3D-Druck

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Ein ORDbot Quantum 3D-Drucker
Das Video zeigt komprimiert auf vier Minuten das ca. 30-minütige Drucken einer Kugel im Fused Deposition Modeling-Verfahren.

Beim 3D-Druck werden dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufgebaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken[1] und Metalle. 3D-Drucker werden in der Industrie und der Forschung eingesetzt. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst.

Der 3D-Druck ist ein generatives Fertigungsverfahren, nach dem Aufbauprinzip als additive Fertigung bezeichnet.

Beschreibung

Umwandlung eines 3D-Modells in einen druckbaren Gegenstand.
3D-Drucker der Bauhütte der Sagrada Família zur Herstellung komplexer Modelle

Die wichtigsten Techniken des 3D-Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen[2] für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik[3] und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Deposition Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze.

Innerhalb der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren stellen die 3D-Drucker die wichtigste Teilklasse der additiven, also anhäufenden, aufbauenden Fabrikatoren dar.

3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. So verwendet z. B. der Flugzeughersteller Boeing in dem Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile.[4]

Einige grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik, auch in der Serienproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwendige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen das Material abtragenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der Materialverlust entfällt. Meist ist der Vorgang energetisch günstiger, weil das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird.

Die erreichbare Auflösung eines Kunstharz-Druckers betrug Ende 2012 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.[5] Eine weitere Stärke des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, komplexe Formen aufzubauen, die mit existierenden Maschinen schwer oder gar nicht herstellbar sind. So verwendet die Bauhütte der Sagrada Família 3D-Drucker, um Modelle für die sehr anspruchsvollen architektonischen Formen von Antonio Gaudí anzufertigen. Dessen Gewölbe bestehen etwa aus großen Drehhyperboloiden mit dazwischen eingeschalteten hyperbolischen Paraboloiden.

Die Raumfahrtfirma SpaceX von Elon Musk fertigt die kleinen SuperDraco-Raketentriebwerke mit je einem Schub von 71.100 Newton, von denen acht in deren Raumschiff Dragon V2 eingebaut werden, mit 3D-Druckern.[6][7]

Geschichte

Der 3D-Druck wurde 1983 von dem US-Amerikaner Chuck Hull erfunden.[8] Hull hat seine 3D-Druck-Technologie als Stereolithografie bezeichnet und im Jahre 1986 die erste Patentanmeldung publiziert.

Multipler 3D-Druck

Meist arbeiten 3D-Druckmaschinen nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Versuchsweise wurden schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben Wissenschaftler der Cornell-Universität eine komplette Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gefertigt.[9] Hewlett-Packard hat Ende Oktober 2014 einen 3D-Drucker, bei dem verschiedene flüssige Materialien kombiniert werden, vorgestellt.[10]

Das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben ist inzwischen simultan möglich. So können Prozesse in einem Arbeitsgang durchgeführt werden, wo bisher mehrere Fertigungsschritte benötigt wurden. Beispielsweise kann ein Objekt stellenweise mit gummiähnlichen Flächen stoßresistent gemacht werden.[11]

Mittels Drucks in zwei Komponenten, von denen später eine, die nur vorübergehende Heftfunktion hat, etwa durch Wasser herausgelöst oder als loses Pulver aus Fugen geblasen[12] wird, lassen sich einander durchdringende Teile (wie Glieder einer Kette) oder formschlüssig verbundene (doch drehbare) (Paradebeispiel: Differentialgetriebe), oder verschiebbare (wie Kolben in Zylinder) herstellen.

Industrie

3D-Drucker der Bauart Lasersintern

Bekannte Hersteller von 3D-Druckern sind im Bereich

Anwendungsgebiete

In folgenden Bereichen wird 3D-Druck zur Prototypenentwicklung eingesetzt:

  • Kunst und Design
  • Architektur
  • Modellbau
  • Maschinenbau
  • Automobilbau
  • Bauverfahren (Contour Crafting)

In folgenden Bereichen wird 3D-Druck zur Serienfertigung eingesetzt:

  • Luft- und Raumfahrtindustrie[13]
  • Medizin- und Zahntechnik
  • Verpackungsindustrie
  • Bioprinting

Heimanwendung

Wikipedia-Globus als 3D-Druck

3D-Drucker für Heimanwender ermöglichen die Herstellung von Objekten wie kleine Spielzeuge, Schmuck oder Stiftebecher. Strukturell komplexere, sehr belastbare Objekte und einwandfreie Kurven sind nur mit professionellen Druckern herstellbar. Neben den auch bei 2D-Druckern wesentlichen Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Auflösung ist bei 3D-Druckern wichtig, welche Materialien verwendet werden können und wie sie verarbeitet werden.

Es ist außerdem möglich, sein Objekt in einem FabLab ausdrucken zu lassen oder die CAD-Datei bei Online-Services hochzuladen und sich sein Produkt nach Hause liefern zu lassen.[14] 3D-Scanner wandeln Objekte in Daten um. Dies funktioniert bereits mit einer einfachen Webcam und einer speziellen Software. Es werden Online-Dienste angeboten, die ein Objekt anhand von Fotos aus verschiedenen Perspektiven in eine Datei umwandeln.

Für den 3D-Druck gelten die Regeln des Urheberrechts.[15] Patente und Gebrauchsmuster sind nur im gewerblichen Gebrauch zu beachten.

Materialien für die Heimanwendung

Kunststoffe

Die weit verbreiteten 3D-Drucker für die Heimanwendung (besonders RepRap-Modelle) verwenden zum Großteil PLA- oder ABS-Filamente, welche sich auf Grund der sehr einfachen Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises besonders eignen.

Gerade durch die geringe Schmelztemperatur und der geringen Neigung zu Warping, unterstützten praktisch alle bekannten 3D-Drucker für die Heimanwendung diesen Materialtyp. Werden höhere Festigkeiten, Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit im Vergleich zu PLA-Filamenten gefordert, eignet sich der Einsatz von ABS-Filamenten besonders. ABS-Filamente sind im Allgemeinen schwerer zu verarbeiten als PLA-Filamente, benötigen zur besseren Haftung eine beheizte Druckplatte und haben einen höheren Schmelzpunkt von über 220°C.[16]

Metalle

Für industrielle Anwendungen werden 3D-Drucker welche Metall verarbeiten können immer interessanter. Das liegt vor allem in der Tatsache begründet, dass sich so auch relativ einfach Bauteile herstellen lassen, die sich auf Grund der komplexen Geometrie (z.B. mit Hinterschnitten oder integrierten Kühlkanälen) nicht mit den konventionellen Fertigungsverfahren herstellen lassen. Darüber hinaus kann eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3D-Druck verwendet werden.

Metall 3D-Druck für die Heimanwendung ist derzeit noch nicht möglich. Auf Grund der Komplexität der Maschinen, mit Laser, Galvo-Scannern und Inertisierungsanlage ist der Bau eines solchen Gerätes weitaus aufwendiger und kostspieliger als Geräte auf Basis der FDM-Technologie. Darüber hinaus blockieren derzeit noch Patente die Entwicklung von Metall 3D-Druckern auf Basis der SLS-Technologie.[17]

3D-Druck und Kunst

Die Kunstwelt nutzt zunehmend den 3D-Druck. Bildhauer oder andere Künstler, die Skulpturen und dreidimensionale Objekte erschaffen, müssen stets die technische Machbarkeit im Blick haben. Der 3D-Druck erweitert das Spektrum, da auch komplexeste Formen möglich sind. Und er setzt wirtschaftlich neue Maßstäbe, da die aufwendige Handarbeit bis ins letzte Detail nur noch am digitalen Objekt vorgenommen werden muss und der Drucker dies in die Realität umsetzt.

Diskurs und Auswirkungen

In der Wissenschaft hat parallel zur technischen Weiterentwicklung und der zunehmenden Verbreitung von 3D-Druckverfahren eine Diskussion über die wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Folgen dieser Entwicklung begonnen. Einige Forscher erwarten einschneidende Veränderungen im wirtschaftlichen Gefüge. Diese seien beispielsweise durch die Verlagerung von Produktionsprozessen zu den Konsumenten zu erwarten. Außerdem würden Innovationsprozesse deutlich beschleunigt.[18] Einige britische Wissenschaftler sehen die Technik sogar als Grundlage für eine erneute sogenannte industrielle Revolution.[19] Kritiker dieser Annahme, wie der Mathematiker Hartmut Schwandt von der Technischen Universität Berlin, halten dem entgegen, dass die Prozess- und Materialkosten bei der individuellen Fertigung wesentlich höher seien als bei der Massenfertigung. Aus diesem Grund hält er die Ausrufung einer weiteren industriellen Revolution für übertrieben.[20]

Kritisiert wurde die Veröffentlichung von kostenlosen Bauplänen für den Druck einer Waffe im 3D-Verfahren durch Cody Wilson auf einer Internetseite. Die Baupläne mussten auf Druck des US-Verteidigungsministeriums wegen des Vorwurfs des Verstoßes gegen Waffen-Exportvorschriften von der Internetseite entfernt werden.[21][22] Zu bedenken ist dabei, dass es illegale Wege für die Beschaffung dennoch gibt.

Laut einer Studie des Instituts für ökologische Wirtschaftsforschung biete der mögliche Dezentralisierungstrend Chancen für Nachhaltigkeit. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass wenn sich Netzwerke bilden, in denen Nutzer beginnen, zur Herstellung von Waren kollaborativ zusammenzuarbeiten, sich die bisher monopolisierte Welt der Produktion demokratisiere. Jedoch brauche es neue Protagonisten für Nachhaltigkeit, die die neuen Technologien so einsetzen, dass sie soziale und ökologische Vorteile erschließen. Die „Maker“-Bewegung, die auf Kreativität statt auf große Fabriken setzt, könnte eine wichtige Rolle spielen oder eine Renaissance des Do-it-Yourself.[23]

Die Möglichkeit, Formen digital zu verbreiten und zu reproduzieren, führt zu Diskussionen über zukünftige Lösungen für ein Urheberrecht bzw. Patentrecht von 3D-Objekten.[24] Insbesondere Design, Architektur und Kunst könnten davon betroffen sein. Als Bildungsinstrument wird der Einsatz der 3D-Drucker bereits an einigen Schulen erprobt. In Großbritannien wurden beispielsweise mehrere Schulen in einem Testprogramm mit einem 3D-Drucker ausgestattet. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Testphase plant der britische Bildungsminister Michael Gove nun weitere Investitionen von rund 500.000 Pfund für die Ausstattung von öffentlichen Schulen in Großbritannien mit 3D-Druckern.[25] Ziel der USA war es, im Laufe des Jahres 2014 alle öffentlichen Schulen mit 3D-Druckern auszustatten.[26]

Siehe auch

Datei:Venus vom Hohlen Fels Replik.jpg
Die Venus vom Hohlefels ist eine etwa 35.000 Jahre alte Figur. Das hier gezeigte Replika wurde mittels eines 3D-Druckers der Bauart Stereolithografie hergestellt.

Literatur

  • Martina Reinhardt: 3D-Druck für Einsteiger. Alles, was Hobbyanwender wissen müssen. Deutscher Drucker Verlagsgesellschaft, Ostfildern 2014, S. 60 (online).
  • Stefan Nitz: 3D-Druck – Der praktische Einstieg. Galileo Press, Bonn 2014, ISBN 978-3-8362-2875-6, S. 324.
  • Peter König: Einführung für Einsteiger: So funktionieren 3D-Drucker. Der Spiegel, Hamburg 2014 (online).
  • 3D-Druck (C’t-Sonderheft). Heise, Hannover 2014, S. 124.
  • Andreas Gebhardt: Rapid Prototyping – Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Auflage. Hanser, München 2002, ISBN 3-446-21242-6.
  • Petra Fastermann: 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt. Springer Vieweg, Berlin / Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-29224-8.
  • Gregor Honsel: Rapid Manufacturing. 3D-Druck war bisher ein Verfahren für wenige Spezialanwendungen in der Industrie. Jetzt erobert es den Massenmarkt – und setzt einen Kreativitäts-Turbo in Gang. In: Technology Review. Heise, Hannover 2011 (online).
  • Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe (= Berichte aus der Lasertechnik). Shaker, Aachen 1999, ISBN 3-8265-6571-1 (Zugleich Dissertation an der RWTH Aachen 1999).
  • Jean-Pierre Kruth: Binding Mechanisms in Selective Laser Sintering and Selective Laser Melting. In: Rapid Prototyping Journal. 2002, ISSN 1355-2546, S. 26 ff.

Weblinks

Commons: 3D-Drucker – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

  1. ↑ Georg Pichler: TU Wien: Neue Herzpumpe aus dem 3D-Drucker
  2. ↑ M. Koike, K. Martinez, L. Guo, G. Chahine, R. Kovacevic, T. Okabe: Evaluation of Titanium Alloy Fabricated using Electron Beam Melting System for Dental Applications. In: The Journal of Materials Processing Technology. 211(8): S. 1400–1408; R. Kovacevic, P. Smith: A New Capability for Advanced Precision Manufacturing – Freeform Printing in Three Dimensions. In: AMMTIAC (DoD Information Analysis Center sponsored by the Defense Technical Information Center), Quarterly, Band. 3, Nr. 2, 2008.
  3. ↑ A. Kindtner, M. Kindtner, W. Kollenberg: Realisierung keramischer Prototyping mittels 3D-Druck und Heißgießen. (PDF) In: Werkstoffzentrum Rheinbach (PDF; 1,3 MB).
  4. ↑ Kristin Hüttmann: 3-D-Druck sprengt Grenzen herkömmlicher Fertigungsverfahren. (Memento vom 9. Juni 2013 im Internet Archive) In Financial Times Deutschland, 23. Januar 2012.
  5. ↑ Schallplatten aus dem 3D-Drucker. In: heise online, 21. Dezember 2012.
  6. ↑ Elon Musk bei der Vorstellung des Raumschiffs am 29. Mai 2014 ab Minute 8.30; youtube.com
  7. ↑ golem.de
  8. ↑ CNN:The night i invented 3D printing
  9. ↑ ccsl.mae.cornell.edu
  10. ↑ print.de
  11. ↑ Multi-Material 3D Printing. In: Cornell Creative Machines Lab (englisch).
  12. ↑ youtube.com 3D-Drucker Zprinter 650 Deutsche Präsentation, Zcorporation, fabtory.de, youtube-video von 26. März 2009
  13. ↑ heise online: Bitkom: 3D-Druck kann die Flugzeugherstellung revolutionieren. In: heise online. Abgerufen am 29. Mai 2016 (deutsch).
  14. ↑ heise.de: Über 3D Hubs Drucker weltweit teilen, 6. November 2013
  15. ↑ Auch beim 3D-Druck gelten Urheberrecht und andere Schutzvorschriften (Heise.de vom 19. Dezember 2013 11:58)
  16. ↑ Doris: Kunststoffe für 3D-Drucker: Thermoplastische Kunststoffe im Vergleich - 3Druck.com. 10. April 2015, abgerufen am 22. September 2016 (deutsch).
  17. ↑ 3D-Drucker Metall - ROBUSTE Teile aus Metall drucken - Innovation. 2. September 2016, abgerufen am 22. September 2016 (deutsch).
  18. ↑ Hendrik Send: Die dritte industrielle Revolution. In: Deutschlandfunk, 2. November 2012.
  19. ↑ A third industrial revolution. In: The Economist, 21. April 2012 (englisch).
  20. ↑ Julian Wolf: 3D-Drucker führen zu keiner Revolution. In: gulli.com, 2. März 2013, abgerufen am 4. März 2013.
  21. ↑ Defense Distributed: Plan für Plastikpistole aus dem 3-D-Drucker ist offline
  22. ↑ This file has been removed from public access at the request of the US Department of Defense Trade Controls. Until further notice, the United States government claims control of the information.
  23. ↑ Ulrich Petschow, Jan-Peter Ferdinand, Sascha Dickel, Heike Flämig, Michael Steinfeldt, Anton Worobei: Dezentrale Produktion, 3D-Druck und Nachhaltigkeit. Trajektorien und Potenziale innovativer Wertschöpfungsmuster zwischen Maker-Bewegung und Industrie 4.0. (PDF) Schriftenreihe des IÖW 206/14, Berlin 2014, ISBN 978-3-940920-09-6.
  24. ↑ Fabian Schmieder: Nachbauer und Markenphlegmatiker – Rechtliche Untiefen im Zusammenhang mit 3D-Druck, c't 15/11, abgerufen am 5. November 2015
  25. ↑ New 3D printers to boost STEM and design teaching, auf gov.uk vom 19. Oktober 2013.
  26. ↑ USA plant jede öffentliche Schule mit 3D-Druckern auszustatten. auf 3D-grenzenlos.de vom 14. November 2013.
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