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3D Drucker sind nicht nur in modernen Unternehmen gern gesehene Geräte, die in vielen Bereichen eine wertvolle Unterstützung bieten. Auch im privaten Bereich experimentieren Tüftler und Kreative gerne mit den 3D Druckern. 

Was ist ein 3D Drucker?

Was ist ein 3D Drucker?

3D Drucker waren für Unternehmen ein Meilenstein. Die schnelle Herstellung von Prototypen oder Ersatzteilen sind nur zwei Beispiele, die bestimmte Prozesse in Unternehmen maßgeblich beschleunigen. Auch im privaten Gebrauch sind die Drucker ein nützliches Werkzeug. Drucken Sie sich Ihre selbst designte Lieblingstasse, Kinderspielzeug, Ersatzteile und individualisierte Stücke - nahezu alles ist möglich. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie 3D Drucker und die gängigsten Drucktechniken funktionieren.

Wie funktioniert ein 3D Drucker?

3D Drucker finden ihren Einsatz im industriellen und privaten Bereich.

Mit einem 3D Drucker werden in Schichtbauweise verschiedene, auch selber entworfene, dreidimensionale Objekte hergestellt. Das Objekt, das Sie drucken möchten, muss also digital als dreidimensionales Modell vorliegen. Dafür können Sie vollständige 3D Entwürfe aus dem Internet herunterladen oder selbst in einem geeigneten Programm erstellen.
Damit aus der entstandenen Datei im 3D Drucker ein realer Gegenstand entsteht, beinhalten alle Geräte eine entsprechende Software. Diese berechnet die nötigen Werkzeugbahnen und Befehle für den Drucker.

Gedruckt wird mit einer Düse, welche in alle Richtungen fährt, also seitwärts, vor- und rückwärts sowie auf- und abwärts. Aus der Düse kommt das dickflüssige Druckmaterial (Filament) als dünner Faden heraus. Die Düse bewegt sich in den vorberechneten Bahnen über das Druckbett und trägt den Faden in mehreren Schichten übereinander auf. Das 3D Objekt wächst so von unten Schicht für Schicht in die Höhe, wobei sich das aufgetragene Material schnell wieder erhärtet. Dabei wird ein geschlossenes 3D Druckobjekt nicht vollständig mit Filament gefüllt. Im Inneren der Teile erstellt der 3D Drucker eine Gitterstruktur, bei der die Materialstärke des Gitters individuell einstellbat ist. Das spart Material und das Objekt bleibt trotzdem stabil.

Der Fachbegriff additive Fertigung bezeichnet das oben beschriebene Druckverfahren: Eine Schicht nach der anderen wird addiert bis das Druckobjekt fertig ist. Durch dieses Fertigungsverfahren kommen auch die Rillen an 3D Modellen zustande.
 

Wissenswertes zu additiven Druckverfahren

Überblick über additive Druckverfahren

Innerhalb der additiven Druckverfahren (auch generative Fertigung genannt) gibt es verschiedene Technologien mit individuellen Vor- und Nachteilen.

Pulverbettverfahren (Pulververfahren)

Hier wird in einem wannenförmigen Bauraum Schicht für Schicht zuerst Pulver, dann Bindemittel aufgetragen. Das Bindemittel verteilt der Drucker dort, wo das 3D Objekt entstehen soll. Nach jeder Schicht senkt sich die Druckplatte um eine Schichthöhe und wiederholt den Vorgang. Alternativ zum Bindemittel nutzen 3D Printer Energie. Dann werden die Pulverschichten beispielsweise durch Hitze gehärtet und miteinander verbunden.

Zum Pulverbettverfahren zählen Selektives Laserschmelzen (SLM), Elektronenstrahlschmelzen (EBM), Selektives Lasersintern (SLS), Digital Light Processing (DLP) und Polyjet-Modeling.
 

3D Drucker mit FDM Technologie.

Freiraumverfahren

Wie zu Beginn des Ratgebers beschrieben, entsteht das Modell beim Freiraumverfahren schichtweise. Der Drucker platziert das Filament dort auf der Bauplatte, wo die 3D Drucker Vorlage dies vorsieht. Das Filament ist in der Regel fest und wird durch Hitze weich, sodass es sich leicht durch die Düse pressen lässt. Sind im Modell Überhänge oder Hohlräume enthalten, druckt das Gerät zusätzlich Stützkonstruktionen mit, um Verformungen des noch zähflüssigen Filaments zu unterbinden.

Das am meisten verbreitete Verfahren ist FDM (Fused Deposition Modeling), welches in den letzten Jahren ein enormes Wachstum erfahren hat. FDM zeichnet sich besonders durch ein einfaches Handling und hohe Kosteneffizienz aus. Außerdem eignet es sich für ein breites Anwendungsspektrum sowie für Einsteiger und Profis gleichermaßen.

3D Drucker mit Stereolithografie Technologie.

Flüssigmaterialverfahren (Flüssigverfahren)

Um den Gegenstand zu erhalten, wird die wannenförmige Bauplatte zuerst mit flüssigen Photopolymeren gefüllt. Je nach Verfahren härtet die Bestrahlung mit einem Laser die Flüssigkeit an den Stellen aus, wo die Form entstehen soll. Beispielsweise bestrahlen die Laser beim Digital Light Processing die Photopolymere von oben in Form eines Punktrasters.  

In die Kategorie der Flüssigverfahren fallen Stereolithografie (SLA), Digital Light Processing (DLP) sowie Lithography-based Ceramic Manufacturing (LCM).

Beliebte 3D Druckverfahren: Fused Deposition Modeling und Stereolithografie

Die 3D Printer auf conrad.de nutzen entweder Fused Deposition Modeling oder Stereolithografie. Diese zählen zusammen mit Polygrafie, Selektivem Lasersintern, 3D Printing und Selektivem Lasermelting zu den meist verbreiteten Fertigungsmethoden.

Der Einsatz des Freiraumverfahrens Fused Deposition Modeling, oder Schmelzschichtungsverfahren, eignet sich dort, wo Genauigkeit gefordert ist. Also beispielsweise für präzise Bauteile, die komplexen Tests und rauen Umgebungen standhalten müssen. Auch Befestigungsteile, Werkzeuge und Prototypen in der der Automobilbranche und der Medizintechnik werden oft auf diese Weise produziert. Im privaten Umfeld lassen sich alle vorstellbaren Teile drucken, beispielsweise Ersatzteile im Modellbau, Figuren, Becher oder Spielzeug.

Beim FDM wird das Modell Schicht für Schicht aus Kunststoff gefertigt. Da dieser durch eine heiße Düse gepresst wird, muss er schmelzfähig sein sowie schnell abkühlen und aushärten. Je nach Form sind auch hier Stützkonstruktionen nötig.
Es eignen sich thermoplastische Kunststoffe wie ABS- und PLA-Filamente. Filamente mit Anteilen aus Messing-, Kupfer- oder Bronzepartikeln erhalten nach dem Polieren oder Schleifen ihren realitätsgetreuen, metallischen Glanz.
 

Das Flüssigverfahren Stereolithografie fabriziert filigrane Modelle und Bauteile, Gussmodelle, Funktionsbauteile und Prototypen im Maschinenbau, in der Automobilbranche und der Medizintechnik. Auch für Endprodukte wie beispielsweise passgenaue Hörgeräte ist dieses Verfahren gut geeignet. Im privaten Bereich lassen sich die 3D Drucker universal einsetzen, allerdings ist der Pflegeaufwand durch die erforderliche Reinigung nach dem Drucken etwas aufwändiger als bei FDM Druckern.

Dabei entsteht das Modell, indem es Schicht für Schicht in ein Flüssigbad aus Photopolymeren sinkt. Ein Laserstrahl härtet jede Schicht aus, bevor das entstehende Modell für eine weitere Schicht in die Flüssigkeit eintaucht. Damit das Objekt nicht während des Druckvorgangs wegschwimmt, entstehen parallel zum Gegenstand Stützstrukturen. Diese kleinen Säulen lassen sich am Ende mechanisch entfernen. Wichtig ist es, das fertige Modell am Ende gründlich zu reinigen und dabei Hautkontakt zu vermeiden. In einer UV-Kammer findet im Anschluss das Aushärten statt.
 

Vorteile der additiven Fertigung für Unternehmen im Vergleich zu klassischen Verfahren

  • Schnellere und kostengünstigere Produktion, beispielsweise durch geringeren Materialaufwand und Fehlerreduzierung in der Prototypenentwicklung
  • Just-in-time Produktion von 3D Objekten
  • Funktionale und komplexe sowie filigrane Druckerzeugnisse
  • Hohe Flexibilität im Produktionsprozess durch Adhoc-Änderungen und schnelle Umsetzung von Änderungswünschen
  • Leichtbaukonstruktion: Mit 3D Druck lassen sich Formen realisieren, die mit klassischen Fertigungsmethoden gar nicht oder nur schwer realisierbar sind. Damit setzen die 3D Konstruktionen hinsichtlich Gewicht, Design und Stabilität neue Maßstäbe.

Vorteile der additiven Fertigung bei privaten Anwendern

  • Produktion von benötigten Teilen in kurzer Zeit
  • Individualisierung: Keine Lust auf Massenware? Mit dem 3D Drucker können Sie individuelle Stücke kreieren.
  • Spaß am Tüfteln und Gestalten
     

Was kann ein 3D Drucker?

3D Drucker ermöglichen es Anwendern im privaten und im gewerblichen Bereich, einzigartige Gegenstände per Mausklick herzustellen. Hier erhalten Sie einen Überblick über die Möglichkeiten:
 

Produktion

  • Rapid Prototyping
  • Kleinserienfertigung
  • Individuelle Einzelstückfertigung
  • Musterfertigung

Modellbau/-bahn

  • Fertigung von An- & Umbauteilen
  • Individualisierung von Standardkomponenten
  • Herstellung von Ersatzteilen
  • Fertigung maßstabsgetreuer Miniaturen
     

Handwerk

  • Kostengünstiger Einstieg in CNC-Verfahren
  • Individuelle Einzelstückfertigung
  • Maßstabsgetreue Modelle
     

Bildung

  • Erlernen von 3D-Konstruktionen: Ergebnis ist sofort greifbar
  • Verbesserung des räumlichen Denkens 
  • Verknüpfung von Theorie & Praxis
     

Kunst und Design

  • Fertigung maßstabsgetreuer Modelle und Skulpturen
  • Schmuckdesign, insbesondere Prototypen und Designmuster

Architektur

  • Kostengünstige, schnelle Entwürfe für Kunden und Wettbewerbe
  • Umsetzung von Grundrissen als Miniaturmodell

Wie findet man einen guten 3D Drucker?

Um den perfekten 3D Drucker zu finden, sollten Sie einige Kriterien beachten.

Wer komplizierte Formen und passgenaue Teile mit dem 3D Drucker erstellen möchte, benötigt einen 3D Drucker mit guter Druckqualität. Maßgeblich sind hierbei folgende Faktoren:

Druckschichthöhe

Die Dicke des aufgetragenen Druckmaterials variiert zwischen 0,02 und 0,2 Millimetern. Je dünner eine Druckschicht ist, desto feiner und präziser wird das Modell am Ende. Zudem sind die Rillen zwischen den einzelnen Druckschichten weniger auffällig. Diese Eigenschaft macht unter anderem den Unterschied zwischen preislich hochwertigen und günstigen 3D Printern.  

Hot-End und Extruder

Der Extruder ist das Herzstück eines 3D Druckers: Er und eine heiße Düse (Hot-End) schmelzen und formen das Filament und bauen das Objekt auf. 3D Drucker haben entweder einen oder zwei Extruder.
Besonders für den professionellen Einsatz ist ein Gerät mit zwei Extrudern (Dual Extruder) empfehlenswert. Durch den Druck von Stützstrukturen, beispielsweise aus wasserlöslichem PVA, lassen sich bessere Druckergebnisse erzielen. Die filigranen Stützen sind leicht zu entfernen. Außerdem lassen sich verschiedene Materialien wie weiche und harte Stoffe oder mehrere Farben in einem Modell verarbeiten.

Druckraum
Die Größe des Druckraums wird als X-, Y- und Z-Achse angegeben. In der Regel reichen diese von 100 bis 250 Millimeter pro Achse. Das ermöglicht es Ihnen, auch größere oder mehrere Objekte in einem Druckvorgang zu fertigen.

Druckbett
Hier gibt es beheizte und unbeheizte Varianten. Wer einen hohen Qualitätsanspruch hat, greift besser zu einem beheizbaren Druckbett, das mindestens 100 Grad Celsius heiß wird. Denn dadurch verbessert sich die Haftung des Modells und es kann sich nicht verziehen. Dies passiert oftmals, weil die frisch gedruckten Teile ungleichmäßig warm und somit unterschiedlich formbar sind.
Einen Einfluss auf Haftung und Temperaturverteilung hat das Material des Druckbetts. Hier empfehlen sich Platten aus Glas, Keramik oder Aluminium-Gussplatten. Damit das Modell während des Drucks optimal auf der Druckplatte haftet, eignen sich entsprechende Haftfolien oder Haftsprays. Diese lassen sich auf beheizte und unbeheizte Druckbetten auftragen.

 

Das Filament läuft durch Extruder und Düse.

Material für 3D Drucker (Filament)

Wichtige Kriterien bei den Druckmaterialien sind Härtegrad, Flexibilität und Temperaturfestigkeit. Das Druckmaterial für das herkömmliche FDM-Verfahren besteht in der Regel aus PLA- oder ABS-Filamenten. Gleichzeitig ist heute fast jeder Kunststoff für 3D Drucker verfügbar, egal ob hochfestes Polycarbonat oder scheuerfestes Nylon.

PLA ist ein Naturkunststoff, der biologisch abbaubar ist. Er ist UV-beständig und leicht zu verarbeiten. Darüber hinaus haftet er während des Drucks am besten auf einer Glasplatte oder einem Spiegel, der auf der Druckplatte montiert ist. Eine beheizbare Platte ist nicht nötig. Allerdings verformt sich PLA bei 60 Grad Celsius. Es ist also ungeeignet für Gegenstände wie Tassen, die sich bei Gebrauch erhitzen oder mit heißen Materialien in Berührung kommen.
Darüber hinaus gibt es Filamente aus PLA mit Holz-, Bronze-, Messing- oder Kupferanteilen. Diese sind in ihrer Optik und Haptik dem originalen Stoff täuschend ähnlich. Auch transparente oder bei Dunkelheit leuchtende Filamente sind erhältlich. 

Der Kunststoff ABS besteht aus Erdöl, ist schlagfest und weniger hitzeanfällig als PLA. Deshalb ist er auch für eine Nachbearbeitung wie Polieren oder Schleifen geeignet. Allerdings ist er schwerer zu verarbeiten und benötigt ein beheiztes Druckbett.

Weitere Filamente sind:

PVA: Wasserlösliches Filament, das fast ausschließlich für den Druck von Stützmaterialien genutzt wird. So brauchen Sie die Strukturen nicht per Hand zu entfernen.

HIPS: Wird wie PVA hauptsächlich für den Druck von Stützkonstruktionen einsetzt, da es in der Chemikalie Limonene lösbar ist.

Laybrick & Laywood: Diese Filamente bestehen vor allem aus Sandstein- oder Holzpartikeln. Aus diesem Grund sind sie Sandstein oder Holz optisch und haptisch täuschend ähnlich.

TPE (Thermoplastische Elastomere): Auch in gedrucktem Zustand ist es flexibel und sehr belastbar.

Resin/Harz: Da Harz durch die Bestrahlung mit einem Laser oder Licht aushärtet, kommt es besonders in der Stereolithografie zum Einsatz. Resin weist diese Eigenschaft ebenfalls auf und ist zusätzlich in verschiedenen Formen und Materialeigenschaften erhältlich.
 

Druckgeschwindigkeit
Auch wenn hochwertige Geräte mit einer Geschwindigkeit von etwa 300 Millimetern pro Sekunde drucken können, geht dies jedoch oft zu Lasten der Qualität. In Kombination mit dem richtigen Filament, wie beispielsweise High-Speed PLA, liefern sie auch bei hohen Geschwindigkeiten gute Qualität. Zusätzlich verringern sich die Druckzeiten nochmals. 3D Drucker für Einsteiger hingegen sind mit Werten um die 60 mm/s deutlich langsamer.

3D Drucker Bausatz zum selber bauen oder fertiges Modell?
Für alle Tüftler und Technikbegeisterte, aber auch für den Einsatz in Bildungseinrichtungen, gibt es verschiedene 3D Drucker als Bausatz zu kaufen. Diese lassen sich daheim mit etwas Geduld und Zeit selber bauen. Hinsichtlich Funktionsweise und Druckqualität stehen diese 3D Drucker den fertigen Geräten bei richtiger Montage in nichts nach.
 

Bestandteile eines 3D Drucker Bausatzes zum selbst bauen.
So sieht der fertige 3D Drucker nach dem Zusammenbauen aus.

Von der 3D Drucker Vorlage zum Druckergebnis

Jeder 3D Drucker arbeitet computergesteuert. Er benötigt also numerische Informationen in Form eines virtuellen Modells zu den Objekten, die gedruckt werden sollen. Diese Druckvorlage ist auf zwei Wegen erstellbar: Durch 3D Scan oder die Neumodellage mit Hilfe von CAD-Software.

3D Scanner für originalgetreue Nachbildungen

Mithilfe eines 3D Scanners und eines 3D Druckers ist es möglich: das Foto 3.0. Sie stellen sich vor einen 3D Scanner, dieser erzeugt ein Computermodell von Ihnen – detailreich bis hin zum Faltenwurf des Shirts. Ein 3D Drucker druckt es in nahezu beliebigem Maßstab aus. Ein Mini-Ich für die Vitrine. Für Privatanwender sind 3D Scanner in kleinen Formaten interessant, denn auch hiermit ergeben sich vielfältige Möglichkeiten: Die fehlende Schraube, der Griff für den Schrank, der Zahnputzbecher und vieles mehr kann exakt kopiert und ausgedruckt werden. Neben der Hardware ist eine leistungsstarke Scan-Software nötig, die in der Regel im Lieferumfang enthalten ist.
 

3D Drucker Vorlagen mit CAD-Software

CAD-Software zur Erstellung von 3D Objekten.

Dreidimensionale Objekte lassen sich zudem ohne ein reales Vorbild anfertigen. CAD-Software (Computer-Aided Design) ermöglicht die Erstellung jedes denkbaren Modells. Voraussetzung hierfür ist eine gute Kenntnis der Software – und die nötige Kreativität.

Einsteiger-Software für 3D Drucker Vorlagen liefert Hilfestellungen, um sich dem Thema in der Praxis zu nähern. Für alle, die neu in den 3D Druck einsteigen oder sich nicht allzu intensiv mit CAD-Software auseinandersetzen möchten, finden im Internet Abhilfe. Dort bieten zahlreiche Webseiten fertige 3D Vorlagen zum Herunterladen an.

Conrad 3D Druckservice

Wenn Sie sich nicht gleich einen eigenen 3D Printer kaufen möchten, können Sie Ihr 3D Modell an unseren Conrad 3D Druckservice schicken. Dieser druckt Einzelteile oder Kleinserien und bietet Ihnen das gesamte Spektrum der 3D Drucktechnologie an.  

Ausstattung für 3D Drucker

Natürlich finden Sie bei Conrad nicht nur die 3D Drucker, sondern auch passendes Zubehör, Erweiterungen und Ersatzteile.

Zubehör für den perfekten 3D Druck, beispielsweise Haftfolien, Haftvermittler, Düsensets und Curing Chamber.

Erweiterungen wie Einhausungen, LED Ringe zur Oberflächenbeleuchtung oder Filament Reiniger finden Sie in diesem Bereich.

Ersatzteile für beschädigte Teile finden Sie hier, zum Beispiel Prozessor-Platinen, Extruder, Federn, Kabel oder Druckgussplatten.

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