Ein 3D-Drucker ist eine Maschine (in einer Analogie „Drucker“ genannt), die dreidimensionale Werkstücke schichtweise aufbaut. 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 und Metalle.

Beschreibung

Die wichtigsten Techniken des 3D-Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik 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.

Einige grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik auch in der Serienproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren z. B. hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwendige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen Material abtragenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der Materialverlust entfällt.

Meist ist der Vorgang auch energetisch günstiger, weil das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Siehe hierzu auch: Schnelle Fertigung. Die erreichbare Auflösung eines Kunstharz-Druckers betrug Ende 2012 z. B. 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.

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 Familia 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.

Geschichte

Der 3D-Druck wurde 1983 von dem US-Amerikaner Chuck Hull erfunden. 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 aber schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben etwa Wissenschaftler der Cornell-Universität eine komplette Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gedruckt. Hewlett-Packard hat Ende Oktober 2014 einen 3D-Drucker, bei dem verschiedene flüssige Materialien kombiniert werden, vorgestellt.

Das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben ist inzwischen auch simultan möglich. Dies macht Prozesse, die bisher mehrere Fertigungsschritte benötigten, in einem Arbeitsgang durchführbar. So kann beispielsweise ein Objekt stellenweise mit gummiähnlichen Flächen stoßresistent gemacht werden.

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 wird, lassen sich einander durchdringende Teile (z.B. Glieder einer Kette) oder formschlüssig verbundene (doch drehbare) (Paradebeispiel: Differentialgetriebe), oder verschiebbare (z.B. Kolben in Zylinder) herstellen.

Industrie

Bekannte Hersteller von 3D-Druckern sind im Bereich

• selektives Lasersintern/Selektives Laserschmelzen: Concept Laser, EOS, MTT Technologies, SLM Solutions, ReaLizer
• Elektronenstrahlschmelzen: Arcam
• Stereolithografie: 3D Systems, Huntsman
• Digital Light Processing Modeling: Envisiontec, Rapidshape, Z Corporation
• Polyjet-Modeling: Objet, Voxeljet
• Fused Deposition Modeling: Stratasys, Reprap Austria, Bits from Bytes, Makerbot Industries, German RepRap, 3D Systems, iRapid GmbH, Membino GmbH, Multec GmbH
• 3D-Sanddruck, -Metalldruck: ExOne

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

• Kunst und Design
• Architektur
• Modellbau
• Maschinenbau
• Automobilbau

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

• Luft- und Raumfahrtindustrie
• Medizin- und Zahntechnik
• Verpackungsindustrie
• Bioprinting

Heimanwendung

3D-Drucker für Heimanwender sind bereits ab rund 200 US$ (2013) erhältlich. Die passende Software wird mitgeliefert oder kann heruntergeladen werden. Die Herstellung von Objekten wie kleine Spielzeuge, Schmuck oder Stiftebecher sind damit möglich. Strukturell komplexere, sehr belastbare Objekte und einwandfreie Kurven sind jedoch nur mit professionellen Druckern herstellbar.

Unterschiede in Leistungen und Funktionen sind beispielsweise in der Verarbeitung erkennbar. Angaben über Geschwindigkeit und Auflösung sind kein Garant dafür, wie effektiv das Gerät mit dem verwendeten Material arbeitet und zu welchen Leistungen die Hardware tatsächlich imstande ist.

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. 3D-Scanner wandeln beliebige Objekte in Daten um. Dies funktioniert bereits mit einer einfachen Webcam und einer speziellen Software. Auch hierfür 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, jedoch auch Patente und Gebrauchsmuster sind zu beachten.

3D-Druck und Kunst

Auch in die Kunstwelt findet der 3D-Druck langsam seinen Weg. Bildhauer oder andere Künstler, die Skulpturen bzw. dreidimensionale Objekte erschaffen, müssen stets die technische Machbarkeit im Blick haben. Der 3D-Druck erweitert hier nicht nur das Spektrum, da auch komplexeste Formen möglich sind, sondern setzt auch wirtschaftlich ganz neue Maßstäbe, da die aufwändige Handarbeit bis ins letzte Detail nur noch am digitalen Objekt vorgenommen werden muss und der Drucker dann die Gedanken in die Realität umsetzt.

Künstler wie Moto Waganari oder Jan Davidoff nutzen die Technologie bereits zu Erschaffung von 3D-Kunst-Skulpturen. Mit Artshapes hat sich bereits ein Anbieter gefunden, der für Künstler eine Anlaufstelle in Sachen 3D-Druck und Vermarktung von 3D-Kunst darstellt.

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. Einige britische Wissenschaftler sehen die Technik sogar als Grundlage für eine dritte industrielle Revolution.

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.

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.

Aus Nachhaltigkeitsperspektive bietet der mögliche Dezentralisierungstrend Chancen, so eine Studie des Instituts für ökologische Wirtschaftsforschung. Diese Bottom-up-Lösung als Hoffnungsträger für zukunftsfähige Produktionssysteme zu sehen, da weniger Ressourcen, Transport und Logistik gefordert wären, springe jedoch zu kurz. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass wenn sich Netzwerke bilden, in denen Nutzerinnen und Nutzer beginnen, zur Herstellung von Waren kollaborativ zusammenarbeiten, sich die bisher monopolisierte Welt der Produktion demokratisiert.

Es entstehe Wertschöpfung 2.0. Jedoch brauche es auch neue Protagonisten für Nachhaltigkeit, die die neuen Technologien so einsetzen, dass sie soziale und ökologische Vorteile erschließen. Die sogenannte „Maker“-Bewegung, die auf Kreativität statt auf große Fabriken setzt, könnte hier eine wichtige Rolle spielen oder auch eine Renaissance des Do-it-Yourself.

Unmittelbare Änderungen könnten die neuen Technologien laut einer Stellungnahme der DHL für das Transportwesen bedeuten: „Wir spielen einige Szenarien durch, was die neue Technologie für uns bedeuten könnte. Aber dass dadurch die Logistikbranche überflüssig sein wird, ist sicher sehr überspitzt.” … „Wir überlegen etwa, wie die Rohstoffe zu den Druckern kommen. Außerdem könnte man sich auch als Plattform für Intellectual Properties positionieren. Aber wir marschieren noch nicht in die eine oder in die andere Richtung.”

Die Möglichkeit, Formen digital zu verbreiten und zu reproduzieren, führt zu Diskussionen über zukünftige Lösungen für ein Copyright von 3D-Objekten. Insbesondere Design, Architektur und Kunst könnten davon betroffen sein. Auch 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. Ziel der USA war es, im Laufe des Jahres 2014 alle öffentlichen Schulen mit 3D-Druckern auszustatten.

Quelle: Wikipedia (http://de.wikipedia.org/wiki/3D-Drucker)