Wie ein 3D-Drucker funktioniert und wofür er verwendet wird

Unter 3D-Druck, auch Additive Fertigung genannt, versteht man einen Prozess, bei dem aus einer digitalen Datei ein dreidimensionales festes Objekt erstellt wird. Beim 3D-Druckverfahren werden aufeinanderfolgende Materialschichten vom „Drucker“ aufgetragen, bis die Objekterstellung abgeschlossen ist. Dieser Artikel behandelt die Funktionsweise, Software und Anwendungen des 3D-Drucks.

Beim 3D-Druck, auch Additive Fertigung genannt, handelt es sich um einen Prozess, bei dem aus einer digitalen Datei ein dreidimensionales festes Objekt erstellt wird. Beim 3D-Druckverfahren werden aufeinanderfolgende Materialschichten vom „3D-Drucker“ aufgetragen, bis die Objekterstellung abgeschlossen ist.

3D-gedruckte Objekte werden durch einen additiven Prozess erstellt, bei dem der Drucker Schicht für Schicht Material aufträgt, bis das gewünschte Objekt „gedruckt“ ist. Jede Schicht kann als fein geschnittener Querschnitt des Druckobjekts betrachtet werden. Mit dem 3D-Druck können Benutzer komplizierte Formen herstellen, ohne so viel Material zu verbrauchen wie herkömmliche Herstellungsmethoden.

Die Arbeitsweise des 3D-Drucks ist das Gegenteil der „subtraktiven Fertigung“, bei der das Material mithilfe von Geräten wie einer Fräsmaschine ausgeschnitten oder ausgehöhlt wird. Umgekehrt benötigt die additive Fertigung weder eine Form noch einen Materialblock, um physische Objekte herzustellen. Stattdessen werden Materialschichten gestapelt und miteinander verschmolzen.

Der 3D-Druck ermöglicht eine schnelle Produkterstellung, geringe Kosten für die anfängliche feste Infrastruktur und die Möglichkeit, komplizierte Geometrien aus mehreren Materialtypen zu erstellen, was mit herkömmlichen Fertigungslösungen möglicherweise nicht so effizient möglich ist.

Der 3D-Druck wird im Allgemeinen mit der Do-It-Yourself-Kultur (DIY) von Amateuren und Bastlern in Verbindung gebracht und umfasst inzwischen auch kommerzielle und industrielle Anwendungen. Beispielsweise verwenden Ingenieure heute häufig 3D-Drucker für die Prototypenerstellung und die Erstellung leichter geometrischer Objekte.

Die Ursprünge des 3D-Drucks liegen im „Rapid Prototyping“. Als die Basistechnologie in den 1980er-Jahren erstmals erfunden wurde, wurde der Begriff zu ihrer Beschreibung verwendet, da sich der 3D-Druck damals nur für die Erstellung von Prototypen und nicht für die Herstellung von Serienbauteilen eignete. Tatsächlich bestand die ursprüngliche Absicht seiner Gründung lediglich darin, die Entwicklung neuer Produkte durch schnelles Prototyping zu beschleunigen.

Interessanterweise erregte die Technologie bei ihrer Einführung kein großes Interesse. Im Jahr 1981 meldete der Japaner Hideo Kodama das erste Patent für eine Maschine an, die UV-Licht zum Aushärten von Photopolymeren nutzte. Drei Jahre später meldeten die französischen Erfinder Olivier de Witte, Jean Claude André und Alain Le Mehaute gemeinsam ein Patent für eine ähnliche Technologie an. Beide Patente wurden aufgegeben, wobei General Electric sagte, dass „Letzteres kein nennenswertes Geschäftspotenzial“ habe.

Im Jahr 1984 meldete der amerikanische Erfinder Charles Hull ein Patent für eine „Apparatus for Production of Three-Dimensional Objects by Stereolithography“ an. Er erfand die STL-Datei und gründete drei Jahre später, 1987, 3D Systems.

Im selben Jahrzehnt wurden im US-amerikanischen 3D-Druckbereich bedeutende Fortschritte erzielt, indem Patente für selektives Lasersintern (SLS) und Fused Deposition Modeling (FDM) angemeldet wurden. Desktop Manufacturing (DTM) Corp. und Stratasys waren Pionierunternehmen im Bereich des 3D-Drucks und wurden etwa zur gleichen Zeit gegründet.

Danach veränderte sich die Branche, als die schnelle Kommerzialisierung sie erfasste. Die ersten „3D-Drucker“ waren groß und kostenintensiv, und ihre Hersteller konkurrierten um Aufträge für das industrielle Prototyping mit großen Automobil-, Konsumgüter-, Gesundheitsprodukt- und Luft- und Raumfahrtherstellern.

1987 hatte 3D Systems den ersten kommerziellen SLA-Drucker eingeführt; 1992 brachten Stratasys und DTM die ersten kommerziellen FDM- bzw. SLS-Drucker auf den Markt. Der erste Metall-3D-Drucker wurde 1994 von Electro Optical Systems (EOS), einem deutschen Unternehmen, eingeführt.

Zu Beginn des neuen Jahrtausends standen Unternehmen im 3D-Druck-Bereich in einem harten Wettbewerb um Gewinne. Fortschritte in der Materialwissenschaft und das Auslaufen zahlreicher Patente machten den 3D-Druck erschwinglicher.

Dank der Fortschritte im Bereich des 3D-Drucks befanden sich Fertigungsprozesse bald nicht mehr ausschließlich im Besitz von Unternehmen, die über schwere Maschinen und Kapital verfügten. Heutzutage hat sich der 3D-Druck zu einer hochmodernen Lösung für die Herstellung vieler verschiedener Arten von Produktionskomponenten entwickelt.

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Die ISO/ASTM 52900, die sich auf die allgemeinen Prinzipien und Terminologien in der additiven Fertigung bezieht, kategorisiert 3D-Druckprozesse in sieben verschiedene Gruppen. Jede Art des 3D-Drucks funktioniert etwas anders.

Die zum Drucken eines 3D-Objekts benötigte Zeit hängt von der Art des Drucks, der Ausgabegröße, der Art des Materials, der gewünschten Qualität und der Setup-Konfiguration ab. Der 3D-Druck kann zwischen einigen Minuten und einigen Tagen dauern.

Die verschiedenen Arten des 3D-Drucks sind:

Bei der Pulverbettschmelzung (PBF) verschmilzt thermische Energie in Form eines Elektronenstrahls oder Lasers gezielt bestimmte Bereiche eines Pulverbetts, um Schichten zu erzeugen. Diese Schichten werden aufeinander aufgebaut, bis ein Teil entsteht.

PBF kann Sinter- oder Schmelzprozesse umfassen; Die primäre Operationsmethode bleibt jedoch dieselbe. Zunächst trägt eine Nachbeschichtungswalze oder -klinge eine feine Pulverschicht auf die Bauplattform auf. Anschließend wird die Oberfläche des Pulverbetts mit einer Wärmequelle abgetastet. Diese Quelle erhöht selektiv die Partikeltemperatur, um bestimmte Bereiche zu binden.

Sobald die Wärmequelle einen Querschnitt oder eine Schicht abtastet, senkt sich die Plattform ab, damit der Vorgang für die nächste Schicht wiederholt werden kann. Das Endergebnis ist ein Volumen mit verschmolzenen Teilen, wobei das umgebende Pulver unberührt bleibt. Anschließend wird die Plattform angehoben, um die Entnahme des fertigen Baus zu ermöglichen. Die Pulverbettschmelzung umfasst mehrere Standarddruckverfahren, wie z. B. selektives Lasersintern (SLS) und direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS).

SLS wird regelmäßig zur Herstellung von Polymerteilen für Prototypen und Funktionskomponenten eingesetzt. Der SLS-Druck erfolgt mit dem Pulverbett als einziger Stützstruktur. Das Fehlen zusätzlicher Stützstrukturen ermöglicht die Erstellung komplexer Geometrien. Allerdings weisen die gefertigten Teile häufig eine innere Porosität und eine körnige Oberfläche auf und erfordern in der Regel eine Nachbearbeitung.

SLS ähnelt dem selektiven Laserschmelzen (SLM), dem Elektronenstrahl-Pulverbettschmelzen (EBPBF) und dem direkten Metalllasersintern (DMLS). Diese Verfahren werden jedoch zur Herstellung von Metallteilen verwendet und basieren auf einem Laser, der die Pulverpartikel Schicht für Schicht verschmilzt.

DMLS erhöht die Temperatur der Partikel nur bis zum Punkt der Verschmelzung, wodurch sie sich auf molekularer Ebene verbinden. Andererseits schmilzt SLM Metallpartikel vollständig auf. Beide Techniken sind wärmeintensiv und erfordern daher Stützstrukturen. Sobald der Prozess abgeschlossen ist, werden die Stützstrukturen mittels CNC-Bearbeitung oder manuell entfernt. Anschließend werden die Teile thermisch behandelt, um Restspannungen während der Nachbearbeitung zu beseitigen.

Diese Metall-3D-Drucktechniken erzeugen Bauteile mit hochwertigen physikalischen Eigenschaften, die manchmal sogar robuster sind als das verwendete Basismetall. Auch die Oberflächenbeschaffenheit ist oft hervorragend. Was das Material anbelangt, können mit diesen Techniken Metall-Superlegierungen und Keramiken verarbeitet werden, die in anderen Prozessen möglicherweise nur schwer zu verwenden sind. Allerdings sind sowohl DMLS als auch SLM kostenintensiv und das Volumen des Systems schränkt die Ausgabegröße ein.

Die VAT-Photopolymerisation kann in zwei Methoden unterteilt werden: digitale Lichtverarbeitung (DLP) und Stereolithographie (SLA). Bei beiden Verfahren werden Komponenten Schicht für Schicht hergestellt, indem mithilfe einer Lichtquelle flüssiges Material (normalerweise Harz), das in einem Bottich gelagert wird, selektiv ausgehärtet wird.

DLP funktioniert, indem es ein Bild jeder vollständigen Schicht auf die Oberfläche der Flüssigkeit im Bottich „aufblitzt“. Andererseits ist SLA auf eine Einzelpunkt-UV-Quelle oder einen Laser angewiesen, um die Flüssigkeit auszuhärten. Überschüssiges Harz muss nach Abschluss des Druckvorgangs von der Ausgabe entfernt werden. Anschließend muss das Objekt Licht ausgesetzt werden, um seine Festigkeit weiter zu verbessern. Eventuelle Stützstrukturen müssen nach der Bearbeitung entfernt werden, und das Teil kann weiter bearbeitet werden, um ein hochwertigeres Finish zu erzielen.

Diese Methoden eignen sich am besten für Ergebnisse, die ein hohes Maß an Maßgenauigkeit erfordern, da mit ihnen äußerst detaillierte Artikel mit einem hervorragenden Finish erstellt werden können. DLP und SLA eignen sich daher gut für die Herstellung von Prototypen.

Allerdings ist die Ausgabe dieser Methoden oft spröde, sodass sie für funktionale Prototypen weniger geeignet sind. Auch die Farbe und die mechanischen Eigenschaften dieser Teile können sich durch das UV-Licht der Sonne verschlechtern, sodass sie für den Einsatz im Freien ungeeignet sind. Schließlich sind oft Stützstrukturen erforderlich und können Schönheitsfehler hinterlassen, die man durch Nachbearbeitung entfernen kann.

Beim Binder-Jetting wird eine feine Schicht aus pulverförmigem Material wie Polymersand, Keramik oder Metall auf die Bauplattform aufgetragen. Anschließend trägt ein Druckkopf Klebstofftropfen auf, um diese Partikel zu binden. Das Teil wird also Schicht für Schicht aufgebaut.

Metallteile müssen thermisch gesintert oder mit einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt, beispielsweise Bronze, infiltriert werden. Teile aus Keramik oder vollfarbigem Polymer können mit einem Cyanacrylat-Klebstoff getränkt werden. Um die Ausgabe fertigzustellen, ist im Allgemeinen eine Nachbearbeitung erforderlich.

Für das Binder-Jetting gibt es zahlreiche Anwendungen, darunter großformatige Keramikformen, Vollfarb-Prototypen und 3D-Metalldruck.

Material Jetting ähnelt konzeptionell dem Tintenstrahldruck. Anstatt Tinte auf Papier aufzutragen, werden jedoch ein oder mehrere Druckköpfe verwendet, um Schichten aus flüssigem Material aufzutragen. Jede Schicht wird ausgehärtet, bevor die nächste Schicht hergestellt wird. Während das Materialstrahlen auf Stützstrukturen beruht, können sie auch mit einer wasserlöslichen Substanz hergestellt werden, die nach Fertigstellung des Gebäudes abwaschbar ist.

Dieses hochpräzise Verfahren eignet sich gut für die Herstellung vollfarbiger Teile aus verschiedenen Materialarten. Allerdings ist es kostenintensiv und das Ergebnis ist tendenziell spröde und abbaubar.

Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird eine beheizte Düse verwendet, um eine Filamentspule einem Extrusionskopf zuzuführen. Der Extrusionskopf erhöht die Temperatur des Materials und macht es weich, bevor es zum Abkühlen an vorgegebenen Stellen platziert wird. Sobald eine Materialschicht erstellt ist, senkt sich die Bauplattform ab und bereitet sich auf die Platzierung der nächsten Schicht vor.

Dieses Verfahren, auch Materialextrusion genannt, zeichnet sich durch kurze Vorlaufzeiten und Kosteneffizienz aus. Allerdings ist die Maßgenauigkeit gering und eine glatte Oberfläche erfordert häufig eine Nachbearbeitung. Auch für kritische Anwendungen ist der Ausgang nicht geeignet, da er tendenziell anisotrop ist, also in einer Richtung schwächer ist.

Die Blechlaminierung kann weiter in zwei Technologien eingeteilt werden: Ultraschall-Additive Fertigung (UAM) und Herstellung laminierter Objekte (LOM). UAM hat einen geringen Energie- und Temperaturbedarf und funktioniert durch das Verbinden dünner Metallbleche durch Ultraschallschweißen. Es funktioniert mit mehreren Metallen, darunter Edelstahl, Titan und Aluminium. Andererseits platziert LOM abwechselnd Schichten aus Material und Klebstoff, um das Endergebnis zu erzeugen.

Bei dieser Technik wird ein Laser, ein Lichtbogen, ein Elektronenstrahl oder eine andere Form fokussierter Wärmeenergie verwendet, um Pulver oder Drahtmaterial beim Einbringen zu verschmelzen. Der Prozess erfolgt horizontal zur Erstellung von Schichten, die dann zur Teileerstellung vertikal gestapelt werden. Es eignet sich für verschiedene Materialtypen, darunter Keramik, Polymere und Metalle.

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Der 3D-Druckbereich ist stark von Software abhängig, wobei Programme für alles erforderlich sind, vom Entwerfen der Ausgabe über das Schneiden in G-Code bis hin zur Steuerung des 3D-Druckers. Schauen wir uns die beste 3D-Drucksoftware für alle Anwendungen an.

Diese Lösung von MatterHackers ist eine All-in-One-Drucker-Host-, Slicer- und CAD-Software für Desktops. Benutzer können im CAD-Bereich neue Modelle erstellen und diese in Scheiben schneiden. Sobald das Modell druckbereit ist, kann MatterControl 2.0 verwendet werden, um den Druck direkt über eine USB-Verbindung oder über ein WLAN-Modul zu überwachen und zu steuern.

Die Software verfügt über eine intuitive Benutzeroberfläche und ermöglicht es Benutzern, eine Sammlung geometrischer Grundelemente zu erkunden, die Benutzer in den Druck importieren können. Diese Grundelemente können in der STL-Datei (Standard Triangle Language) an ihre Position gezogen werden, um sie zu drucken und als Stützstrukturen zu kennzeichnen.

MatterControl bietet Benutzern außerdem Zugriff auf erweiterte Druckkonfigurationen und eignet sich daher ideal für End-to-End-Design, Support-Vorbereitung, Slicing und Steuerung. Unternehmensbenutzer können für noch wertvollere Funktionen ein Upgrade auf MatterControl Pro durchführen.

Diese kostenlose, browserbasierte Lösung ermöglicht Benutzern das Entwerfen druckbarer 3D-Modelle und bietet einen Ausgangspunkt für das Üben der Volumenmodellierung. Die benutzerfreundliche Blockbaufunktion ermöglicht es Benutzern, Modelle aus Grundformen zu bilden.

Tinkercad verfügt über zahlreiche Anleitungen und Tutorials, die Benutzern dabei helfen, die gewünschten Designs zu erstellen, die dann einfach exportiert oder geteilt werden können. Die Bibliothek bietet Benutzern Zugriff auf Millionen von Dateien und ermöglicht es ihnen, die gewünschte Form zu finden und zu ändern. Schließlich bietet es eine direkte Integration mit Druckdiensten von Drittanbietern.

Dieses kostenlose Open-Source-Tool eignet sich sowohl für Einsteiger als auch für fortgeschrittene Benutzer. Es verfügt über zahlreiche Funktionen und kann für die 3D-Modellierung und -Bildhauerei sowie für Animation, Rendering, Simulation, Videobearbeitung und Bewegungsverfolgung verwendet werden. Allerdings ist die Lernkurve steil.

Diese Open-Source-Lösung ist eine umfassende Harzdrucksuite, ein hervorragender Dateibetrachter und für die Ebenenreparatur und -manipulation für maskierte SLA optimiert. Es ist mit PrusaSlicer kompatibel und ermöglicht Benutzern den Zugriff auf zahlreiche MSLA-Druckerprofile von Drittanbietern.

Die zweistufige Motorsteuerung (TSMC) ist ein entscheidendes Merkmal von UVTools und ermöglicht abgestufte Druckgeschwindigkeiten für verschiedene Bewegungsteile für jede Schicht. Dies verkürzt die Druckzeit und erhöht die Wahrscheinlichkeit eines Druckerfolgs.

Schließlich können Benutzer mit UVTools einen benutzerdefinierten Kalibrierungsdruck für die Aushärtungszeit der Harzschicht erstellen, um neue Harze zu testen und die entsprechende Konfiguration für verschiedene Schichthöhen festzulegen.

Diese browserbasierte Lösung kann zur Vorschau von G-Code verwendet werden, ohne dass die Datei in einem Slicer mit allen Funktionen geöffnet werden muss. Benutzer müssen lediglich die G-Code-Datei hochladen und WebPrinter zeigt den Werkzeugpfad an, den die Datei an den 3D-Drucker überträgt. Es ist eine schnelle und einfache Methode, eine potenzielle 3D-Druckausgabe anzuzeigen.

Dieser Open-Source-Slicer ist mit den meisten modernen 3D-Druckern kompatibel. Cura ist gut für Einsteiger geeignet, da es einfach zu bedienen, schnell und intuitiv ist. Andererseits können fortgeschrittene Benutzer damit auf 200 Einstellungen zur Verfeinerung von Drucken zugreifen.

Simplify3D ist ein leistungsstarkes Slicing-Tool zur Verbesserung der 3D-Druckqualität. Es unterteilt CAD in Ebenen, korrigiert Modellprobleme und zeigt dem Benutzer eine Vorschau der endgültigen Ausgabe. Seine Premium-Funktionen sind praktisch für stark beanspruchte 3D-Drucker in Unternehmen.

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Obwohl der 3D-Druck keine neue Erfindung ist, erfreut er sich aufgrund seiner neuen Einfachheit, Effizienz und Kosteneffizienz in jüngster Zeit branchenübergreifend großer Beliebtheit.

Die wichtigsten Anwendungen des 3D-Drucks sind:

Das Bauwesen ist eine der bedeutenden Anwendungen des 3D-Drucks. Der 3D-Druck von Beton wird seit den 1990er Jahren erforscht, da Forscher nach einer schnelleren und kostengünstigeren Möglichkeit zum Bau von Strukturen suchten. Spezifische Anwendungen des 3D-Drucks im Bauwesen umfassen additives Schweißen, Pulverbindung (reaktive Bindung, Polymerbindung, Sintern) und Extrusion (Schaum, Wachs, Zement/Beton, Polymere).

Heutzutage werden großformatige 3D-Drucker zum Drucken von Beton zum Gießen von Fundamenten und zum Errichten von Baustellenwänden verwendet. Sie sind auch in der Lage, modulare Betonabschnitte für die Montage vor Ort zu drucken. Diese Lösungen ermöglichen eine höhere Genauigkeit, mehr Komplexität, eine schnellere Konstruktion und eine verbesserte Funktionsintegration, während gleichzeitig die Arbeitskosten gesenkt und Abfall minimiert werden.

Im Jahr 2016 wurde in Spanien die erste Fußgängerbrücke (12 Meter lang, 1,75 Meter breit) aus mikrobewehrtem Beton in 3D gedruckt. Ein Jahr später wurde in Russland die erste vollständig 3D-gedruckte Residenz gebaut. 600 Wandelemente wurden 3D-gedruckt und zusammengebaut, anschließend wurden das Dach und die Innenräume für eine Gesamtfläche von fast 300 Quadratmetern erstellt.

Der 3D-Druck ist auch bei der Herstellung von Modellen im Architekturmaßstab hilfreich. Es wird sogar als Lösung für den Bau außerirdischer Lebensräume auf dem Mond oder dem Mars erforscht, falls jemals Bedarf bestehen sollte.

Beim traditionellen Spritzguss-Prototyping kann die Herstellung einer einzigen Form Wochen dauern und Hunderttausende Dollar kosten. Wie weiter oben in diesem Artikel dargelegt, bestand der ursprüngliche Zweck des 3D-Drucks in der schnelleren und effizienteren Prototypenerstellung.

Die 3D-Drucktechnologie minimiert die Vorlaufzeiten in der Fertigung und ermöglicht die Fertigstellung von Prototypen innerhalb weniger Stunden und zu einem kleinen Prozentsatz der herkömmlichen Kosten. Dies macht es besonders ideal für Projekte, bei denen Benutzer das Design mit jeder Iteration aktualisieren müssen.

Der 3D-Druck eignet sich auch zur Herstellung von Produkten, die nicht in Massenproduktion hergestellt werden müssen oder in der Regel individuell angepasst werden. SLS und DMLS werden bei der schnellen Herstellung von Endprodukten und nicht nur von Prototypen eingesetzt.

Im Gesundheitswesen erstellt der 3D-Druck Prototypen für die Entwicklung neuer Produkte im medizinischen und zahnmedizinischen Bereich. In der Zahnmedizin ist der 3D-Druck auch hilfreich bei der Erstellung von Mustern für den Guss von Zahnkronen aus Metall und bei der Herstellung von Werkzeugen für die Herstellung von Zahnschienen.

Die Lösung ist auch hilfreich bei der direkten Herstellung von Knie- und Hüftimplantaten und anderen Lagerartikeln sowie bei der Erstellung patientenspezifischer Artikel wie personalisierter Prothesen, Hörgeräte und orthopädischer Einlagen. Die Möglichkeit 3D-gedruckter Bohrschablonen für bestimmte Operationen sowie 3D-gedruckter Knochen, Haut, Gewebe, Organe und Arzneimittel wird untersucht.

In der Luft- und Raumfahrt wird der 3D-Druck zum Prototyping und zur Produktentwicklung eingesetzt. Die Lösung ist auch bei der Flugzeugentwicklung von entscheidender Bedeutung, da sie Forschern hilft, mit den hohen Anforderungen der Forschung und Entwicklung Schritt zu halten, ohne Kompromisse bei den hohen Industriestandards einzugehen. Bestimmte unkritische oder ältere Flugzeugkomponenten werden für den Flug 3D-gedruckt!

Automobilunternehmen, insbesondere solche, die sich auf Rennautos spezialisiert haben, wie sie beispielsweise in der Formel 1 eingesetzt werden, nutzen den 3D-Druck für die Prototypenerstellung und Herstellung spezifischer Komponenten. Organisationen in diesem Bereich prüfen auch die Möglichkeit, den 3D-Druck zur Deckung der Aftermarket-Nachfrage zu nutzen, indem sie Ersatzteile nach Kundenwunsch produzieren, anstatt sie auf Lager zu halten.

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Der Begriff „3D-Druck“ umfasst zahlreiche Technologien und Verfahren, die in ihrer Gesamtheit vielfältige Möglichkeiten zur Herstellung von Bauteilen aus unterschiedlichen Materialien bieten. Die wichtigste Gemeinsamkeit zwischen den 3D-Druckarten ist der additive Schicht-für-Schicht-Produktionsprozess, bei dem keine subtraktive Methode, kein Formen oder Gießen erforderlich ist. Anwendungen des 3D-Drucks nehmen in allen Branchen immer mehr zu, da die Lösung immer effektiver und erschwinglicher wird und branchenübergreifend tief und umfassend Einzug hält.

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Technischer Schreiber