3D-Druck

Der Grundstein für die neue Technologie wurde also schon vor über 30 Jahren gelegt. Allerdings wurde sie erst in den letzten Jahren zum Shooting Star in den Medien. Aber was ist so neu an dieser Technologie? Grundsätzlich kann man mindestens zwei Verfahren zur Herstellung von Gegenständen unterscheiden:

Subtraktive Fertigungsverfahren: Bei subtraktiven Verfahren wird der zu produzierende Gegenstand durch mechanische Abtragung von Material erstellt. Solche Verfahren werden seit der Steinzeit eingesetzt. Aus passendem Rohmaterial entstanden durch Abschlagen schon vor 300.000 Jahren Faustkeile, Schaber und später Äxte, Speer und Pfeilspitzen. Das Verfahren wurde perfektioniert und ging auch in die Kunstgeschichte ein: die Venus von Milo, Michelangelos David etc.  Heute sind es moderne Verfahren wie Fräsen, Drehen, Bohren, hauptsächlich durch CNC-Maschinen und elektrische Verfahren wie Funkerodieren, mit denen Produkte erstellt werden. Nachteilig dabei ist, dass die Maschinen für die Bearbeitung sehr teuer sind und dass wertvolles Material abgetragen wird, das nicht mehr oder nur nach aufwendigem Aufarbeiten wieder verwendet werden kann.

Additive Fertigungsverfahren: Im Gegensatz dazu wird bei einem additiven Verfahren das Material schichtweise aufgetragen, und durch Verschmelzen oder Sintern werden feste Gegenstände erzeugt. Der Gruppe der additiven Verfahren könnte man auch eine uralte Technik der Menschheit zurechnen, die Herstellung von Keramikgegenständen. Eine formbare Masse, in diesem Fall Lehm, wird schichtweise zu Gefäßen, Schalen etc. aufgebaut. Diese Verfahren, die wir heute als additive Fertigung oder auch generische Fertigung bezeichnen, unterscheiden sich grundsätzlich von anderen formenden Verfahren. Es ist keine Form erforderlich wie beim Metallguss oder Kunststoff-Spritzguss. Es entsteht nur aus dem virtuellen CAD-Modell im Computer. Aus der Tatsache, dass jeder Gegenstand in Schichten zerlegt und umgekehrt auch zusammengesetzt werden kann, folgt die Möglichkeit, Gegenstände herzustellen, die mit anderen Verfahren nicht, nur sehr schwer oder nur mit einer Reihe von zusätzlichen Montageschritten machbar wären. Denken Sie beispielsweise an eine ausgehöhlte Kugel oder noch komplizierter eine Wendeltreppe in einem Turm.

 

Vom Rapid Prototyping zum 3D-Druck für jedermann

Wie schon erwähnt wurden die ersten kommerziell verwendeten Stereolithografie-Geräte für den Bau von Prototypen eingesetzt. Vorher aufwendig in Handarbeit erstellte und damit auch teure Modelle aus Kartonagen, Schaumstoffen oder aus Ton modellierte Entwürfe konnten mit dieser Technik rascher und viel präziser direkt aus den CAD-Modellen erstellt werden. Da in der Hauptsache Prototypen erstellt wurden, erhielt die Technik auch den Namen Rapid Prototyping.

Mit der Entwicklung weiterer Druckverfahren und leistungsfähigerer Werkstoffe eröffneten sich auch weitere Einsatzmöglichkeiten. Kleinserien im endgültigen Werkstoff wurden möglich, und heute spricht man auch schon vielversprechend von Rapid Manufacturing. In letzter Zeit hat sich umgangssprachlich der Begriff 3D-Drucker für die Geräte durchgesetzt, egal welches Verfahren sich dahinter verbirgt.

Die Technologie, die die massentauglichen und preiswerten Geräte von heute erst möglich machte, ist das FDM-Verfahren. FDM steht für Fused Deposition Modeling oder zu Deutsch Schmelzschichtverfahren. Häufig wird auch die Abkürzung FFF verwendet, die für Fused Filament Fabrication steht. Das Verfahren wurde von der Firma Stratasys entwickelt, einem weiteren Pionier der 3D-Druck-Technologie, und vor fast 20 Jahren patentiert.

Rechtlich geschützte Patente auf den unterschiedlichen 3D-Druckverfahren waren (und sind es auch teilweise noch) unter anderem für die immensen Kosten eines 3D-Druckers verantwortlich. Mit dem jüngsten Ablauf einiger wichtiger Patente begann ein regelrechter Preisverfall in dem Bereich.

Mit dem Ablauf der Patente gab es einen regelrechten Boom in der Open-Source. Gemeinde. Viele Maker, also handwerklich interessierte und geschickte Menschen, trafen sich in sogenannten Hackerspaces, um die unterschiedlichsten 3D-Drucker zu entwickeln. Natürlich Witterten auch Unternehmen die Chance, einen bezahlbaren 30 Drucker in den Handel zu bringen, und so sind einige 3D-Drucker schon für ca. 400 € zu bekommen. In dieser Preisklasse dürfen allerdings keine hohen Qualitätsansprüche gestellt werden, die ausgedruckten Objekte sehen mehr schlecht als recht aus, und die Verarbeitung dieser Geräte lässt auch sehr zu wünschen übrig. Der Preisverfall betrifft allerdings zurzeit nur die Drucker, die mit der sogenannten FDM-(Fused-Deposition-Modeling-)Methode, also einem Schmelzschichtungsverfahren, Objekte herstellen. 3D-Drucker, die mit metallischen oder keramischen Werkstoffen arbeiten, sind weiterhin für den Heimanwender preislich nicht sonderlich interessant und bewegen sich im mittleren vierstelligen Bereich.

Aber auch hier laufen einige wichtige Patente im Jahr 2014 aus und könnten einen ähnlichen Boom bewirken, wie seinerzeit für die herkömmlichen 3D-Drucker, die mit Kunststoff drucken. Bis es allerdings soweit ist, sind die »normalen« 3D-Drucker, die mit dem Schmelzschichtungsverfahren arbeiten, für den Hausgebrauch und teilweise auch für gewerbliche Zwecke völlig ausreichend.  Wir erleben zurzeit ja erst die Anfänge des 3D-Druck-Zeitalters und können schon jetzt auf eine Vielzahl an qualitativ hochwertigen Druckern zurückgreifen. Die Auflösung eines Ultimaker 2-Druckers zum Beispiel beträgt sagenhafte 0,05 mm. Das ist vergleichbar mit der Dicke eines menschlichen Haares. Diese sehr feine Auflösung ist für das sehr gleichmäßige Druckbild verantwortlich. Sie können sich vorstellen, dass mit solch genauen Druckern schon überaus optimale Druckergebnisse erzielt werden, die ruhigen Gewissens auch gewerblich vertrieben werden können.

Nicht nur, dass der 3D-Drucker im privaten Haushalt viel Zeit, Ärger und Kosten sparen kann; mit ihm lassen sich auch Ideen für Produkte günstig und schnell in kleinen Stückzahlen herstellen. In diesem Zusammenhang fällt häufig der Begriff des Rapid Prototypings, also der schnellen Prototypentwicklung. Der große Vorteil der 3D-Drucker: Es ist ab sofort nicht mehr notwendig, eine kleine Produktauflage an eine große Fabrik zur Herstellung zu übergeben. Ab sofort können Sie sich Ihre Ideen und Vorstellungen selbst erstellen und vor allem ausdrucken. Noch vor einigen Jahren war das schon aus finanziellen Gründen undenkbar.

Nachdem 2004 verschiedene Patente ausgelaufen waren, entwickelte Adrian Bowyer, ein englischer Hochschullehrer an der University of Bath, den »RepRap«. Der Name steht für Replicating Rapid Prototyper. Die dahinterstehende Idee war, einen preiswerten Drucker-für-jedermann im Internet als Open Hardware zur Verfügung zu stellen. Ein wichtiger Aspekt seiner Philosophie, der sich vor allem auch im Namen widerspiegelt, war die Replizierbarkeit des Druckers. Alle Kunststoff teile des Druckers konnten mit dem RepRap selbst hergestellt werden, und er war somit in der Lage, sich selbst zu replizieren. Durch die Veröffentlichung sollte es möglich werden, dass Änderungen zur Verbesserung der Konstruktion von jedermann durchführbar sind und so eine Weiterentwicklung ähnlich der biologischen Evolution stattfinden kann. Folgerichtig nannte er die erste Version des RepRap »Darwin« und die Weiterentwicklung »Mendel«.

Negativ belastet wurde das Thema 3D-Druck durch Meldungen, dass man damit Schusswaffen selbst drucken könne. Cody Wilson, der Gründer von Defense Distributed, einer Organisation, die sich mit der Verbreitung von Open-Source-Waffen beschäftigt, stellte im Mai 2013 die Pläne für seine Plastikpistole Liberator ins Netz. Diese sollte mit jedem 3D-Drucker herstellbar sein.

Inzwischen hat sich der Hype um 3D-Drucker etwas abgekühlt. Andere Themen stehen auf der Liste der Berichterstattung in den Medien oben an: Industrie 4.0, Internet der Dinge etc. Außerdem ist ein bisschen Ernüchterung eingekehrt, was den Einsatz von 3D-Druckern betrifft. Sicher, es besteht noch deutlicher Nachholbedarf, was Genauigkeit, Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und Materialvielfalt der heutigen Geräte aus dem Einsteigerbereich betrifft.