3D-Druck ist ein additives, materialaufbauendes Verfahren, um einen dreidimensionalen Gegenstand, das Werkstück, herzustellen. Anders als klassische Techniken, wie z. B. das Umformen (Schmieden, Gießen usw.) und die subtraktiven, materialabtragenden Herstellungstechniken (Fräsen, Drehen, Bohren usw.) ist der 3D-Druck eine sehr junge Technik. Die Stereolithografie (SLA), das erste 3D-Druckverfahren, wurde 1981 erfunden. Ihm liegt eine Kunststoffhärtungstechnik mittels Laserlicht zugrunde, wobei flüssige Harze zum Einsatz kommen. Das zurzeit gebräuchlichste 3D-Druckverfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM), da die niedrigen Preise für diese Geräte dafür sorgen, dass auch immer mehr Privatpersonen solche Drucker erwerben. Gedruckt wird hier mit thermisch verformbaren Kunststoffen (Thermoplaste), die extrudiert werden. Das selektive Lasersintern (SLS) ist technisch mit der Stereolithografie verwandt. Hier wird mit Laserlicht Kunststoffpulver gesintert.

Neben diesen Techniken für den Kunststoffdruck gibt es noch Verfahren zum Druck von Metallen, wie das selektive Laserschmelzen, welches technisch dem Lasersintern eng verwandt ist. Für Materialien wie Keramik (Porzellan, Ton usw.) und Lebensmittel (Schokolade, Marzipan usw.) wurden Geräte entwickelt, bei denen, ähnlich wie beim Fused Deposition Modeling, Material extrudiert wird.

Zu den großen Vorteilen des 3D-Drucks gegenüber anderen Fertigungstechniken gehört die Tatsache, dass räumlich komplex aufgebaute Werkstücke problemloser und schneller als mit anderen Techniken (Urformen, Umformen, Materialabtragen) hergestellt werden können. Zu den Nachteilen zählt, dass Werkstücke, die per 3D-Druck hergestellt werden, in Stabilität und Oberflächenqualität selten an Werkstücke, die mit klassischen Techniken hergestellt wurden, heran reichen. Daher wird 3D-Druck heute meist für das Rapid Prototyping, in der Produkt- und Designentwicklung, eingesetzt. Allerdings schreitet der Stand der Technik schnell voran. Schon heute gibt es 3D-Drucker, deren Druckqualität (zumindest in einigen Anwendungsgebieten) gut genug für die Produktion ist, wobei der 3D-Druck bisher vor allem für die Kleinserienproduktion geeignet ist.

Der Druckkopf eines 3D-Druckers muss exakt definierte räumliche Bewegungen ausführen können. Zur Ortsbestimmung im mathematischen Sinn werden Koordinatensysteme für den euklidischen Raum verwendet. Die Position des Druckkopfes kann dabei z. B. mittels Polarkoordinaten, bei denen ein Abstand zum Koordinatenursprung sowie Winkelmaße zu Bezugsgeraden angegeben werden, definiert sein. Auch Triangulation kann theoretisch für die Positionsbestimmung des Druckkopfes eingesetzt werden. Das Koordinatensystem, welches der Philosoph und Universalgelehrte Descartes, der gerne mit „Ich denke, also bin ich.“ zitiert wird, bekannt machte, ist jedoch das meist verwendete Koordinatensystem für den Betrieb von 3D-Druckern.

Mit den drei sich orthogonal zueinander im Koordinatenursprung schneidenden Achsen des kartesischen Koordinatensystems kann jeder Punkt eines euklidischen Raumes mathematisch exakt beschrieben werden. Die exakt parallele Bewegung des Druckkopfs und/oder des Druckbettes entlang dieser drei Achsen X, Y und Z wird durch Linearführungen gewährleistet.

Für die Positionierung des Druckkopfs im druckraum kommt beim 3D-Druck fast immer das kartesische Koordinatensysstem zum Einsatz.

Einige Druckerhersteller verbauen beheizbare Druckbetten, die verhindern sollen, dass sich Werkstücke während des Drucks beim Abkühlen schon gedruckter Schichten verziehen. Zum einen kann solch ein Verzug zu einem ungewollten Ablösen des Drucks vom Druckbett führen, zum anderen wird dadurch das Werkstück eventuell unbrauchbar. Dies vor allem bei technischen Bauteilen, die maßhaltig gefertigt sein müssen. Bei manchen Kunststoffen, wie beispielsweise bei ABS, ist das Vorhandensein einer Druckbettheizung eine unabdingbare Voraussetzung für den Einsatz im FDM-Druckverfahren. Technisch ist diese Druckbettheizung meist analog zur Düsenheizung umgesetzt.
Folgende Druckbett-Temperaturen haben sich bewährt:

Dieser Teil eines Extruders besteht aus einer Filamentfördermechanik, die durch einen Steppermotor angetrieben wird. Seine Drehzahl, die Umdrehungszahl sowie die Drehrichtung werden von der Steuerelektronik des Druckers exakt gesteuert. Auf der Motorwelle sitzt ein Ritzel, welches das in einem Filamentkanal geführten Filament in die Heizdüse drückt. Dafür, dass das Ritzel das Filament zuverlässig im Kanal bewegt, sorgt meist eine gefedert gelagerte Rolle, die den Kunststoffdraht an das Ritzel drückt. Es existieren zwar andere Coldend-Konstruktionen, jedoch ist die oben erläuterte die meistgebräuchliche.

Die erste Druckschicht (Layer) eines 3D-Druckes im FDM-Verfahren wird auf eine ebene Fläche gedruckt, die als Basis für den schichtweisen Aufbau eines Werkstückes dient. Zwischen erstem Layer und Druckbett sollte eine möglichst kraftschlüssige Verbindung entstehen, damit der wachsende Ausdruck nicht irgendwann während des Druckvorganges die Haftung am Druckbett verliert. Sollte dies geschehen, wird der Druck nämlich unbrauchbar. Andererseits darf die Haftung des Werkstücks am Druckbett nicht zu groß sein, weil sonst Beschädigungen des Druckbetts und/oder des Werkstückes beim Ablösen des fertigen Druckes zu befürchten sind. Für die Erzeugung der nötigen Haftung gibt es diverse Möglichkeiten:

• Beheiztes Druckbett
• Haftungshilfen
• Skirt, Raft, Brim

Die Extrusionsdüse, durch welche der verflüssigte Kunststoffdraht (Filament) gespritzt wird, besteht neben der eigentlichen Düse aus einem elektrischen Heizelement und einem Thermistor. Diese Bauteile sind im metallenen Düsenkopf montiert. Das Heizelement wird von der Druckersteuerung kontrolliert mit Strom versorgt, um exakt die für den jeweils verwendeten Kunststoff benötigte Verarbeitungstemperatur zu erzeugen. Der Thermistor fungiert als Thermometer, mittels dessen Messwerte die Steuerung einen Soll-Ist-Abgleich vornehmen und die Heizung nachregulieren kann.

Die eigentliche Druckdüse ist die für die Druckgeschwindigkeit und die Druckqualität entscheidende Komponente eines FDM-Druckers. Der Durchmesser der Düsenöffnung legt direkt fest, mit welcher Druckauflösung in der xy-Ebene das Gerät maximal arbeiten kann. Üblich sind Düsengrößen zwischen 0,2 und 0,5 Millimetern. Kleine Düsenöffnungsdurchmesser ermöglichen eine feinere Detailierung, größere eine höhere Druckgeschwindigkeit. Empfehlenswert sind Drucker, bei denen ein Düsenwechsel schnell und unkompliziert handhabbar ist.

Siehe Host-Programm.

Detailansicht eines Extruders mit den für passiv gekühlte Hotends typischen großen Kühlrippen am Filamentkanal.

Der Extruder ist das Herzstück eines FDM-Druckers. Dieses Bauteil sorgt dafür, dass während des Druckvorgangs stets kontrolliert die richtige Menge an Kunststoff aus der Druckdüse extrudiert wird. Er besteht aus dem sogenannten Coldend und dem Hotend mit der Druckdüse.

Um die Bewegung eines Druckkopfes zu einem bestimmten Punkt im Raum hin exakt zu beschreiben, bedarf es unter Verwendung eines kartesischen Koordinatensystems nur dreier einfacher Sätze (Befehle) wie z. B.

• Fahre vom Koordinatenursprung um 3,6 cm auf der x-Achse nach rechts (x=+3,60).
• Fahre nun um 5,8 cm parallel zur y-Achse nach hinten (y=+5,80).
• Fahre nun um 0,01 cm parallel zur z-Achse nach oben (z=+0,01).

Je nach Bauart des Druckers muss der Mikroprozessor diesen Befehlssatz in die entsprechenden Bewegungen der Maschinenteile umsetzen.

Bei einem Drucker, bei dem z. B. der Druckkopf in der Höhe und in Richtung der X-Achse und das Druckbett in der y-Achse verfahrbar sind,

• fährt der Druckkopf um 3,6 cm nach rechts,
• fährt dann das Druckbett 5,8 cm nach vorne (anstatt dass der Druckkopf um diese Strecke nach hinten fährt),
• fährt und schließlich der Druckkopf um 0,01 cm nach oben.

Eine Kette von solchen Befehlen, die in einer vom Mikroprozessor der Druckersteuerung interpretierbaren Sprache (Programmiersprache) geschrieben ist, nennt sich G-Code. Der Satz- und Adressaufbau der zu übermittelnden numerischen Steuerungsinformationen eines G-Codes ist in der Norm DIN 66025/ISO 6983 beschrieben. G-Code hat den Vorteil, von Menschen gelesen und geschrieben werden zu können, sodass erfahrene Anwender von computergesteuerten Maschinen in der Lage sind, G-Code ohne Spezialsoftware zu entwickeln und/oder zu optimieren. Obige Anweisung in deutscher Sprache sähe im G-Code etwa so aus:

G00 X360 Y580 Z001

G00 steht für »Schnellgang«, der Rest des Codes ist selbsterklärend.

Eine aufgeraute Acryl-Platte als Druckbett ist eine Möglichkeit, mittels optimierter Bett-Oberflächen für gute Haftung zu sorgen.

Um das Werkstück zuverlässig auf dem Druckbett zu halten gibt es diverse Techniken, die, oft auch in Kombination, beim 3D-Druck zum Einsatz kommen:

Mittels der manuellen Druckersteuerung der einzelnen Motoren und der Heizungselemente in einer Hostsoftware können Wartungs- und Reinigungsarbeiten durchgeführt werden. Screenshot von RepetietrHost V0.52.

Der Host ist das Steuerprogramm für einen 3D-Drucker. Zumindest dann, wenn der Drucker über einen PC ferngesteuert wird. Aktuelle Drucker können autonom drucken. Hier wird nur noch der auf dem PC errechnete G-Code auf einen Datenträger gespeichert und der Controller des Druckers übernimmt die Host-Aufgabe des Steuerns der Maschine.

Als Benutzeroberfläche für den Slicer und zur Positionierung der Werkstücke auf dem Druckbett bzw. im Druckraum werden die Host-Programme aber noch immer eingesetzt. Außerdem kann mit dem Hostprogramm eine manuelle Steuerung der einzelnen Motoren und Heizelemente des Druckers vorgenommen werden, um z. B. Wartungs- und Reinigungsarbeiten durchführen zu können. Die meistverwendete Open-Source-Host-Software ist RepetierHost, welche von vielen Druckerherstellern, mit speziell auf ihre Produkte optimierten Modifikationen, an die Kunden als Host-Programm ausgeliefert wird.

Das Hotend besteht aus einem vom Coldend kommenden Filamentkanal sowie einer am Ende des Kanals sitzenden beheizbaren Druckdüse. Der Filamentkanal verfügt über eine Kühlung, die dafür sorgt, dass der Kunststoffdraht erst kurz vor Erreichen der Druckdüse flüssig wird. Verliert das Filament im Kanal zu früh seine Festigkeit, ist ein zuverlässiger Filament-Vorschub nicht mehr gewährleistet, weil dann z. B. das Vortriebsritzel des Coldend mit weichgewordenem Kunststoff verklebt werden und/oder an der Düse nicht genügend Druck für die Extrusion aufgebaut werden kann. Die Kühlung des Filamentkanals kann passiv durch Kühlrippen und/oder durch Lüfter realisiert sein.

Der G-Code für einen Probewürfel kann so einfach gestrickt sein, dass er notfalls manuell mit einem Texteditor geschrieben werden kann.

Wenn nun der Druckkopf eine Form wie z. B. einen Kreis als eine von vielen Schichten eines Werkstückes auf das Druckbett drucken soll, wäre dies eventuell auch ohne den Einsatz einer Spezialsoftware umsetzbar. Nun sind die Formen der Werkstücke, die gedruckt werden sollen, aber in der Regel deutlich komplexer als ein Würfel oder ein Zylinder. Gerade die Tatsache, dass Werkstückformen ermöglicht werden, die mit anderen Fertigungstechniken nicht realisierbar sind, gehört zu den großen Vorteilen des 3D-Drucks. Hier kommt der sogenannte Slicer zum Einsatz. Das englische slice steht für »in Scheiben schneiden«. Und genau das tut diese Kategorie von Software. Sie schneidet das Werkstück virtuell in Scheiben, deren Dicke einer Schichtstärke beim Druck entspricht. Nun kommt der mathematisch aufwändigere Teil des Slicing-Vorgangs. Die Software berechnet den optimalen Verfahrweg des Druckkopfs für alle Schichten. Dabei sind viele Parameter zu beachten. Neben dem Erzielen einer möglichst glatten Oberfläche, welche z. B. dadurch erreicht werden kann, dass der Drucker pro Schicht jeweils zuerst die Außenkanten der Schicht druckt, spielen die Wandstärken, dar Grad der Füllung des Werkstücks, die Druckgeschwindigkeit, eventuell nötige Stützkonstruktionen bei Überhängen, um nur einige Einflussgrößen zu nennen, eine Rolle bei der Berechnung des G-Codes.

Bei den Slicing-Ergebnissen der diversen verfügbaren Slicer gibt es durchaus Qualitätsunterschiede, da die zugrundeliegende Mathematik komplex ist. Die proprietären Slicer, die einige Druckerhersteller, speziell für für ihre Geräte optimiert, anbieten, liefern meist brauchbare Ergebnisse. Es gibt aber auch Open-Source-Slicer, wie Marlin, Cura, Sli3er usw. die guten G-Code erzeugen.

Eine grafische Benutzeroberfläche für die Slicing-Software bieten sogenannte 3D-Drucker-Hosts.