Geschichte des 3D Druck

3D-Drucktechnologie

Beim 3D-Druckverfahren, das auch als additive Fertigung (engl.: Additive Manufacturing, AM) bezeichnet wird, wird anhand einer digitalen Vorlage ein dreidimensionaler, fester Körper erstellt. Anders als bei herkömmlichen Bearbeitungsverfahren, bei denen subtraktive oder formative Verfahren zum Einsatz kommen, wobei in erster Linie Material durch Bohren oder Schneiden weggenommen wird, werden beim 3D-Druck nach und nach Schichten eines Materials aufeinander aufgetragen, sodass unzählige verschiedene Formen entstehen können. Dies wird als additives Verfahren bezeichnet und stellt einen deutlichen Umbruch bei den Fertigungsverfahren dar.

Die Geschichte des 3D-Drucks

1982 beschrieb Hideo Kodama vom Nagoya Municipal Industrial Research Institute in Japan als erster die Erstellung eines gedruckten Festkörpers. Zwei Jahre später fertigte Charles W. Hull von der 3D Systems Corporation mit Hauptsitz in South Carolina, USA, den ersten funktionierenden 3D-Drucker. Das Drucken in 3D war anfangs sehr teuer und eignete sich deshalb nicht für die kommerzielle Anwendung in großem Umfang. Erst zu Beginn des 21. Jahrhunderts sanken die Kosten für additive Produktionsverfahren deutlich, sodass 3D-Drucker erschwinglicher und damit auch für den breiten Markt interessant wurden.

 

Die Technologie des 3D-Drucks

Ein 3D-Druckgerät verhält sich wie ein Industrieroboter und führt konkrete Befehle eines Computers aus. Damit ein Gegenstand gedruckt werden kann, muss dieser zuerst entworfen werden. Meist geschieht dies mithilfe einer digitalen Software, wie z. B. Programmen zur Erstellung animierter Modelle oder CAD-Programmen (Computer Aided Design). Die Software erstellt eine virtuelle Blaupause für das Objekt, das gedruckt werden soll, und unterteilt es dann in Schichten – digitale Querschnitte, die während des Druckvorgangs übereinandergelegt werden können. Diese Querschnitte dienen dem 3D-Drucker als Vorlage. Er reproduziert jede Lage genau so, wie sie entworfen wurde, damit letztlich ein Objekt mit der richtigen Form und Größe entsteht.

Nachdem die fertige Datei mit dem Entwurf an den Drucker übermittelt wurde, muss als nächstes das Material, aus dem der Gegenstand gefertigt werden soll, gewählt werden. Je nach Funktionsweise des 3D-Druckers kann es sich dabei um Papier, Kunststoffe, Metalle, polyurethanähnliche Materialien oder Kautschuk handeln und es kommen laufend neue für den 3D-Druck geeignete Materialien hinzu.

So wie ein herkömmlicher Tintenstrahldrucker Tinte auf ein Blatt Papier spritzt, um die Buchstaben der Vorlage nachzubilden, presst, sprüht oder spritzt ein 3D-Drucker das ausgewählte Material auf eine Platte und baut nach und nach das dreidimensionale Objekt auf, indem er sukzessive Schichten übereinanderlegt, die sich automatisch miteinander verbinden. Diese Schichten sind im Durchschnitt etwa 0,1 Millimeter (100 Mikrometer) dick. Einige hochentwickelte 3D-Drucker können jedoch sogar noch dünnere Schichten von gerade einmal 0,016 Millimeter (16 Mikrometer) erzeugen.

 

Derzeitige Anwendungen

In der Produktion kommen 3D-Druckverfahren in vielen verschiedenen Branchen und Disziplinen zur Anwendung, wie z. B. in der Architektur, der Luft- und Raumfahrt, im Automobildesign, Bauwesen, Maschinenbau, Industriedesign und für militärische Zwecke. Andere Designdisziplinen nutzen AM mehr und mehr für Mode, Schmuck und Schuhe, während gleichzeitig auch die Medizin- und Dentaltechnik Fortschritte in diesem Bereich macht. Die 3D-Drucktechnologie ist außerdem nicht mehr allein der Industrie vorbehalten, denn immer mehr Verbraucher wünschen sich 3D-Drucker für zu Hause, damit sie eigene Projekte umsetzen können.

Sicherlich wird es im Zuge der weiteren Entwicklungen und Fortschritte der Technologie immer mehr praktische Einsatzmöglichkeiten für die additive Fertigung geben. Nun, da 3D-Scanner, 3D-Sensoren und 3D-Digitalisierer schon zum Mainstream gehören, nehmen auch die Einschränkungen beim 3D-Digitaldruck rapide ab.

 

Vorteile und Einschränkungen

Der 3D-Druck hat zweifellos das Potenzial, verschiedene Bereiche der Industrie und sogar des menschlichen Lebens zu verändern. Die heutigen 3D-Druckmaschinen können mit 100 verschiedenen Materialien drucken. Die Möglichkeit, innerhalb weniger Stunden Prototypen auszudrucken, fördert Innovation und Kreativität, denn sie gibt Herstellern die Gelegenheit, Entwürfe so lange zu verändern und zu testen, bis sie perfekt sind. Dadurch verkürzt sich wiederum die Zeit vom Prototypenstadium bis zur Marktreife. Da Konstruktionsfehler schon frühzeitig entdeckt werden können, sinken außerdem die Kosten für die Entwicklung. Firmen, die 3D-Druckverfahren nutzen, können ihre potenziellen Neukunden mit realistischen 3D-Modellen beeindrucken. Da beim 3D-Druck immer eine Vorlage genutzt wird, besteht die Möglichkeit, ganze Produktpaletten ohne zusätzliche Kosten zu personalisieren oder individuell zu kennzeichnen.

Die größte Einschränkung bei der allgemeinen Nutzung von 3D-Druckern sind die Kosten. Auch wenn einfache Drucker, die zum Ausdrucken kleiner Gegenstände und Spielzeuge gedacht sind, schon für einige Hundert bis ca. 1.500 Euro erhältlich sind, können Hochleistungsgeräte und professionelle Modelle mehr als eine halbe Million Euro kosten. Außerdem sind die meisten Geräte nur für ein Material geeignet, was Einschränkungen bei der Herstellung komplexerer Objekte, für die verschiedene Materialien benötigt werden, mit sich bringt. Bei solch anspruchsvollen Entwürfen kann es sehr zeit- und kostenaufwändig sein, alle erforderlichen Daten für die Entwicklung einer genauen Vorlage zusammenzutragen.

 

Wichtigste Entwicklungen

Verschiedene Unternehmen und Projekte arbeiten derzeit an der Entwicklung erschwinglicher Desktop-3D-Drucker für den Hausgebrauch. Unter diesen ist RepRap, dessen Ziel die Realisierung einer freien Hardware (Free and Open Source Hardware, FOSH) ist, eines der am längsten laufenden Projekte. Es befasst sich mit der Entwicklung des ultimativen Replikators – eines RepRap-3D-Druckers, der in der Lage ist, viele seiner eigenen Bauteile selbst auszudrucken, und somit seine eigenen Ersatzteile zu fertigen. Bisher hat er bereits Kunststoff- und Metallteile sowie Platinen reproduziert.

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Es gibt einige bemerkenswerte Beispiele für Produkte aus dem 3D-Drucker, von E-Gitarren über Kieferimplantate und funktionierende künstliche Ohren bis hin zu Schusswaffen. In Amsterdam wird gerade im Rahmen eines Demonstrationsprojekts ein Grachtenhaus gebaut, das aus überdimensionalen ineinanderpassenden Legosteinen aus einem 3D-Drucker besteht. Ziel dabei ist, die Einsatzmöglichkeiten des AM im Bauwesen auszuloten, und diese Erkenntnisse einer breiteren Öffentlichkeit zur Verfügung zu stellen.

 

3D-Drucker-Bausätze

Angesichts der ständigen Fortschritte in der technologischen Entwicklung ist es pädagogisch sinnvoll, 3D-Drucker-Bausätze zu nutzen, um Verbrauchern aller Altersklassen ein besseres Verständnis des Verfahrens zu vermitteln sowie Innovation und individuelle Anpassung zu fördern. Die Bausätze enthalten alle zum Bau eines 3D-Druckers benötigten Teile und geben dem Besitzer die Möglichkeit, kleinere Gegenstände, wie z. B. Prototypen, Ersatzteile und Spielzeuge, zu entwerfen und auszudrucken.

 

Einsatz in der Wissenschaft

In der Wissenschaftsgemeinde befassen sich viele verschiedene Disziplinen mit den potenziellen Einsatzgebieten von 3D-Druckverfahren. In Polen verwenden Wissenschaftler beispielsweise einen 3D-Drucker, um einem Pinguin einen neuen Schnabel zu geben. Dieser hatte vor einigen Monaten entweder bei einem Sturz oder einem Kampf – seine Tierpfleger wissen es nicht genau – seinen Unterschnabel verloren und wird ohne ihn nicht überleben können. 2012 konnte mittels 3D-Druck bereits in den USA ein Ersatzschnabel für einen Weißkopfseeadler angefertigt werden, die Einsatzmöglichkeiten in der Biowissenschaft sind also ebenso gegeben wie in anderen Disziplinen.

Die NASA hat eine Reihe von 3D-Druckern getestet, mit denen Astronauten, die zum Mars fliegen, unterwegs alles, was sie brauchen, selbst ausdrucken könnten. In Großbritannien wächst der Markt für 3D-Drucker kontinuierlich weiter und verschiedene Hersteller machen laufend Fortschritte bei der Entwicklung von Modellen sowohl für den privaten als auch den gewerblichen Einsatz.

 

Unangenehme Begleiterscheinungen

Einige Aspekte des 3D-Drucks werden kontrovers diskutiert, da sie Anlass zur Sorge bezüglich des potenziellen Missbrauchs der Technologie geben. Was das geistige Eigentum anbelangt, ist es beispielsweise schwierig abzusehen, wie Rechte im Zusammenhang mit dem Urheberrecht, eingetragenen Designs, Patenten und Warenzeichen gewahrt werden können, wenn sich 3D-Drucker allgemein durchsetzen und sowohl von Privatpersonen als auch von Handelsunternehmen intensiv genutzt werden. So liegt es etwa nahe, dass Handwerker oder Personen, deren Hobby Modellbau ist, feststellen, dass es eine einfache, kostengünstige Methode gibt, um eigene oder fremde Entwürfe zu vervielfältigen.

Ende 2013 wurden mehrere 3D-Drucker verwendet, um Schusswaffen herzustellen – ursprünglich für eine Ausstellung im Londoner Victoria and Albert Museum. Die Pistole war aus Plastik und hatte einen Schlagbolzen aus Metall. Daraufhin wurde in den USA von der texanischen Firma Solid Concepts eine Version ganz aus Metall erstellt, die angeblich gut funktioniert. Zwar gibt es Waffengesetze, die die Herstellung von Waffen einschränken, und 3D-Drucker für den Hausgebrauch sind derzeit auch nicht in der Lage, mit Metall zu drucken, doch mit der Weiterentwicklung der Technologie wird man die Möglichkeit, gefährliche Gegenstände zu reproduzieren, genauestens im Auge behalten müssen.

 

Einsatz im medizinischen Bereich

Die vermutlich größte Bereicherung stellt der Einsatz von 3D-Druckern wohl für die Medizin dar. Schon heute nutzen Medizinforscher 3D-Drucktechnologien, um Menschenleben zu retten. So wurden bereits individuell angepasste Beinschienen, Prothesen und Hörgeräte mittels 3D-Druck angefertigt. Modelle aus dem 3D-Drucker geben Chirurgen die Möglichkeit, komplizierte Operationen am Prototypen zu üben, damit sie Verfahren optimal beherrschen, ehe sie sie am echten Menschen vornehmen. So schulen Ärzte ihre Präzision, wodurch wiederum das Risiko für den Patienten sinkt.

Komplexe Formen wie die von Schulter und Becken können mithilfe von 3D-Druckverfahren ganz einfach nachgebildet werden, z. B. für Patienten, die aufgrund einer Krebserkrankung Knochen verloren haben. Ebenso können in der Zahnmedizin Formen für Kronen, Teilkronen und Brücken leicht reproduziert werden.

Im Großen und Ganzen wird der 3D-Druck als sehr nützliche technologische Entwicklung betrachtet, die wahrscheinlich beträchtliche Auswirkungen auf die Zukunft haben wird.