Vom CAD-Modell zum fertigen Produkt – Der 3D Druck Prozess einfach erklärt.
Einleitung
Der 3D-Druck (auch additive Fertigung genannt) eröffnet Schweizer KMU, Ingenieuren und Start-ups völlig neue Möglichkeiten. Anstatt Bauteile aus einem Block herauszufräsen oder teure Spritzgussformen zu bauen, entsteht das Produkt hier Schicht um Schicht aus Kunststoffen, Harzen, Metallen oder sogar biokompatiblen Stoffen. Diese Technologie wurde ursprünglich entwickelt, um Entwicklungs- und Prototypenphasen zu verkürzen. Heute können Unternehmen in der Schweiz Modelle und Prototypen sehr schnell und kostengünstig fertigen – etwa indem ein Zürcher Betrieb den Helm der Schweizer Garde statt aus schwerem Metall aus leichtem PVC druckt (das gedruckte Modell ist zwar stabil wie ein Metallhelm, aber deutlich leichter, schneller und günstiger herzustellen). Die additive Fertigung ist somit nicht nur ein Techniktrend, sondern ein entscheidender Wettbewerbsvorteil: Sie verkürzt Entwicklungszyklen und ermöglicht komplexe, innovative Designs bei hoher Flexibilität.
CAD-Modellierung und 3D-Design
In der CAD-Phase wird das Bauteil am Computer konstruiert (siehe Abbildung). Unsere CAD-Experten in der Schweiz erstellen das 3D-Design mit professioneller Software. Oft kommt auch Reverse Engineering zum Einsatz, wenn ein bestehendes Bauteil gescannt und in ein druckbares Modell umgewandelt werden soll. Dabei müssen Mindestwandstärken eingehalten und Überhänge mit Stützstrukturen geplant werden. Diese Designvorgaben sind essenziell, um ein druckfähiges Modell zu erhalten.
Wandstärken: Mindestens 0,5–1,0 mm für Stabilität und Druckbarkeit.
Überhänge: Neigungswinkel über ca. 45° benötigen Stützstrukturen (Support.
Netzstruktur: Das Modell muss ein geschlossenes Volumen sein (keine Löcher im Polygonnetz).
Komplexität: 3D-Druck ermöglicht organische und innere Strukturen, die mit konventionellen Methoden oft unmöglich sind.
Die Arbeit eines 3D-Design-Teams sorgt dafür, dass das Modell sowohl technisch korrekt als auch funktional ist und sich optimal in den Druckprozess einbringen lässt.
Dateiformate und Slicing
Nachdem das CAD-Modell fertig ist, wird es meist als STL-Datei exportiert. Diese Datei beschreibt die Oberflächengeometrie über ein Netz aus Dreiecken. Wichtig ist dabei, dass die Geometrie „wasserdicht“ ist und genügend Polygone enthält, um Details korrekt abzubilden. Alternativ sind auch andere Dateiformate möglich. Bei Bedarf können STEP-, IGES (.igs/.iges), OBJ, 3MF oder sogar native CAD-Formate (wie SolidWorks, Inventor, CATIA usw.) in STL oder andere druckfähige Formate umgewandelt werden.
Anschließend importiert man die STL-Datei (oder das konvertierte Format) in ein Slicer-Programm. Der Slicer zerlegt das Modell in horizontale Schichten und erzeugt daraus einen G-Code – eine Reihe von Druckanweisungen für den Drucker (z. B. Position, Geschwindigkeit, Extrusionsmenge). In der Software legt man Parameter wie Schichthöhe, Fülldichte, Bauteilorientierung und die Platzierung von Stützstrukturen fest. Diese Einstellungen haben maßgeblichen Einfluss auf die Oberflächenqualität, Druckzeit und mechanische Stabilität des fertigen Teils.
Materialauswahl
Die additive Fertigung bietet eine grosse Vielfalt an Materialien für unterschiedlichste Anwendungen. Häufige Kategorien sind:
Thermoplastische Filamente (FDM/FFF): z.B. PLA, ABS, PETG, Nylon (PA). Günstig und einfach zu verarbeiten, geeignet für robuste Prototypen und Funktionsteile.
Photopolymer-Harze (SLA/DLP, PolyJet): Flüssige Harze, die durch UV-Licht ausgehärtet werden. Sie liefern sehr hohe Detailauflösung und glatte Oberflächen, aber sind oft spröder. Ideal für Dental-, Schmuck- und Designmodelle.
Pulverbettverfahren (SLS/MJF): Pulver (meist Polyamid-Nylon) mit Zusatzstoffen. Die Druckteile sind stabil und erlauben komplexe Geometrien ohne Stützen. Verwendet für funktionale Teile und kleine Serien.
Metallpulver (DMLS/SLM): z.B. Edelstahl, Titan, Aluminium. Hochfeste Metallteile (besonders in Luftfahrt und Medizin). Die Anlagen sind aufwändig, aber ermöglichen hochbeanspruchte Komponenten.
Spezialmaterialien: Glas- oder Kohlefaser-gefüllte Kunststoffe, flexible TPU-Filamente, Keramik- oder Composite-Materialien u.a.
Kurz gesagt: Einige Drucker extrudieren Filament, andere sintern Pulver oder härten flüssige Harze aus. Die Wahl des Materials richtet sich nach dem Einsatzzweck: Braucht man Schnelligkeit und Kostenersparnis, greift man oft zu Filamenten; benötigt man höchste Präzision oder spezielle Werkstoffe, wählt man Harze, Pulver oder Metalle.
Vergleich der 3D-Druckverfahren
| Verfahren | Materialien | Genauigkeit | Oberflächenqualität | Typische Anwendungen | Besonderheiten |
|---|---|---|---|---|---|
| FDM (Fused Deposition Modeling) | PLA, ABS, PETG, u. a. | Mittel | Mittel | Prototypen, Gehäuse, Funktionsteile | Kostengünstig, einfach |
| SLA (Stereolithographie) | Photopolymerharze | Hoch | Sehr hoch | Feine Modelle, Schmuck, Medizin | Detailreich, empfindlicher |
| SLS (Selektives Lasersintern) | PA12, TPU, u. a. | Hoch | Gut | Funktionsprototypen, Kleinserien | Stützfrei, robust |
| PolyJet | Photopolymere | Sehr hoch | Sehr hoch | Designmodelle, Dentaltechnik | Mehrfarbig, Multimaterial |
| Binder Jetting | Metall, Sand, Keramik | Mittel | Mittel | Metallteile, Gussformen | Schnell, Nachbearbeitung nötig |
Die additive Fertigung umfasst also viele Verfahren, die sich in Genauigkeit, Festigkeit und Kosten unterscheiden. FDM ist weit verbreitet für robuste Alltagsdrucke. SLA liefert perfekte Oberflächen für hochauflösende Modelle. SLS/MJF kombiniert Festigkeit mit komplexen Formen. Metall-Verfahren (DMLS/SLM) bringen die Vorteile des 3D-Drucks in anspruchsvolle Bauteile. So kann für jedes Projekt das optimal geeignete Verfahren gewählt werden.
Ein FDM-Drucker erhitzt ein Kunststoff-Filament und trägt es schichtweise auf die Bauplatte aufprotolabs.com. Hier entsteht in einem Desktop-Drucker ein Zahnradmodell aus Nylon (PA12), das Schicht um Schicht aufgebaut wird. FDM-Drucker sind weit verbreitet, da sie vergleichsweise günstig sind und auch große Objekte produzieren können. Typische Materialien sind PLA, ABS oder PETG. FDM eignet sich besonders für robuste Prototypen und Funktionsbauteile, die schnell und preiswert realisiert werden sollen.
SLA (Stereolithografie) / DLP
Bei SLA- oder DLP-Druckern wird ein flüssiges Photopolymer schichtweise mit UV-Licht ausgehärtet. Diese Verfahren liefern eine extrem feine Detailauflösung und sehr glatte Oberflächen. Nach dem Druck muss das Teil in Isopropanol gespült und durch zusätzliche UV-Härtung vollendet werden. SLA-Teile sind ideal für Zahnmedizin, Schmuckmodelle oder Designprototypen, wo Präzision und Optik entscheidend sind. Ein typischer Nachteil ist, dass SLA-Kunststoffe oft spröder sind als FDM-Materialien.
SLS (Selektives Lasersintern)
Beim SLS-Verfahren sintert ein Laser punktweise ein Kunststoffpulver (häufig Nylon). Das Werkstück befindet sich dabei im noch lockeren Pulverbett und benötigt keine Stützstrukturen. SLS-Teile sind sehr robust und für funktionale Anwendungen geeignet. Die Oberfläche wirkt leicht körnig, und das Bauteil ist kaum anisotrop, da es allseitig von Pulver umgeben war. SLS findet man oft in der Serienproduktion von technischen Bauteilen, bei Ersatzteilen oder komplexen Gehäusen.
Der Druckprozess
Mit dem fertigen G-Code startet der Druckauftrag. Je nach Verfahren laufen die Schritte etwa so ab:
Drucker vorbereiten: Die Druckplatte wird gereinigt und nivelliert, das Material (Filament, Harz oder Pulver) wird eingelegt.
Druck starten: Der Drucker fährt das Programm autonom ab. Beim FDM bewegt sich der Extruder in X/Y und schichtet das Filament vertikal. Bei SLA belichtet ein Laser das Harz, bei SLS fährt ein Pulverwalzen über das Bauteil.
Überwachung: Moderne Systeme erlauben Kameras oder automatische Materialzufuhr. In der Regel läuft der Druck mehrere Stunden bis Tage durch.
Abschluss: Am Ende kühlt das Bauteil ab oder wird vollständig ausgehärtet. Anschließend lässt man es aus der Maschine entnehmen.
Im Druckprozess selbst ist vor allem darauf zu achten, dass ausreichend Material vorhanden ist und die erste Schicht sauber haftet. Technische Drucker ermöglichen zudem das parallele Drucken mehrerer Objekte oder automatisches Nachfüllen von Material.
Nachbearbeitung (Post-Processing)
Nach dem Druck ist das Bauteil meist noch nicht fertig einsatzbereit. Die wichtigsten Nachbearbeitungsschritte sind:
Stützstrukturen entfernen: Bei FDM und SLA werden zusätzliche Supports abgebrochen oder gelöst.
Reinigung: SLS-Teile werden im Pulverbettschüttler vom überschüssigen Pulver befreit. SLA-Teile werden in Alkohol gewaschen und UV-geheizt, um Harzreste zu entfernen.
Oberflächenbehandlung: Schleifen, Lackieren oder chemisches Glätten (z.B. Aceton-Dampf bei ABS) verbessern die Optik.
Mechanische Nachbearbeitung: Bohrungen, Gewinde oder Montagestifte werden ggf. nachträglich eingebracht.
Qualitätssicherung: Masskontrolle (z.B. per Koordinatenmessgerät) und Funktionstests garantieren, dass das Teil den Anforderungen entspricht.
Viele dieser Schritte können an erfahrene 3D-Druck-Dienstleister ausgelagert werden. Die Experten dort optimieren Oberflächen und prüfen präzise, damit das Bauteil voll einsatzfähig wird.
Einsatzbereiche und Vorteile
3D-Druck wird in sehr vielen Bereichen eingesetzt. Zu den wichtigsten Anwendungsszenarien zählen:
Prototyping: Schnelle Überprüfung von Form und Funktion. 3D-Druck-Prototypen entstehen oft innerhalb von Stunden oder wenigen Tagen statt Wochen.
Kleinserien / Individualteile: Massgeschneiderte Bauteile lassen sich ohne teure Formen effizient produzieren.
Komplexe Geometrien: Innere Hohlräume, Gitterstrukturen oder organische Formen sind ohne Zusatzkosten realisierbar.
Werkzeuge und Vorrichtungen: Montagehilfen oder Formen können inhouse gedruckt und so Produktionsprozesse verbessern.
Ersatzteile / On-Demand: Ältere Teile oder selten benötigte Komponenten müssen nicht aufwändig gelagert werden – sie werden bei Bedarf nachgedruckt.
Medizinisch: Patientenspezifische Implantate (z.B. in Basel wurde ein kompletter Kieferknochenimplantat aus PEEK direkt im Spital gedruckt).
Design & Konsum: Individuelle Produkte (z.B. personalisierte Werbeartikel oder Schokoladenformen) und komplexe Design-Objekte.
Die Vorteile für Unternehmen liegen auf der Hand: Kosten- und Zeitersparnis durch Wegfall von Werkzeugen und kurze Durchlaufzeiten. 3D-Druck spart Material, weil nur dort Material aufgebracht wird, wo es gebraucht wird. Studien zeigen, dass Spritzguss zwar ab etwa 50 Stück für große Serien unschlagbar günstig ist, aber 3D-Druck ideal für Prototypen und Kleinserien ist. Firmen können so schneller iterieren und flexibler auf Veränderungen reagieren.
Fazit und Call-to-Action
Zusammengefasst führt der Weg vom CAD-Modell zum fertigen Produkt über mehrere Stationen: Entwurf, Dateivorbereitung, Druck und Nachbearbeitung. Für Schweizer Unternehmen bietet der 3D-Druck enorme Chancen: schnellere Entwicklungszyklen, optimierte Prozesse und völlig neue Designmöglichkeiten.
Wenn Sie in der Schweiz einen zuverlässigen Partner für 3D-Druck, CAD-Design oder Reverse Engineering suchen, stehen wir von Printorix gerne zur Verfügung. Kontaktieren Sie uns für eine Projektanfrage oder CAD-Beratung – wir unterstützen Sie kompetent von der Idee bis zum fertigen Bauteil!