3D Druck: Die wichtigsten Verfahren im Vergleich
In diesem Beitrag teilen wir unsere Praxiserfahrungen aus der Prototypenentwicklung mit verschiedenen 3D Druckverfahren. Dabei gehen wir auf die Qualität und Grenzen der jeweiligen Verfahren beim Druck der Modelle ein.
3D-Druck ist ein sehr vielseitiges Fertigungsverfahren im Prototypenbau und der Kleinserienproduktion. Je nach Anwendungsfall und Ziel bietet es viele Vorteile, jedoch auch Einschränkungen oder Ausschlusskriterien. Im Folgenden beleuchten wir die drei 3D-Druckverfahren, die besonders verbreitet und geeignet für die Produktion von Kunststoffteilen und Werkzeugen im Prototyping und in Kleinserien sind.
1. Was ist Fused Deposition Modeling (FDM) 3D-Druck?
Markführer: Prusa (CZ) und Bambu Lab (CN)
FDM-Drucker waren die ersten Geräte, die für Heimanwender:innen erschwinglich wurden. Das Prinzip ist einfach: Ein Filament, z. B. ABS, PLA, ASA, PETG oder TPU, wird einem Druckkopf zugeführt. Ein Heizelement schmilzt das Thermoplast-Filament auf, das anschließend aus einer Düse herausgedrückt wird. Diese Düse wird CNC-gesteuert und baut Schicht für Schicht das 3D-Modell auf. Ältere Modelle waren dafür bekannt, wartungsintensiv und anspruchsvoll im Handling zu sein. Mittlerweile haben Hersteller wie Prusa oder Bambu Lab kostengünstige Hightech-Geräte auf den Markt gebracht, die viele Probleme der Vergangenheit auf einen Schlag beseitigt haben. Automatische Kalibrierung, Kameraüberwachung und Drucke mit unterschiedlichen Farben sind heute möglich. Die Qualität der Drucke ist allerdings im Vergleich zu Resin- und SLS-Druckern geringer. Die Schichtungen sind sichtbar, und die Nachbearbeitung gestaltet sich zeitaufwendig.
Ultimaker FDM-Drucker beim Drucken eines Bauteils mit Support-Struktur
FDM-3D-Druck ist, trotz seiner qualitativen Nachteile, eines der wichtigsten Tools für den Prototypenbau (in manchen Bereichen sogar in der Serie) und durch kein anderes Druckverfahren ersetzbar. Die niedrigen Kosten, die große Auswahl an Filamenten sowie die vergleichsweise großen Druckvolumen bieten erhebliche Vorteile. Noch entscheidender ist jedoch das einfache Handling, das für professionelle Anwender:innen ausschlaggebend ist. Und: FDM ist sauber. Es erfordert grundsätzlich keine Vor- oder Nachbereitungen mit flüssigen Chemikalien oder Pulvern. Das spart viel Zeit und ist im Umgang auch für unerfahrene Nutzer:innen sicher. Was genau die Herausforderungen sind, erfahren Sie im Rest des Artikels. Es sollte jedoch nicht unerwähnt bleiben, dass je nach Druckmaterial eine Abluft notwendig sein kann.
Vorteile von FDM-Druckern
Kosteneffizienz: Günstige Drucker und Materialien.
Vielfältige Materialien: PLA, ABS, PETG, ASA, TPU etc.
Einfache Handhabung: Ideal für Einsteiger und Prototyping.
Geschwindigkeit: Moderne FDM-Drucker sind sehr schnell.
Sicherheit: Der Betrieb und das Handling sind vergleichsweise unbedenklich.
Große Bauteile: Große Bauteile lassen sich schnell und kostengünstig realisieren.
Farben: Die Farbauswahl bei Filamenten ist groß und mehrfarbige Drucke sind möglich.
Nachteile von FDM-Druckern
Geringe Präzision: Sichtbare Schichten und geringe Detailtreue.
Eingeschränkte Materialeigenschaften: Weniger robust als andere Verfahren; es können keine “originalen Materialien”, wie z. B. im Freeformer von Arburg verwendet werden.
Nachbehandlung: Glatte Oberflächen können nur mit sehr viel Nacharbeit erzielt werden.
Produktsicherheit: Ältere, insbesondere DIY FDM Drucker können ein Sicherheitsrisiko durch Überhitzung darstellen. Nur unter Aufsicht benutzen.
2. Was ist Resin 3D-Druck (SLA, DLP, LCD)?
Marktführer: Formlabs (USA), Anycubic (CN), Elegoo (CN)
SLA-, DLP- und LCD-Drucker sind 3D-Drucktechnologien, die alle mit Harz (Resin) arbeiten und auf photopolymerisiertem Drucken basieren. Das Modell wird Schicht für Schicht in einem Resinbecken aufgebaut. Das Resin ist photoreaktiv und härtet mithilfe von UV-Strahlung chemisch aus. Die drei Drucktechnologien unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art und Weise, wie das Licht zur Aushärtung des Harzes genutzt wird.
SLA-Druck (Stereolithografie)
Verwendet einen punktgenauen Laser, der das Harz schichtweise aushärtet.
Die Belichtung erfolgt gezielt und sequentiell, wodurch eine sehr hohe Präzision erreicht wird.
DLP-Druck (Digital Light Processing)
Verwendet einen digitalen Projektor, der eine gesamte Schicht auf einmal projiziert und aushärtet.
Diese Methode ist schneller als SLA, da keine punktweise Belichtung erfolgt.
LCD-Druck (Masked SLA, MSLA)
Verwendet ein UV-Lichtpanel und eine LCD-Maske, um die Form einer Schicht darzustellen und auszuhärten.
Ähnlich wie DLP, aber das LCD-Display steuert, welche Bereiche des UV-Lichts blockiert oder durchgelassen werden.
Automatische Druckerzelle mit NEXA 3D Industriedrucker
Resin 3D-Druckteile des Herstellers Formlabs
Allgemein sind die Druckergebnisse dieser Verfahren sehr präzise und weisen in der Regel keine Probleme mit Schichthaftungen auf. SLA-Drucker bieten dabei die höchste Präzision und werden deshalb häufig z. B. in der Zahnmedizin oder der Schmuckproduktion verwendet. DLP- und LCD-Drucker kommen sowohl in der Industrie als auch bei Hobbyanwender:innen zum Einsatz.
SLA 3D-Druck in der Zahnmedizin. Bei genauem Hinsehen sind die Schichten des blauen Materials zu erkennen.
“Die Qualität der Druckergebnisse ist stark von der Konstruktion abhängig. Die Hersteller zeigen ausschließlich Objekte, die für den Resin-Druck geeignet sind – und täuschen damit ihre Kund:innen!”
Im Hobbybereich werden gern sehr detailreiche Miniaturen ausgedruckt. Die reliefartigen Oberflächen dieser Miniaturen täuschen jedoch schnell darüber hinweg, dass glatte Oberflächen aus demselben Drucker nicht annähernd mit der Qualität von Spritzgussteilen mithalten können. Leicht mattierte Oberflächen bei der richtigen Ausrichtung des Bauteils im Druckraum können allerdings beeindruckend gut (für einen 3D-Druck) ausfallen. Sobald sehr flache Krümmungen horizontal zur Bauplatte gedruckt werden, sind die Schichten – auch bei sehr geringer Schichthöhe – deutlich sichtbar.
“Überhänge, die ca. einen 35° Winkel zur Z-Achse überschreiten, sind nicht für Sichtteile geeignet!”
Probleme beim Handling und die Kunst der Nachbehandlung
Die Nachbehandlung von Resin-Drucken stellt nicht nur eine Herausforderung, sondern ein echtes Problem dar. Je nach Modell ist bereits das Befüllen des Resinbeckens ein Balanceakt. Bei einigen Anbietern kommt das Resin aus Patronen, was im ersten Schritt sauberer ist, später jedoch keine weiteren Vorteile bietet. Sobald die ‚fertigen‘ Teile aus dem Druckraum genommen werden, beginnt das eigentliche Problem: die Nachbehandlung. Sie umfasst Reinigung, Härtung und Schleifen der Bauteile. So einfach, wie es klingt, stellen diese Schritte auch Profis vor Herausforderungen – insbesondere in der Arbeitssicherheit und bei der Entsorgung.
“Die Resins haben alle unterschiedliche Anforderungen in der Nachbehandlung, die sehr aufwändig sind.”
IPA Ultraschallbad zur Reinigung der Bauteile nach dem Druck.
Viele Teile müssen zunächst in einem Ultraschallbad mit Chemikalien gereinigt und anschließend mit Druckluft getrocknet werden. Vor dem finalen UV-Härten müssen sie eine vorgegebene Zeit ablüften. Einige Resins erfordern mehrere Reinigungsschritte, wobei alle problematische Chemieabfälle produzieren. Ohne eine Absauganlage mit Filtern können die Dämpfe in die Atemwege der Anwender:innen und in die Umwelt freigesetzt werden. Insbesondere günstige Resins lassen Anwender:innen oft ohne klare Anweisungen bei Sicherheitsvorkehrungen zurück. Zu den Handling- und Sicherheitsproblemen kommt der zusätzliche Aufwand bei der Aufbereitung der Teile für die Nutzung. Je nach Geometrie müssen die Teile intensiv geschliffen werden. Schleifspuren treten heller zutage und müssen farblich, z. B. durch Plastikpflegemittel, angepasst werden. Mit Resin-3D-Druckern können im Prototypenbau und mit Einschränkungen auch in der Serie hochwertige Objekte produziert werden. Diese überzeugen im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren durch besonders hohe Oberflächenqualität und Haltbarkeit. Hochwertige und serientaugliche Resins sind jedoch teuer und lohnen sich meist nur für Kleinserien oder sehr aufwendige Bauteile im Vergleich zum Spritzguss. Der Einsatz von Resin-Druckern sollte ausschließlich Profis mit entsprechender Arbeitsschutz- und Arbeitsplatzausstattung überlassen werden. Reinigungslösungen und nicht verbrauchte Resins gelten als Gefahrstoffe und Sondermüll.
VINTER Design nutzt Resin-Drucke primär für Vorserien- und Messeprototypen, die eine besonders seriennahe Optik aufweisen sollen.
Vorteile von Resin-Druckern:
Hohe Detailgenauigkeit: Mit ihrer hohen Auflösung ideal für komplexe Geometrien und kleine Teile; Überhänge und Hinterschnitte sind teilweise mit Einschränkungen verbunden.
Oberflächen: Die Oberflächen lassen sich leicht nachbearbeiten; die Oberflächen sind geschlossen.
Materialvielfalt: Flexible, starre oder biokompatible Resins sind verfügbar.
Nachteile von Resin-Druckern:
Kosten: Harze und Drucker sind teurer als FDM.
Empfindlichkeit: Harz ist oft spröder als thermoplastische Materialien. Serientaugliche, UV beständige Resins sind selten.
Umwelt- und Gesundheitsrisiken: Harz und Dämpfe erfordern Vorsicht bei der Handhabung; es entsteht Sondermüll.
Nachbehandlung: Die Nachbehandlung ist sehr aufwendig. Neben dem Drucker selbst ist in jedem Fall eine Curing-Station erforderlich. Die Stützstruktur muss z. T. händisch nachgeschliffen werden.
Reaktivität: Viele Resins reagieren mit additionsvernetzenden Silikonen. Abgüsse von Resin 3D-Drucken können hierbei Probleme durch Vernetzungsstörungen verursachen.
Geometrie: Hohlräume müssen mit Abläufen für überschüssiges Resin versehen werden; Überhänge können sehr unsauber werden.
Farben: Die Farbauswahl von Resins ist sehr eingeschränkt, mehrfarbige Drucke sind nicht möglich.
3. Was ist Selective Laser Sintering (SLS) 3D-Druck?
Drucker, die das selektive Laserschmelzen (Selective Laser Sintering, SLS) nutzen, verwenden einen Laser, der Pulvermaterialien punktgenau schmilzt und so Schicht für Schicht ein dreidimensionales Objekt aufbaut. Das Besondere dabei ist, dass die Teile in einem Pulverbett gedruckt werden, wodurch keine Stützstruktur erforderlich ist. Überschüssiges und ungebundenes Pulver dient als Stütze für die gedruckten Teile. Überhänge und komplexe Geometrien sind mit dem SLS-Verfahren in gleichbleibender Oberflächenqualität möglich. Auch bewegliche Funktionsteile, wie z. B. Friktionsscharniere, lassen sich aus einem einzigen Teil ohne zusätzliche Montageschritte drucken. Die Oberflächen aus Materialien wie Nylon (Polyamid) oder Polycarbonat sind gleichmäßig rau. Je nach Einsatzgebiet passt diese Ästhetik ohne zusätzliche Veredelung. Ein hochglänzendes Finish ist jedoch nicht möglich. Dafür zeichnen sich die Produkte aus diesen Druckern durch eine hohe Stabilität aus und werden z. B. häufig im Sonderfahrzeugbau für Polizei-, Feuerwehr- oder Militärfahrzeuge eingesetzt.
Flexibles Armband aus TPU und harte Kunststoffteile aus Polyamid in grau und schwarz. Oberflächen nicht nachbehandelt.
Handling nur für die Industrie geeignet
Das Handling von SLS-Druckern erfordert professionelle Anwender:innen. Das feine Kunststoffpulver verteilt sich schnell, sodass ein separierter Arbeitsbereich und umfassender Arbeitsschutz obligatorisch sind. Aufgrund der hohen Anschaffungskosten sind SLS-Drucker überwiegend in der Industrie zu finden.
Vorteile von SLS Druckern:
Qualität: Die Bauteile sind sehr stabil und benötigen keine Stützstruktur, wodurch eine Nachbearbeitung entfallen kann und alle Seiten als Sichtseiten geeignet sind. Eine Vielzahl von Bauteilen lässt sich dadurch übereinander drucken, ohne Support-Anhaftungen anzunehmen.
Vielfältige Materialien: Nylon, Glasfaser-verstärkte Kunststoffe und Metalle.
Komplexe Geometrien: Frei bewegliche Teile oder ineinandergreifende Strukturen lassen sich “montiert” drucken.
Nachhaltigkeit & Effizienz: Überschüssiges Pulver lässt sich zum Teil wiederverwenden.
Nachteile von SLS Druckern:
Hohe Anschaffungskosten: Teure Drucker und Betriebskosten.
Nachbearbeitung nötig: Entfernen überschüssigen Pulvers.
Staub und Partikel: Potenzielles Gesundheitsrisiko bei unsachgemäßer Handhabung.
Farben: Die Farbauswahl bei Pulvern ist sehr beschränkt; Das Einfärben der Bauteile ist nur chemisch möglich.
Fazit
Die Wahl des passenden 3D-Druckverfahrens hängt von den spezifischen Anforderungen an das jeweilige Bauteil ab. Während sich FDM-Druck besonders für schnelle Prototypen und Modelle eignet, überzeugen Resin-Drucker durch ihre sehr hohe Detailtreue und Oberflächenqualität. SLS-Druck bietet sich insbesondere für belastbare Bauteile in Kleinserien an und punktet hier mit einer gleichbleibenden Oberflächenqualität, die keinerlei mechanische Nachbearbeitung erfordert. Bei der Anschaffung von 3D-Druckern sind viele Punkte abzuwägen, die potenzielle Käufer:innen häufig erst mit der Inbetriebnahme erkennen. Neben dem geeigneten Verfahren spielen auch die laufenden Betriebskosten, der notwendige Arbeitsplatz sowie Aspekte wie Arbeitsschutz und Entsorgung eine wichtige Rolle. Besonders bei Resin- und SLS-Druck ist die richtige Ausstattung essenziell, um eine sichere und nachhaltige Nutzung zu gewährleisten.
Wie nutzen Sie Ihren 3D-Drucker?
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