Zahlreiche Anbieter auf dem Markt des 3D-Drucks bieten unterschiedliche Verfahrensweisen für den Druck von dreidimensionalen Werkstücken. Hier werden vier verschiedene Verfahren vorgestellt.
Fused Filament Fabrication (FFF)
Beim FFF-Druckverfahren wird das Werkstück in einem additiven Verfahren Schicht um Schicht aufgebaut.
Fast alle Drucker der unteren Preisklasse, die zurzeit angeboten werden, arbeiten mit dem Schmelzschichtungsverfahren, welches oft auch mit der Abkürzung FFF (für Fused Filmend Fabrication) bezeichnet wird. Im Prinzip ist ein FFF-Drucker nicht viel mehr als eine computergesteuerte Heißklebepistole, die Kunststoff, meist ABS oder PLA schmilzt, welcher dann kontrolliert aus einer beheizten Düse gedrückt wird, was auch Extrusion genannt wird. Die Düse muss nur hinreichend exakt geführt und ihre Bewegungen im dreidimensionalen Raum über eine elektronische Motorsteuerung kontrolliert werden, um einen 3D-Druck zu ermöglichen. Der Druck selbst ist technisch gesehen ein trivialer, leicht beherrschbarer Vorgang:
Schicht um Schicht wird die geschmolzene Masse als Strang mit definiertem Durchmesser (von z. B. 0,4 mm) auf einem Druckbett aufeinander gesetzt. Der Kunststoff härtet jeweils kurz nach Verlassen der Düse durch Erkalten wieder aus und behält auf diese Weise die gewünschte Form bei. Beim Aufbringen der jeweils nächsten Schicht schmilzt der aus der Düse extrudierte Kunststoff dank seiner hohen Temperatur das Material der Schicht direkt darunter wieder leicht an. So können sich die Schichten, ähnlich wie beim Schweißen, kraftschlüssig miteinander verbinden, wenn sie erkalten.
Die Summe der einzelnen Schichten ergibt das dreidimensionale Werkstück. Damit die gewünschte Form entsteht, muss sich die Düse auf einem exakt definierten Weg relativ zum entstehenden Werkstück bewegen. Es gibt beim 3D-Druck verschiedene Techniken, diese Relativbewegung zu realisieren. Ebenso wie die Bewegung des Druckbettes bei starr montiertem Druckkopf (Düse) funktioniert, könnte das Druckbett unbeweglich montiert sein, wenn der Druckkopf sich frei im Raum bewegen lässt. Auch Konstruktionen mit beweglichem Druckkopf und beweglichem Druckbett, deren Freiheitsgrade sich ergänzen, sind gebräuchlich.
Stereolithografie (SLA)
Bei der Sterolithografie wird flüssiger Kunststoff durch gelenktes Laserlicht gehärtet.
SLA („StereoLithography Apparatus“, eine geschützte Produktbezeichnung von 3D Systems, einem Hersteller aus den USA) ist vermutlich das älteste 3D-Druckverfahren. Es wurde 1981 von Charles W. Hull erfunden und 1984 zum Patent angemeldet. Die Wortbildung aus Lithografie, eines der ältesten zweidimensionalen Druckverfahren, welches die Menschheit kennt, und Stereofonie, dem bekannten Schall-Wiedergabeverfahren für räumliches Hören, lässt keine Rückschlüsse auf die eigentliche Drucktechnik zu und könnte für jedwedes 3D-Druckverfahen stehen. Tatsächlich steht Stereolithografie für das kontrollierte Aushärten von flüssigen Kunststoffen durch gezielten Laserbeschuss.
Zum Einsatz kommen dabei Photopolymere (unter Einfluss von Licht aushärtende Kunststoffe) wie z. B. Acryl-, Epoxid- oder Vinylesterharze. Das flüssige Photopolymer befindet sich in einer Wanne. Unterhalb der Füllhöhe der lichtempfindlichen Flüssigkeit befindet sich ein Druckbett, welches im Laufe des Druckfortschritts in der Wanne nach unten abgesenkt werden kann. Die Bauraumgröße ergibt sich aus der Fläche des Druckbetts und dessen maximalen Absenktiefe.
Das Photopolymer wird kontrolliert mit Laser beschossen, sodass es an je an definierter Stelle aushärtet. Dabei werden die Laserstrahlen, über einen, per Steuerelektronik kontrollierten, motorisch bewegten Spiegel zu diesen Stellen gelenkt. Ähnlich wie beim FFF-Druck wird Schicht um Schicht des entstehenden Werkstückes ausgehärtet. Die erste Schicht wird so ausgehärtet, dass sie am Druckbett haftet. Sodann senkt sich das Druckbett um eine Schichtstärke ab, sodass eine Schicht flüssiges Harz über die bereits gedruckte Schicht fließen kann, welche dann im nächsten Durchgang ausgehärtet wird, wobei hier wiederum ein Kraftschluss von Schicht zu Schicht erzeugt werden muss, damit das Werkstück die gewünschte Stabilität erreicht. Dies wird dadurch erreicht, dass die jeweils auszuhärtende Stelle des Werkstückes bei der Laserbestrahlung nicht komplett ausgehärtet wird, sodass noch genug photoaktive Moleküle vorhanden bleiben, die sich mit Molekülen der nächsten Schicht bei dessen Aushärtung verbinden können.
Das Nachfließen flüssigen Polymers auf die ausgehärtete Schicht wird bei vielen Geräten durch ein bewegliches Rakel beschleunigt. Alternativ kann das Druckbett auch, bei Laserbeschuss von unten, Schichtstärke um Schichtstärke nach oben aus der Wanne gezogen werden, sodass die zu druckende Schicht immer die unterste des entstehenden Werkstückes ist. Bei dieser Technik ist es unabdingbar, dass die erste Druckschicht nach dem Härten sehr gut am „Druckbett“ (Aufhängung wäre treffender) haftet, um nicht in die Wanne zu fallen.
Nach dem Druckvorgang wird anhaftendes, unausgehärtetes Polymer vom Werkstück abgewaschen, und das fertig gedruckte Objekt unter dem Einfluss von UV-Licht nachgehärtet, bis es die gewünschte Härte erreicht hat.
Selektives Lasersintern (SLS)
Beim Lasersintern wird pulverförmiges Material mittels eines Laserstrahls gesintert.
Beim selektiven Lasersintern werden, wie beim Sintern allgemein, meist pulverförmige Ausgangsstoffe (Granulate) durch Erwärmen zu einem Werkstück verbunden. Dabei wird das Material jedoch nicht, wie z. B. beim Gießen, komplett geschmolzen, sondern nur mittels einer teilweisen Schmelze der Materialteilchen kraftschlüssig und formstabil miteinander verbacken. Eine althergebrachte Anwendung der Technik des Sinterns ist z. B. die Porzellanherstellung. Andere mögliche Werkstoffe neben Keramiken sind diverse Kunststoffe und Metallpulver. Beim klassischen Sintern wird das Ausgangsmaterial vor dem Erhitzen in die Form, die das Werkstück später besitzen soll, gebracht. Dies geschieht z. B. beim Sintern von Metallpulver durch Verpressen des Pulvers oder beim Erzeugen von Porzellanrohlingen durch Gießen der Porzellanrohmasse in eine Gußform. Beim 3D-Druckverfahren des Selektiven Lasersinterns entfällt dieser Prozess komplett. Das pulverförmige Ausgangsmaterial wird durch gezielten Laserbeschuss direkt an den Stellen, an denen zur Ausformung des Werkstücks eine kraftschlüssige Verbindung benötigt wird, erhitzt und dadurch jeweils lokal gesintert. Technisch gesehen ist der Vorgang dabei dem SLA-Druckverfahren sehr ähnlich, da auch hier per Laserbeschuss Schicht um Schicht des Werkstücks aufgebaut wird. Ebenso wie beim FFF-Druckverfahren werden die Schichten dabei untereinander durch erneutes Anschmelzen der jeweils vorletzten gedruckten Schicht beim Druck der aktuellen Schicht kraftschlüssig miteinander verbunden.
Um das pulverförmige Ausgangsmaterial per Laser schichtweise Sintern zu können, muss es schichtweise im Druckraum platziert werden, da der Laser jeweils nur die Oberfläche des Pulvers erhitzen kann. Um nun im Laufe eines 3D-Druckes das Pulver schrittweise im Druckraum aufzuschichten, gibt es verschiedene Techniken. Eine gängige Technik, in der Abbildung oben schematisch dargestellt, ist die Verteilung eines jeweils per Druckschicht neu hinzugefügten Quantums Ausgangsmaterial per Rakel. Eine Rakel ist ein Werkzeug, mit einer auf die ganze Breite des Drucks exakt angepassten geraden Kante, welche z. B. beim Siebdruck zur gleichmäßigen Verteilung der Druckfarbe auf dem Sieb Verwendung findet. Dabei wird die Rakel auf dem Sieb von einer Kante zur anderen bewegt und schiebt dabei etwas Material vor sich her. Während beim Siebdruck die Farbe mittels einer direkt auf das Sieb gedrückten Rakel durchgepresst wird, befindet sich die Rakel beim Lasersintern um genau eine Schichthöhe über der vorherigen Schicht, sodass beim Bewegen der Rakel von einer Außenkante des Druckraums zur anderen eine neue Materialschicht in der Höhe diesen Abstands im Druckraum aufgetragen wird. Beim Lasersintern ist es von größter Wichtigkeit, dass jede neue Materialschicht vor dem Sintern mit exakt gleicher Schichtstärke aufgebaut wird.
Für den Aufbau der Materialschichten im Druckraum gibt es, wie bei anderen 3D-Druckverfahren auch, diverse technische Umsetzungen. In der Abbildung kommt ein mit einer Rakel kombinierter Materialspender zum Einsatz, der nach dem Auftrag jeder Schicht um genau eine Schichtstärke angehoben wird. Es gibt auch Geräte, die über einen absenkbaren Druckraum statt einer anhebbaren Rakel verfügen. Die Verteilung des Druckmaterials per Roller oder statisch aufladbarer Walze sind andere mögliche Techniken.
Während das Werkstück beim Druckprozess Schicht um Schicht gesintert wird, verbleibt das nicht gesinterte Material im Druckraum und bildet so neben der Unterlage für die jeweils nächste Druckschicht ein Bett für das Werkstück. Dadurch ist beim selektiven Lasersintern der Druck von Stützstrukturen für überhängende Werkstückteile nicht nötig.
Nach dem Druckprozess kann das Werkstück aus dem umgebenden Druckmaterialpulver entnommen, gereinigt und gegebenenfalls
weiterverarbeitet werden.
Lebensmitteldruck
Beim Lebensmitteldruck werden verschiedene Lebensmittel mit der passenden Konsistenz als "Filament" verwendet. Der Druck mit Schokolade ist dem klassichen FFF-Verfahren sehr ähnlich, da die Schokolade erwärmt wird und anschließend wieder auskühlt. Es gibt aber auch die Möglichkeit, mit Marzipan, Pasta, Frischkäse, Kartoffelpüree, etc. zu drucken. Die Druckobjekte werden jedoch nicht bei allen Filamenten wirklich fest.
Lebensmitteldrucker werden in der Industrie für Großproduktionen verwendet, kommen aber auch in den Bereichen Catering, Event-Gastronomie oder Konditorei zum Einsatz. Die Verwendung eines solchen Geräts ermöglicht die Herstellung von individuell gefertigten Kleinserien mit moderner, leicht zu bedienender Technologie, die große Spielräume bietet. An Schulen können entsprechende Geräte an hauswirtschafltichen und gewerblichen Schulen der Fachrichtungen Nahrung, Gastronomie und Hauswirtschaft eingesetzt werden, wobei von der Berufsfachschule über die duale Berufsausbildung und das Berufliche Gymnasium bis zur Meisterschule Einsatzbereiche bestehen. Ziel ist dabei einerseits die Vorbereitung auf den Arbeitsmarkt, der auch im Lebensmittelbereich immer stärker technologisiert wird, aber auch ganz allgemein die Förderung des technischen Verständnisses und der räumlichen Vorstellungskraft.
Beim Druck mit Lebensmitteln werden - genau wie bei einem "herkömmlichen" 3D-Drucker - STL-Dateien verarbeitet, so dass die Objekte mit CAD-Programmen entworfen werden können. Damit können prinzipiell alle Objekte, die mit einem Kunststoff gedruckt werden können, auch mit Schokolade oder Marzipan gedruckt werden. Es muss nur bedacht werden, dass hier kein Stützmaterial möglich ist.
Für den Einsatz an Schulen des Lebensmittelbereichs bieten sich Hohlformen, die anschließend mit Dessertcremes oder ähnlichem gefüllt werden können, besonders an, der Fantasie sind aber auch bei anderen Formen kaum Grenzen gesetzt.