3D-Druck

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Material für Macher

Von Franz Grieser, All3DP.com

Ursprünglich wurden 3D-Drucktechniken für die Luftfahrt- und Automobiltechnik entwickelt. Dort werden sie seit den 80er Jahren für Rapid Prototyping genutzt, also für die schnelle und günstige Fertigung von Prototypen und Modellen. Inzwischen wird 3D-Druck auch in anderen Industriebereichen sowie in der Architektur für das Prototyping eingesetzt. Seitdem die Preise für 3D-Drucker im Desktop-Format drastisch gesunken sind – sie beginnen bei etwa 200 Euro (für Selbstbau-Kits) – ist die Bandbreite an Anwendungsmöglichkeiten immer größer geworden.

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3D-Druck ist ein sogenanntes additives Fertigungsverfahren; dabei wird ein Werkstück computergesteuert Schicht für Schicht aufgebaut. Im Unterschied dazu wird bei traditionellen subtraktiven Verfahren wie dem Fräsen oder Drehen das Werkstück aus einem Materialblock herausgefräst bzw. geschnitten.

Der Begriff „3D-Druck“ stammt daher, dass ursprünglich mithilfe von Druckdüsen, wie man sie aus Tintenstrahldruckern kennt, lichtempfindliches Polymer in Pulverform auf die Arbeitsfläche aufgebracht wurde. Dort wurde es mit einem Laserstrahl ausgehärtet. Die Anfang der 80er Jahre in Japan entstandene Methode entwickelte Chuck Hill, einer der Pioniere des 3D-Drucks, 1984 fort zu einem Verfahren, das man Stereolithografie nennt. Heute bezeichnet man als 3D-Druck eine Reihe unterschiedlicher Verfahren.

Fused Deposition Modeling

Die meisten einfacheren 3D-Drucker arbeiten nach dem FDM-Verfahren (Fused Deposition Modeling. Dieses Verfahren der Schmelzschichtung entstand Ende der 80er Jahre bei der Firma Stratasys. Dabei wird das Druckmaterial erhitzt und durch eine Düse (einen Extruder) im Druckkopf gepresst und schichtweise aufgetragen. Die erste Schicht kommt direkt auf das Druckbett, danach geht es Schicht für Schicht nach oben; die Schichten sind je nach Drucker und Einstellung 0,2 oder 0,3 mm dick. Als Druckmaterial kommen typischerweise Thermoplaste zum Einsatz – die meisten 3D-Drucker verarbeiten PLA (Polylactide), teurere Geräte können auch mit ABS (Acrylnitril-Butahdien-Styrol) umgehen. Weitere Materialien sind Wachs, Porzellan sowie Holz- und Metall-Kunststoffmischungen; allerdings lassen die sich mit den meisten handelsüblichen FDM-Druckern im Preisbereich bis 2500 Euro nicht verarbeiten.

Das Druckmaterial ist in Form dünner Stränge in einer Stärke von 1,75 oder 3 mm erhältlich; man spricht hier von Filamenten. Die Filamente sind in Rollen erhältlich, die man am Drucker befestigt; PLA- und ABS-Filamente kosten ab 25 Euro pro Kilogramm. Es stehen Filamente in verschiedensten Farben zur Auswahl. Einige Hersteller verwenden proprietäre Filamente, die in Kassetten geliefert werden. Das hat Vor- und Nachteile: Einerseits entfällt das Einfädeln des Filaments in den Drucker, dafür sind die Kassetten teurer als Markenfilamente. Bekannte 3D-Drucker, die das FDM-Verfahren nutzen, sind MakerBot Replicator 2X, Ultimaker 2, Zortrax M200 sowie die Kossel-Reihe.

Stereolithografie

Das zweite 3D-Druckverfahren heißt Stereolithografie oder SLA (Stereolithographic Apparatus); sie ist weniger weit verbreitet als FDM. SLA-Drucker waren bis vor Kurzem deutlich teurer als FDM-Geräte, auch das Druckmaterial ist teurer; inzwischen sind erste SLA-Drucker für etwa 1500 Euro erhältlich.

Das SLA-Verfahren arbeitet mit lichtempfindlichem Spezialharz, das mithilfe eines Lasers oder eines Projektors ausgehärtet wird. In einem Tank befindet sich das Kunstharz (Resin) in flüssigem Zustand. Der Laser „zeichnet“ Schicht für Schicht des Objekts in das Harz und härtet es so (man spricht hier von „kurieren“); bei SLA-Druckern mit Projektor wird das Bild schichtweise in das Harzbad projiziert. Zugleich wird das gedruckte Objekt Schicht für Schicht aus dem Harztank gezogen – anders als bei FDM druckt man hier also von oben nach unten.

SLA arbeitet deutlich präziser als FDM und die Details sind sichtbar feiner. Nachteilig ist, dass die Harztanks und die Auflage auf dem Druckbett sehr schnell verschmutzen und häufig ausgetauscht werden müssen. Der Marktführer Formlabs gibt an, dass bei seiner Form-1-Reihe der Tank nach 2 bis 3 l Harz ausgetauscht werden muss – bei einem Preis von 55 Euro pro Tank kein billiges Vergnügen. Deshalb arbeiten Formlabs und Konkurrenten an Methoden, die die Verschmutzung der Tanks reduzieren bzw. komplett vermeiden soll.

Das Harz gibt es nur in wenigen Farben; eine 1-l-Kartusche von Formlabs kostet 160 Euro, Spezialharze sind nochmals teurer. Mit 1 l Kunstharz druckt man in etwa die gleiche Menge wie mit 1 kg Filament.

Bekannte SLA-Drucker sind Form 1 und Form 2 von Formlabs, Autodesk Ember und WASP Top DLP. Die Preise für diese Geräte beginnen bei 3500 Euro. Form 1 und Form 1+ sind bei 3D-Druckdienstleistern sehr beliebt, wie Umfragen von 3D Hubs zeigen. 3D Hubs ist ein internationales Netzwerk, in dem sich derzeit fast 2300 Besitzer von 3D-Druckern zusammengeschlossen haben und Endkunden 3D-Ausdrucke anbieten. Die Ausdrucke dieser Geräte erhalten von den Kunden sehr hohe Noten: im Schnitt 4,76 von 5 möglichen Punkten).

Selektives Lasersintern

Das dritte relevante 3D-Druckverfahren ist SLS (selektives Lasersintern). Dabei wird ein Pulver schichtweise mit einem Laser erhitzt und verfestigt. Anders als beim Laserschmelzen arbeitet man beim Sintern mit Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Materials und braucht deshalb noch ein Bindemittel. Als Werkstoff verwendet man Metall, Keramik oder Kunststoffe.

SLS-Maschinen sind anders als FDM- oder SLA-Drucker nicht für den typischen Desktop geeignet, es sind zumeist schrankgroße Geräte, die um die 100.000 Euro kosten. 2014 sorgte allerdings die Schweizer Firma Sintratec für Aufsehen, die über die Crowdfunding-Plattform Indigogo die Entwicklung eines SLS-Drucker für unter 5000 Euro finanzierte. Seit Mitte 2015 gibt es das etwa kühlschrankgroße Sintratec Kit tatsächlich für 4999 Euro zu kaufen, Lieferzeit: zwölf bis 16 Wochen. Typischerweise kommen große SLS-Maschinen bei 3D-Druckdienstleistern wie Shapeways, Sculpteo oder i.materialise zum Einsatz. Diese Unternehmen bieten sogar die Herstellung von Schmuck oder anderen Objekten in Edelmetallen an.

Standardformate für Vorlagen

Einer der Faktoren, die zur schnellen Verbreitung des 3D-Drucks im Desktop-Bereich beigetragen haben, ist die Tatsache, dass sich die Gerätehersteller sehr früh auf zwei Dateiformate festgelegt haben: Praktisch alle Maschinen können 3D-Modelle im Format STL verarbeiten, die meisten kommen auch mit dem weniger weitverbreiteten Format OJB zurecht. Und so gut wie alle CAD- und CAM-Programme und 3D-Scanner, die 3D-druckfähige Modelle liefern, können diese im STL-Format speichern.

Das Dateiformat STL (STereoLithography oder Standard Tessellation Language) wurde ursprünglich von der Firma 3D Systems für ihre Stereolithografie-CAD-Software entwickelt. Eine STL-Datei beschreibt die Oberflächengeometrie von dreidimensionalen Objekten in Form von Dreiecken; üblicherweise enthält eine STL-Datei aber keine Beschreibungen für Farben, Texturen oder andere Attribute von CAD-Modellen. Das Format eignet sich daher auch nur eingeschränkt zum Datenaustausch zwischen unterschiedlichen CAD-Programmen.

Eine Alternative zu STL ist OBJ. Dieses Format wurde von der Firma Wavefront entwickelt, ist heute aber ein offenes Dateiformat, das von vielen Anbietern von 3D-Anwendungen unterstützt wird. Im Unterschied zu STL-Dateien können OBJ-Dateien auch Eigenschaften wie Farben, Texturen und Materialien beschreiben.

2015 stellte das 3MF Consortium ein mit STL und OBJ konkurrierendes Dateiformat auf XML-Basis vor. Das 3MF-Format kann – neben den Informationen aus STL – auch Eigenschaften wie Farben, Texturen und Materialien darstellen. Hinter dem 3MF Consortium steckt beachtliche Marktpower: Microsoft hat sich hier mit Autodesk, Dassault Systems, HP, Stratasys, 3D Systems und weiteren Playern aus dem 3D-Bereich zusammengeschlossen. Ob sich das 3MF-Format durchsetzen wird, lässt sich heute noch nicht einschätzen.

Bauwesen

Die italienische Firma WASP hat mit dem BigDelta den weltweit größten 3D-Drucker gebaut, mit dem sich Häuser aus einem Lehm-Pflanzenfasergemisch errichten lassen. Die 12 m hohe Maschine soll zum Beispiel in Drittweltländern kostengünstigen Wohnraum mit Materialien schaffen, die vor Ort vorhanden sind – und zwar ohne den kostspieligen und energieaufwendigen Einsatz von Zement.

Die chinesische Firma Winsun baut mithilfe von 3D-Drucktechniken Häuser aus Industrie- und Bauschutt, der als Betonzusatz genutzt wird. Der amerikanische Architekt Andrey Rudenko beschäftigt sich seit 20 Jahren mit selbst gebauten 3D-Druckmaschinen, die sich zum Hausbau nutzen lassen – er hat vor einigen Monaten mit einem aus Beton gedruckten Schlösschen Aufsehen erregt. Sogar Weltraumorganisationen wie die ESA und die NASA arbeiten an 3D-Druckmaschinen, die in der Zukunft einmal Gebäude auf dem Mond oder dem Mars errichten sollen.

Raumfahrt

Und nicht nur Wohnraum sollen 3D-Maschinen im Weltraum schaffen. Bereits erfolgreich getestet wurde die Fertigung von Ersatzteilen im All. So müssen Astronauten nicht mehr zahllose Ersatzteile für alle möglichen Zwecke auf einen Raumflug oder in eine Raumstation mitnehmen: In Zukunft reichen entsprechende 3D-Druckmaschinen, ausreichend Vorrat an Druckmaterial und die 3D-Konstruktionspläne – schon können sie bei Bedarf Ersatz für defekte Teile gleich im All drucken.

Am anderen Ende der Bandbreite stehen per 3D-Druck gefertigte Raketentriebwerke. So hat die Raumfahrtfirma SpaceX von Tesla-Gründer Elon Musk angekündigt, die Triebwerke für das Raumschiff Dragon V2 im Direct-Metal-Laser-Sintering-Verfahren zu fertigen. Und auch die NASA will mit speziellen SLS-Verfahren die Bauzeit der Einspritzventile künftiger Triebwerke von mehr als einem Jahr auf vier Monate verkürzen und dabei die Kosten um 70 % senken. Schon heute entstehen zahlreiche Bauteile – etwa für neue Mars-Rover – per 3D-Druckverfahren, weil diese Art der Fertigung Gewicht spart und gleichzeitig widerstandsfähige Ergebnisse liefert.

Bioprinting und Medizin

Ein großer Anwendungsbereich, in dem 3D-Druck schon heute erstaunliche Resultate hervorbringt, ist die Medizintechnik. So stellt die Gesundheitsbranche längst kostengünstig maßgeschneiderte Prothesen her, etwa Hände, Arme oder Beine. Darüber hinaus ist es bereits gelungen, Gewebeteile zu züchten und zum Beispiel Ohrmuscheln oder Luftröhren zu fertigen und Menschen einzusetzen. Und – das ist keine Zukunftsmusik – man ist heute schon in der Lage, „einfache“ Organe wie Blasen aus Stammzellen oder Organzellen des künftigen Trägers zu züchten.

Aufwendiger ist es, komplexe Organe aus unterschiedlichsten Zellarten wie die Leber, die Nieren oder das Herz herzustellen. Die Firma Organovo arbeitet gerade an einem 3D-Bioprinter, der Lebergewebe aus menschlichem Gewebe herstellt; ein Gerät, das Blutgefäße „druckt“, hat Organovo bereits gebaut.

Kunst und Mode

Künstler und Modedesigner in aller Welt haben den 3D-Druck als kostengünstige Fertigungs- und Prototyping-Methode sowie zur Herstellung von Gussformen entdeckt. Schmuck in allen Variationen und Dekoelemente, etwa Lampen oder Vasen, sind auf Online-Plattformen wie Shapeways und Sculpteo in verschiedensten Materialien erhältlich. Per 3D-Druck lassen sich außerdem aufsehenerregende Designs wie hochhackige Schuhe mit floralen oder futuristischen Verzierungen herstellen. Manche Designer setzen auch auf den Hinguckeffekt von 3D-gedruckter Reizwäsche wie beim 3D-BH von Mesh Lingerie aus Delft.

Eine innovative Kombination stellt der Eco-Bikini dar, mit dem Mihri Ozkan den ersten Preis bei der Reshape 15 Wearable Technology Competition errang: Das Bikini-Oberteil besteht aus einer 3D-gedruckten Struktur, in die ein schwammartiges Material eingesetzt wird, das beim Schwimmen Verunreinigungen aus dem Wasser aufnimmt. Der Körper selbst kommt nicht mit dem Schwamm in Kontakt; die Verunreinigungen lösen sich erst bei hohen Temperaturen aus dem Saugmaterial.

Lebensmittel

Nein, kein Scherz, es gibt tatsächlich nicht nur 3D-gedrucktes Geschirr, sondern auch Mahlzeiten aus Spezialdruckern: vom 3D-gedruckten Pfannkuchen (zum Beispiel in Gestalt eines Firmenlogos) über Schokokreationen bis hin zum Burger aus dem BotBQ Extruder. Vertreter dieses 3D-Druck-Zweigs erwarten, dass vorgefertigte Menüs aus dem 3D-Drucker einmal die Mikrowelle ablösen.

Ernsthaftere Anwendungen könnten in der Versorgung Pflegebedürftiger oder Kranker liegen, die speziell für sie vorbereitete Menüs inklusive Medikation auf Knopfdruck vom 3D-Drucker zubereiten lassen – das ist allerdings noch Zukunftsmusik.

Ersatzteile

Dieser Bereich hat gute Zukunftsaussichten. Hersteller von Geräten oder Fahrzeugen aller Art müssen oft über Jahre Ersatzteile auf Lager halten, um ihre Kunden zu versorgen. Das bindet viel Kapital und Lagerkapazität; außerdem spielen die Versandkosten bei Teilen, die oft nur Centbeträge in der Herstellung kosten, eine große Rolle. Marktbeobachter gehen daher davon aus, dass in Zukunft immer mehr Ersatzteile nicht mehr in Masse gefertigt und beim Hersteller vorgehalten werden. Stattdessen senden die Hersteller den Kunden auf Anfrage und gegen Gebühr die 3D-druckfähigen Dateien für die Ersatzteile zu, sodass die Kunden sie selbst drucken bzw. beim 3D-Shop um die Ecke drucken lassen können.

Zubehör, Gadgets, Spielzeug

Schon heute werden Zubehörteile, Gadgets und Nerd-Spielzeug in Massen gedruckt, sei es die Halterung für die GoPro, ein Ständer für das Tablet, Objektdeckel für die Kamera, Zubehör für Musikinstrumente, Fahrräder und vieles mehr. Mehr oder weniger nützliche 3D-druckbare Modelle gibt es kostenlos auf Plattformen wie Thingiverse.

Druckfertige 3D-Modelle zum Download

Wer etwas per 3D-Druck herstellen will, braucht dazu erst einmal eine Vorlage. Solche 3D-Druckmodelle lassen sich mit einer CAD-Software wie SketchUp, Solidworks, Autodesk AutoCAD oder Fusion 360 bzw. kostenlosen Alternativen wie FreeCAD und Blender erzeugen. Diese Programme erfordern einiges an Einarbeitung und ein gutes räumliches Vorstellungsvermögen, auch ist die Konstruktion eines Modells durchaus zeitaufwendig. Wer sich den Aufwand sparen will, kann inzwischen auf druckfertige 3D-Zeichnungen zurückgreifen, die es zu Hunderttausenden gibt. Der Großteil dieser Entwürfe ist kostenlos über entsprechende Bibliotheken im Web abrufbar, und zwar im Standardformat STL, oft auch im Format OBJ.

Hier eine Auswahl der wichtigsten Bezugsquellen:

  • Thingiverse (thingiverse.com) ist die mit mehreren Hunderttausenden sofort einsetzbaren und überwiegend kostenlosen Modellen größte Sammlung. Hier lässt sich in verschiedenen Kategorien (Fashion, Gadgets, Tools etc.) blättern und suchen; außerdem stellen die Betreiber der Website in der Rubrik „Featured Collections“ empfehlenswerte Modelle zu aktuellen Themen vor.
  • 3D Warehouse (3dwarehouse.sketchup.com) war ursprünglich eine Sammlung von Modellen, die mit der Software SketchUp erzeugt wurden; der Schwerpunkt liegt hier deshalb auf eher professionellen Modellen für die Rubriken Konstruktion und Architektur. Wegen der Ausrichtung sind hier mehr Modelle kostenpflichtig als bei den anderen Plattformen, dafür findet man hier kaum Comicfiguren und anderen Schnickschnack.
  • Bei Pinshape (pinshape.com) sind die Modelle – ähnlich wie bei Thingiverse – nach Kategorien geordnet. Für 3D-Designer interessant ist die Möglichkeit, eigene Modelle über die Plattform zu verkaufen.
  • Yeggi (yeggi.com) ist eine Suchmaschine, die die wichtigsten Bibliotheken durchforstet und deren Index laut Anbieter über 640.000 Modelle umfasst. Hier lässt sich über Stichwörter suchen. Zur Anregung interessant sind die Möglichkeiten, sich häufig verwendete Suchbegriffe oder die am häufigsten heruntergeladenen Modelle anzeigen zu lassen.

Fazit: Die maßgefertigte Welt

Ob der 3D-Druck eines Tages die Massenfertigung komplett ablösen wird, lässt sich heute noch nicht sagen. Dafür spricht, dass Produkte individueller und bei Bedarf statt auf Vorrat produziert werden können – so ließen sich die ohnehin knapper werdenden Ressourcen effizienter nutzen. Außerdem könnte 3D-Druck vor Ort den Transport großer Gütermengen von den Fertigungsstätten in Übersee zu den Endkunden deutlich reduzieren, was den CO₂-Ausstoß durch Güterverkehr drastisch senken würde. Das Potenzial dazu ist da.

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