3D-Druck

Ein 3D-Drucker ist eine Maschine (in einer Analogie "Drucker" genannt), die dreidimensionale Werkstücke 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.

Ein ORDbot Quantum 3D Drucker

Das Video zeigt komprimiert auf vier Minuten das ca. 30-minütige Drucken einer Kugel im Fused Deposition Modeling-Verfahren.

Beschreibung

3D-Drucker sind eine spezielle Unterart der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren. Innerhalb der Klasse der digitalen Fabrikatoren sind die 3D-Drucker die wichtigste Klasse der Teilklasse der additiven, also anhäufenden, aufbauenden Fabrikatoren.

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 führten und führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik auch in der Massenproduktion 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 wegnehmenden 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 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.

Die erreichbare Auflösung eines Kunstharz-Druckers beträgt derzeit (Ende 2012) z. B. 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.

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.

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.

Industrie

3D-Drucker der Bauart Lasersintern

Bekannte Hersteller von 3D-Druckern sind im Bereich

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

Anwendungsgebiete

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

• Kunst und Design
• Architektur
• Modellbau
• Maschinenbau

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

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

Heimanwendung

Wikipedia-Globus als 3D-Druck

3D-Drucker für Heimanwender sind bereits ab rund 300 Euro erhältlich. Die passende Software wird mitgeliefert oder kann heruntergeladen werden. Objekte, 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.

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. 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.

Siehe auch

Datei:Venus vom Hohlen Fels Replik.jpg

Die Venus vom Hohlefels ist eine etwa 35.000 Jahre alte Figur. Die hier gezeigte Replik wurde mittels eines 3D-Druckers der Bauart Stereolithografie hergestellt.

• STL-Schnittstelle, ein Datenformat zum Austausch von dreidimensionalen CAD-Daten
• Rapid Prototyping
• Bioprinter

Literatur

• Andreas Gebhardt: Rapid Prototyping - Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Auflage. Hanser Verlag, München 2002, ISBN 3-446-21242-6. 
• Petra Fastermann: 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt. 1. Auflage. 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 Zeitschriften Verlag, Hannover 2001 (heise.de). 
• Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe. 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

• Erster 3D-Druckshop eröffnet in München, in critch Ausgabe vom 15. Juli 2013
• Three Dimensional Printing Laboratory des Massachusetts Institute of Technology
• Ein Wiki über das RepRap-Projekt zu Schaffung von freien 3D-Druckern
• Paul Marks: A plane you can print in New Scientist vom 21. Juli 2006
• 3D-Drucker: Die Technologie im Überblick im t3n Magazin Nr. 28/2012
• Gedrucktes Fleisch: Food-3D-Printing. 3D-Drucker im medizinischen- und lebensmitteltechnologischen Bereich. Ein Überblick über Essens- und Bio-Drucker.
• 3D Printshow London 2012 Videoreportage in englischer Sprache über Anwendungsgebiete des 3D-Drucks, bei ExplainingTheFuture.com
• Die Welt aus dem Drucker Artikel über mögliche zukünftige Technologien und Stellungnahmen zu 3D Druck

Kunst

• Komplex geformte 3D-Metall-Drucke der Künstlerin Bathsheba Grossman
• Technokunst: Markus Kaysers Solar-Sinter-Projekt - ein 3D-Drucker, der mit Sonnenlicht und Wüstensand druckt.
• 3D -The Making of Artikel über Technik, Funktionen und Anwendungen von 3D-Druckern vom 29. Juli 2013 auf thegap.at
• Happy Lab Wien, Interview mit Karim Jafarmadar vom 28. Juli 2013 auf thegap.at
• Shapeking, 3D Online-Community für 3D-Modelle, Drucker, Software und Scan