier wird auf Pulver zurückgegriffen, das ähnlich wie beim selektiven Laserschmelzen verarbeitet wird. Anstelle eines Laserstrahls kommt aber ein Elektronenstrahl zum Einsatz, der mit Hilfe einer magnetisch gelagerten Feder positioniert und gelenkt wird.

Fused Deposition Modeling / Fused Filament Fabrication (FDM/FFF)

Soll das Fused Deposition Modeling (FDM) eingesetzt werden, so wird hier ein Kunststoff erhitzt und das zu fertigende Objekt in Bahnen gedruckt. Das notwendige Filament (beispielsweise ABS oder PLA) wird über eine Spule hin zur Düse befördert und von dort aus auf die Bauplatte aufgetragen. In der Regel erstarrt es sofort nach dem Auftragen. Da die Oberfläche oft etwas rau ist, muss meist eine Nachbearbeitung erfolgen. Die Präzision ist meist gut bis befriedigend. Eventuell notwendiges Stützmaterial ist nach Fertigstellung des Druckes zu entfernen.

Stereolithographie (STL/SLA)

Im Rahmen der Stereolithographie wird flüssiger Kunststoff mittels UV-Licht ausgehärtet. Hergestellt wird das Objekt in einem Bad aus Flüssigkunststoff. Ein Laser wird dazu verwendet, die einzelnen Schichten zu härten. Notwendige Stützkonstruktionen werden danach entfernt und das 3D-gedruckte Werkstück gehärtet. Die mit diesem Verfahren hergestellten Objekte zeichnen sich durch eine sehr hohe Genauigkeit aus.

Laserauftragsschweißen

Bei diesem Verfahren kommt ein Dioden- oder Faserlaser zum Einsatz. Dieser trägt mit Hilfe einer Düse ein Metallpulver oder einen Metalldraht auf dem Werkstück auf. Wird Pulver verwendet, so arbeitet der 3D-Drucker meist vollautomatisch. Verwendung findet dieses Verfahren unter anderem bei der Reparatur von Bauteilen, aber auch bei der Fertigung von Prototypen.

Film Transfer Imaging (FTI)

Hier wird ein dünner Materialfilm auf eine Transportfolie aufgetragen. Die jeweiligen Schichten werden durch die Belichtung erzeugt. Im nächsten Schritt wird das Werkstück angehoben und ein neuer Film aufgetragen. Diese Arbeitsschritte werden so lange wiederholt, bis das Objekt fertiggestellt ist. Als Filament kommen lichtempfindliche Kunststoffe zum Einsatz. Diese Technologie erzeugt eine sehr hohe Genauigkeit.

Digital Light Processing (DLP)

Das Digital Light Processing ist eine Mischung aus der STL- und der FTI-3D-Druck-Technologie. Es wird die gleiche Technik wie beim Film Transfer Imaging (FTI) genutzt, aber das zu fertigende Objekt entsteht aus einem Kunststoffbad.

Multi Jet-Modeling / Poly Jet-Modeling

Dieses Verfahren verwendet eine ähnliche Technik wie Tintenstrahldrucker. Das zu fertigende Objekt wird mit Hilfe eines Druckkopfes, an dem eine oder mehrere Düsen befestigt sind, in Schichten gedruckt. Diese Technologie überzeugt ebenfalls durch seine hohe Detailgenauigkeit. Nötige Überhänge werden mit Hilfe eines bei niedrigen Temperaturen schmelzenden Wachses gefertigt. Als Filament greift man oft auf UV-empfindliche Photopolymere zurück. Diese werden durch das Licht ausgehärtet.

Die 3D-Druckverfahren lassen in Kombination mit den Kriterien Einsatzbereich und Bauweise jetzt eine Klassifizierung in 3D-Drucker-Arten zu, da ein Großteil der Anwendungsbereiche für 3D-Drucker abgedeckt werden kann. Dennoch lohnt sich vor der abschließenden Klassifizierung noch ein Blick auf die möglichen Druckmaterialien, die von 3D-Druckern im Rahmen der unterschiedlichen 3D-Druckverfahren verarbeitet werden können.

3D-Druckmaterialien

In der Allgemeinheit herrscht oftmals die Meinung, 3D-Drucker drucken mit Kunststoff oder Metall. Dass mit Hilfe des Schichtaufbauverfahrens und der unterschiedlichen 3D-Druckverfahren weitaus mehr Materialien verarbeitet werden können, zeigt bereits unsere umfangreiche Tabelle der 3D-Drucker-Materialien. Bezugnehmend auf diese Liste sollen hier nur am Rande folgende, von 3D-Druckern verarbeitbare Materialien aufgeführt werden: Lebensmittel, Beton, organische Substanzen, Gips und Glas. Auszugsweise erfordern diese Druckmaterialien unabhängig von Druckverfahren, Bauweise und Einsatzbereich eine weitere 3D-Drucker-Art, welche neben den üblichen Kunststoff- und Metall-3D-Druckern auch diese Spezialgeräte abdeckt.

Diese vier näher betrachteten Kriterien lässt eine Klassifizierung in folgende 3D-Drucker-Art zu:

3D-Drucker Arten

  • Extrusion
  • Jetting
  • Pulver
  • Resin
  • Spezial

Extrusion

Zur Extrusion gehören die FDM- und die FFF-Technologie sowie weitere Extrusionsverfahren.

Pulver

Für den pulverbasierten 3D-Druck greift man entweder auf die gleichnamige Technologie oder das EBM-, 3DP, SL oder SLS-Verfahren zurück.

Jetting

Mit der Jetting-Technologie sind farbige 3D-Drucke möglich. Dazu kann das Color Jet Printing (CJP) und das Material Jetting zurückgegriffen werden.

Resin

Resin ist ein Flüssigharz. Hier wird das Objekt nicht von unten nach oben gedruckt, sondern peu á peu aus dem Resinbad herausgehoben. Dabei können SLA-, DLP-, SLT- und LCM-3D-Drucker Verwendung finden.

Spezial

Zu den Spezial-3D-Druckern gehören unter anderem Geräte, die biologisch abbaubare Materialien verwenden (sogenannte Bioprinter) oder 3D-Drucker für Lebensmittel. Mit letzteren können beispielsweise pürierte Zutaten maschinell so aufbereitet werden, dass Menschen mit Einschränkungen das optimale Verhältnis der Nährstoffe in ansehnlicher Form erhalten. Aber auch Schokolade und viele weitere essbare Materialien sind mit Lebensmittel-3D-Druckern möglich. Eine Übersicht der Spezial-3D-Drucker gibt es hier.

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