3D Druck

 Neue Entwicklungen für 3D-Drucker am Horizont

Adrian Bowyer, Director von RepRapPro Ltd und Erschaffer des eigenständig nachbaubaren RepRap 3D-Druckers, und Mark Cundle, Head of Technical Marketing von RS Components, arbeiten an einigen zukünftigen Fähigkeiten von 3D-Druckern, wie zum Beispiel die Erstellung elektromechanischer Geräte oder das Einbetten graphenbasierter Elektronik, um so die Möglichkeiten von Designern und Produktentwicklern weiter auszubauen.

 

3D-Drucker verfügen über das Potenzial, die Entwicklung von Produkten durch die direkte Erstellung eines festen Gegenstands aus einem 3D CAD-Modell zu revolutionieren. 3D Drucker arbeiten grundsätzlich in zwei Dimensionen und bauen in die Dritte hinein: Dabei werden Schichten aus Materialien wie Kunststoff oder Metall nacheinander in den verschiedensten planaren Formen aufeinander gelegt.  Und genau das bietet neue Möglichkeiten im Hinblick auf mechanische Entwürfe. Obwohl es mit Sicherheit stimmt, dass CAD-Systeme immer besser erkennen können, ob Mechanismen funktionieren oder nicht, werden sie es nie schaffen, Entwicklern einen solchen Eindruck des jeweiligen Objekts zu vermitteln wie die physische Gestalt des Objekts selbst. Genau dieser Teil des frühen Produktentwicklungsprozesses, d.h. die rasche Erstellung von Prototypen mit Abmessungen von einigen wenigen bis hin zu einigen Hundert Millimetern, war stets eine der treibenden Kräfte hinter der Entwicklung der Technologie von 3D-Druckern.  Und auch heute wird diese Technologie genau für diesen Zweck in vielen verschiedenen Branchen eingesetzt.

 

Wichtiger noch: 3D-Drucker bewegen sich weg von einer Art Nischentechnologie, die zuvor lediglich großen Unternehmen zur Verfügung stand, hin zu einer Technologie, mit der auch kleinere Unternehmen oder sogar Privatpersonen arbeiten können.  RepRap-Maschinen, beispielsweise, sind günstig im Unterhalt und eignen sich für die Verwendung am Schreibtisch.  Sie basieren auf der sogenannten Fused-Filament Fabrication, einer der vielseitigsten Varianten des halben Dutzend an verschiedenen 3D-Druckertechnologien. Diese Technologie kann mühelos erweitert werden, damit verschiedenste Materialien verarbeiten werden können.  Zudem können RepRap 3D-Maschinen ihre eigenen Kunststoffteile drucken: So können Sie mit nur einer einzigen RepRap-Maschine weitere dieser Maschinen herstellen und Ihre Kosten so erneut senken. Während 3D-Drucker anfänglich noch zu langsam und kostspielig für die Herstellung von Großserien waren, sind sie inzwischen kostengünstig im Unterhalt – und da somit gleich mehrere 3D-Drucker parallel laufen können, werden sie mittlerweile auch immer öfter zur Endfertigung verwendet. Ein weiterer neuer Vorteil besteht darin, Produkte zunehmend zu individualisieren – und ein maßgeschneidertes Objekt bzw. Gerät rasch und mühelos für einen bestimmten Kunden zu fertigen – anstatt identische Produkte auf traditionelle Weise in Großserien fertigen zu müssen. Dadurch, dass die Kosten von 3D-Druckern dank der Integration neuartiger Technologien und der zunehmenden Möglichkeit, mit verschiedensten Materialien zu drucken, immer mehr sinken, erschließen sich Entwicklern in vielen verschiedenen Bereichen immer neue Möglichkeiten.

 

Neue Möglichkeiten und „Dinge in anderen Dingen“

Ein Beispiel für etwas, das mit 3D-Druckern möglich gemacht wird, sind Objekte, die mit anderen Technologien – wie zum Beispiel dem althergebrachten Spritzgussprozess (selbstverständlich nach wie vor das bedeutsamste Massenfertigungsverfahren) – nahezu unmöglich in einem einzigen Stück hergestellt werden können. 3D-Drucker ermöglichen es, einfach ausgedrückt, Dinge innerhalb von anderen Dingen zu erstellen. Ein einfaches Beispiel hierfür sind Trillerpfeifen: Mit 3D-Druckern kann die (Kunststoff-) Kugel bereits während der Fertigung in den Pfeifenkörper integriert werden, während bei herkömmlichen Fertigungsverfahren zunächst der Pfeifenkörper in Teilen hergestellt wird, um in einem nächsten Schritt die Kugel einzufügen und den Körper zu verschließen.

 

Der Grund dafür, dass Dinge innerhalb von Dingen mit herkömmlichen Tools nur sehr schwer oder gar überhaupt nicht gefertigt werden können, liegt in der Anzahl der Dimensionen (im mathematischen Sinne), mit denen eine Computer-gesteuerte Fertigungsmaschine (wie z.B. CNC-Fräsen) arbeiten muss. Während 3D-Drucker lediglich mit zwei Dimensionen arbeiten, müssen CNC-Maschinen fünf Dimensionen verarbeiten: die drei Dimensionen des Raums plus - gänzlich unabhängig davon - die Rotation des Schneidwerkzeugs in zwei Richtungen (Rotation des Werkzeugs um die eigene Achse zählt nicht).  Dies beeinflusst die Komplexität der erforderlichen Algorithmen ungemein. Folglich werden die meisten herkömmlichen Fertigungsmaschinen nicht von ihren eigenen Fähigkeiten eingeschränkt, sondern vielmehr davon, was wir bzw. unsere Computer ihnen auftragen können. Im Gegensatz dazu können die 2D-Algorithmen von 3D-Druckern Anweisungen für alles nur Erdenkliche geben, das ein 3D-Drucker physisch verarbeiten kann.  Mit 3D-Druckern können auch Dinge gemacht werden, die mit einem Schneidwerkzeug ganz einfach nicht möglich sind, da der Zugang zu der Stelle, an der ein Schnitt durchzuführen ist, von Haus aus ein verzwicktes Problem darstellt. Nichtsdestotrotz ist Vorsicht geboten: Sollte ein Herstellungsprozess keinerlei 3D-Drucker beinhalten, so müssen Entwickler, die sich an den Umgang mit 3D-Druckern gewöhnt haben, darauf achten, Produkte so zu entwickeln, dass sie mit herkömmlichen Fertigungsmaschinen realisiert werden können.

 

Zahlreiche verschiedene Materialien

Heutzutage werden 3D-Drucker hauptsächlich Objekte mit einem einzigen Material erstellt – für gewöhnlich ein Thermoplast; auch wenn es mit Sicherheit sehr nützlich ist, Objekte in Objekten herstellen zu können, wird die Anzahl der Fälle, in denen diese Funktion mit einzigem Material benötigt wird, bestimmt nicht all zu hoch ausfallen. Der Schritt hin zu 3D-Druckern, die mit mehreren Materialien gleichzeitig arbeiten können, wird jedoch zunehmend bedeutsamer. Denken Sie als Beispiel an ein mechanisches Objekt, das ein gewisses Maß an Elektronik erfordert.  Der herkömmliche Prozess hierfür sieht zunächst die Fertigung einer Leiterplatte vor, die in einer Aushöhlung innerhalb des mechanischen Objekts angebracht wird, während im nächsten Schritt die diversen Kabel und ähnliches hinzugefügt werden. Doch sobald Maschinen elektrische Leiter drucken können – und einige wenige etwas kostspieligere 3D-Drucker können das bereits –, besteht die Möglichkeit, elektrische Verbindungen innerhalb von mechanischen Teilen mit eingebetteten und von einem 3D-Drucker gefertigten Leitungen herzustellen.

 

Mit der Möglichkeit, elektromechanische Geräte in einem All-in-One Prozess entwickeln zu können, stehen Entwickler nicht länger vor der Aufgabe, die eher einschränkende Geometrie einer Leiterplatte in dem gewünschten Objekt unterzubringen, während die Produktion zugleich auf einen Schlag erfolgen kann, anstatt mit zwei vollständig voneinander unabhängigen und separaten Prozessen.  Dies kann zu einer erheblichen Senkung der Markteinführungszeit und der Produktionskosten führen. Das Verfahren, Dinge in andere Dinge einzubetten, bedeutet also letztlich, dass Leiter von nun an innerhalb von mechanischen Teilen sowie entlang spiralförmiger Strecken rundum diverse Lager und ähnliches gedruckt werden können. Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass es sich nicht um ein Hochfrequenzgerät handelt, bei dem lange (und demzufolge induktive) Übertragungswege problematisch werden können.  3D-gedruckte elektronische Komponenten sind, selbst wenn sie herkömmliche integrierte Schaltkreise beinhalten, oftmals physisch größer gestaltet als ihre Pendants mit Leiterplatten – zumindest zu Beginn.  Zum anderen können sie jedoch alle drei Dimensionen abdecken, während Leiterplatten lediglich 2D-Geräte ermöglichen.

 

Dasselbe Prinzip kann im Großen und Ganzen auch bei Pneumatik und Hydraulik angewandt werden. So werden in Zukunft zum Beispiel harte Materialien für die Übertragungswege von Flüssigkeiten zusammen mit weichen Materialien wie zum Beispiel Silikon für Einweg- bzw. Absperrventile oder ähnliches gedruckt werden können.  Diese Ventile können dann wiederum von den oben beschriebenen Schaltkreisen angesteuert werden.  3D-Drucker für Silikon gibt es bereits – und es ist auch nicht all zu schwer, einen Druckkopf für einen kostengünstigen 3D-Drucker zu entwickeln, der genau das Material ausgibt, das uns als Fugenmasse im Badezimmer etwas geläufiger sein mag. Wenn also eine Maschine, die von einem 3D-Drucker hergestellt worden ist, mit einem Pumpensystem aus einer Kombination von elektromagnetischen und elektronischen Komponenten ausgestattet ist, steht uns ein extrem fortschrittliches Mittel zur Verfügung um Gegenstände wie Mikroreaktoren für chemische Anwendungen und ähnliches auf einen Schlag zu fertigen.

 

Unter dem Aspekt der elektrischen Leitfähigkeit arbeitet RepRapPro aktuell daran, bei niedrigen Temperaturen schmelzende Metalllegierungen drucken zu können. Es ist bereits möglich, 3D-druckbare Kunststoffe zu erhalten, die mit elektrisch leitfähigem Material versetzt sind.  Sie verfügen jedoch über einen recht hohen Eigenwiderstand und können daher nicht für Hochstrommaschinen wie Magnetantriebe und Schrittmotoren verwendet werden.  Die Arbeit mit Metallen mit besonders hoher Leitfähigkeit wird dazu führen, dass ab sofort sämtliche Komponenten, die bisher herkömmliche Leitungen und Leiterplatten erforderten, mit Metalllegierungen hergestellt werden können.

 

Die Mischung macht's

Ein weiterer Schlüsselfaktor der Entwicklung ist die Fähigkeit, Materialien miteinander vermischen zu können – und das ist nicht unbedingt Zukunftsmusik aus weiter Ferne. Dieser Fortschritt geht jedoch mit der Beschränkung durch einige wenige nicht mischbare Materialien einher. Dem gegenüber stehen hingegen viele mischbare Kunststoffe, die zum einen sehr weich und flexibel, zum anderen auch hart und starr sein können. Bei mischbaren Materialien kann das Mischverhältnis ganz individuell angepasst werden: So können Gegenstände gedruckt werden, die ein beliebiges Maß an Steifigkeit an jedem beliebigen geometrischen Punkt innerhalb des Gegenstands aufweisen können. Dies ermöglicht zum Beispiel die Erstellung von Objekten, die an manchen Stellen sehr hart sind, während sie an anderen Stellen wiederum sehr weich sind. Objekte mit gestuften mechanischen Eigenschaften können mit herkömmlichen Verfahren nur sehr schwer auf einen Schlag hergestellt werden. 

 

Ein ähnlicher Trick ist zudem für Wärmeleitfähigkeit möglich, wobei eine Kombination aus Metall und Kunststoff gedruckt wird.  Hier würden die Materialien nicht vermischt, sondern in mikroskopisch kleinen Abständen und in verschiedenen Dicken Seite an Seite gedruckt, um somit Bereiche mit hoher und Bereiche mit schwacher Wärmeleitfähigkeit zu erzielen.  Werden diese Eigenschaften mit der Fähigkeit kombiniert, Übertragungswege für Flüssigkeiten, die verdampfen und kondensieren können sowie poröse Dochte zu drucken, können im Handumdrehen Wärmerohre zu dem wärmeleitenden Design hinzugefügt werden.  Und all das erneut in einem einzigen Prozess des 3D-Druckers.

 

(Als Anmerkung sei zu erwähnen, dass gestufte mechanische Eigenschaften ein weit verbreiteter Trick von lebenden Organismen mit mikroskopisch kleinen Vorgängen ist. Ein Beispiel hierfür ist der menschliche Kopf, der selbstverständlich aus einem festen Knochengerüst besteht und zudem über eine Knorpel-basierte Nase verfügt. Knochen und Knorpel bestehen aus ähnlichen Materialien, unterscheiden sich jedoch in dem Mischungsverhältnis, das für die unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften sorgt.)

 

RepRapPro arbeitet aktuell an der Entwicklung einer Düse – erhältlich womöglich bereits Mitte 2015 –, die das Vermischen verschiedener Materialien für kombinierte mechanische Eigenschaften ermöglicht.  Zusätzlich dazu – und aus ingenieurwissenschaftlicher Sicht womöglich etwas trivial, dafür umso wichtiger aus der Sicht von Entwicklern – kann durch das Vermischen mehrerer Farben ein schier unendliches Farbspektrum abgedeckt werden: Eingesetzt wird hierfür der sogenannte CYMK-Prozess (Cyan, Magenta, Yellow und Key/Schwarz), der auch bei Inkjet-Druckern verwendet wird. Der Fused Filament Fabrication Prozess von RepRap Druckern kann im Gegensatz zu einem Inkjet-Drucker jedoch keine scharfen Farbübergänge erzeugen.

 

Neue Logik?

Blickt man etwas weiter in die Zukunft, erkennt man auch großes Potenzial für die Integration von Halbleitern in die verschiedenen Prozesse. Für die Handhabung von Metallen arbeiten RepRapPro, wie zuvor erwähnt, an einer Art Inkjet-Drucker, der winzige Metalltropfen ausgibt. Und wurde die richtige Inkjet-Technologie erst einmal entwickelt, ist der nächste Schritt wohl das Drucken von Graphen. Ohne zu sehr ins Detail zu gehen, wie dieses Ziel mit einem 3D-Drucker erreicht werden kann: Graphen ist ein sehr viel versprechendes Material, das sehr mühelos manipuliert werden kann.  Technisch gesehen ist Graphen ein sogenannter Zero-Gap Halbleiter, von dem sowohl P- als auch N-Versionen zur Verfügung stehen.  Das Potenzial ist also bereits vorhanden, um elektronische Geräte sowie elektrische Verbindungen zwischen verschiedenen Geräten zu drucken.

 

Nichtsdestotrotz sind diverse Einschränkungen im Hinblick auf die Auflösung der Geräte vorhanden. Die aktuelle Auflösung – bzw. die Genauigkeit der Bewegung von Düse/Kopf – der RepRap-Maschine liegt zum Beispiel bei 0,1 mm, während die des Extruders mit rund 0,5 mm noch wesentlich unschärfer ist.  Der angepeilte Inkjet-Drucker wird in der Lage sein, Materialtröpfchen abzugeben, die wesentlich kleiner sind als diese Werte. Und so ist die einzige Einschränkung womöglich die Genauigkeit der Bewegung der Maschine, die mit aktuell rund 100 Mikrometern im Vergleich zu einem Transistor auf einem elektronischen Chip noch immer sehr groß ist. Doch nimmt man einmal mehr an, dass das Design nicht auf Hochfrequenzen zurückgreift, ist die Größe eines Elektronik-Teils nur dann kritisch, wenn es verpackt werden muss. Misst ein einzelner Transistor am Ende rund einen Millimeter im Durchmesser, sollte das kein Problem darstellen, da noch immer genügend Raum in dem mechanischen Produkt zur Verfügung stehen sollte, in welches das elektronische Gerät eingefügt werden soll. Wie zuvor erwähnt, erfordert diese Technologie keinerlei Leiterplatten mehr für eine Vielzahl mechanischer Geräte, sodass Produktentwickler nicht länger gezwungen sind, die Elektronik kompakt zu gestalten. Doch auch unter diesem Aspekt ist es sehr schwierig, ein hochkomplexes Produkt mit der Prozessorleistung bzw. Schaltlogik hunderttausender Transistoren zusammenzupferchen – selbst wenn drei Dimensionen zur Verfügung stehen, anstatt lediglich zwei wie in Chips und Leiterplatten. Die Erschaffung solcher elektronischer Geräte mag also noch ein paar Jahre dauern, zeichnet sich jedoch schon jetzt sehr deutlich am Horizont ab.

 

Alles zu seiner Zeit

Die Zukunft von 3D-Druckern steckt voller Möglichkeiten – das Vermischen von Kunststoffen für Materialien mit verschiedenen mechanischen Eigenschaften und diversen Farben in einem relativ kostengünstigen Drucker ist jedoch schon jetzt extrem nahe. Ebenso verhält es sich mit dem Drucken von Metalllegierungen. Die bedeutsamste Idee sieht jedoch vor, verschiedene Materialien in einem einzigen Prozess zu vereinen – und das ist es, wofür sich Inkjet-Technologie und Fused Filament Fabrication (FFF) ideal eignen. Bereits im nächsten Jahr werden wir sehr wahrscheinlich sehen, wie die Anzahl verfügbarer Materialien steigt und steigt. Silikon ist bereits verfügbar und an vielen Stellen wird bereits mit Ton und Keramik gearbeitet sowie mit metallisierter Keramik und vielen verschiedenen Harzen.  Jedes beliebige Material, das in der Form einer Paste zur Verfügung steht, kann mit Fused Filament Fabrication mühelos verarbeitet werden. Im Laufe der nächsten Jahre werden 3D-Drucker mit Sicherheit einen All-in-One Prozess bieten können, der die Möglichkeiten von Entwicklern elektronischer und mechanischer Geräte wahrlich erweitert und zudem die Entwicklung neuer und innovativer Kreationen und Produkte ermöglicht, die bisher allesamt nicht möglich waren.