3D-Druck Ich druck mir die Welt, wie sie mir gefällt

Redakteur: Dana Hoffmann

Der Druck in 3D gilt manchen als die Technologie der Zukunft. Enthusiasten meinen, das ganze industrielle Gefüge müsste bald von Grund auf neu gestaltet werden. Eine dritte industrielle Revolution läutet die Technologie vielleicht nicht ein, aber schon heute wird sie in sehr vielen Bereichen von der Medizin bis zur Mode erfolgreich eingesetzt. Dabei ist das Potenzial noch lange nicht erschöpft.

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Der Wikipedia-Globus aus dem 3D-Drucker
Der Wikipedia-Globus aus dem 3D-Drucker
(Foto: commons.wikimedia.org/Dmgultekin (CC BY-SA 3.0))

Gene Rodenberry war ein Visionär. Einige Technologien, die er vor Jahrzehnten für sein fiktionales Star-Trek-Universum erdachte, sind heute Alltag – etwa der Tablet-Computer oder das tragbare Telefon. Wenn auf der Enterprise ein Maschinenteil defekt ist, greift keiner zu Duranium-Block und Feile, um ein dringend benötigtes Maschinenteil zu bauen – er repliziert es einfach. Sucht den molekülgenauen Bauplan im Computer, programmiert ein paar Modifikationen und drückt auf Start. Innerhalb von Sekunden materialisiert sich im Replikator das gewünschte Teil.

Was ist 3D-Druck?

Bis 3D-Drucker in der echten Welt so weit sind, werden noch ein paar Jahre ins Land gehen, aber schon heute sind erstaunliche Dinge möglich: bewegliche Teile, die Kombination verschiedener Farben und Materialien oder sogar Ersatzteile für den menschlichen Körper aus lebenden Zellen. Der 3D-Druck ist ein generatives oder additives Fertigungsverfahren, bei dem in einem Urformungsprozess plastische Teile entstehen. Die Urformung minimiert Materialverluste gegenüber trennenden Fertigungsverfahren. Es handelt sich um die industrialisierte und massentaugliche Weiterentwicklung des Rapid Prototyping, bei dem ein Einzelteil entsteht, das unter realen Bedingungen und nicht nur in Computersimulationen auf seine tatsächlichen Eigenschaften hin untersucht wird.

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Der größte Vorteil des 3D-Druck besteht darin, fast jede denkbare geometrische Form automatisiert hergestellt werden kann. Dafür wird die gewünschte Form vom Modell oder frei per CAD digitalisiert. Der Computer schneidet das CAD-Modell in Schichten und übergibt die Informationen an den Drucker, der die Form schichtweise (deshalb additiv) aufbaut. Jede beliebige Struktur kann im Computer entworfen und in spanlos und ohne Fugen hergestellt werden; auch hochkomplexe Figuren, für die sonst mühsamer Handarbeit notwendig wäre.

Vorteile

Der 3D-Druck kann Zeit sparen, weil die Produktion nicht auf die Zulieferung von Teilen oder Werkzeugen warten muss: Benötigte Teile werden vor Ort hergestellt. Damit entfallen viele Transportwege, ausgedehnte Wartezeiten und auch die Notwendigkeit, kurzfristig benötigte Gegenstände in Lagern vorzuhalten. Indirekt lässt sich mit dem Konzept effizient arbeiten, wenn anstelle einzelner Exemplare Formteile gedruckt werden, die Grundlage einer Produktion im großen Maßstab werden.

Technisch werden unter dem Schlagwort 3D-Druck viele Methoden zusammengefasst. Sie alle haben gemein, dass am Anfang ein Computer und am Ende eine individuelle dreidimensionale Figur steht. Ansonsten ist die Bandbreite an Funktionsprinzipien sehr groß. In jedem Fall muss die formende Komponente mit Daten gefüttert werden, die ihr mitteilen, an welchen Stellen sie das Material auftragen oder verändern soll. Die Daten werden entweder in einer CAD-Software erstellt oder werden von einem angeschlossenen 3D-Scanner bereitgestellt. Die Verbindung von Drucker und Scanner ist sozusagen ein 3D-Kopierer. Der Scanner nimmt bereits vorhandene Formen ins Visier, tastet sie ab und bereitet die Daten auf. So werden exakte Kopien von Gegenständen oder aber Negativ-Teile hergestellt, die genau zu anderen passen, etwa dem menschlichen Körper in der Medizin.

Was ist kein 3D-Druck?

Viele Anlagen sind in Wirklichkeit gar keine 3D-Drucker, sondern eher Maschinen, die Handarbeit vollautomatisieren. Insbesondere wenn sie aus Legosteinen bestehen, sind sie eher nette Spielereien. Sie arbeiten im Prinzip wie ein Tintenstrahldrucker: Eine flüssige Substanz wird aus einem Tank in vordefinierter Form auf eine Fläche aufgebracht, wo sie aushärtet oder trocknet. Der figürliche Pancake oder das Nutellabild auf demselben sind also nicht bahnbrechend im Vergleich zu einer normalen Maschine, die schon seit Jahrzehnten Schokofäden in netten Mustern auf Pralinen gießt.

Selbst Papier und Folien werden verarbeitet, allerdings handelt es sich auch dabei nicht um einen tatsächlichen Druckvorgang, sondern eher wieder ein automatisiertes Verfahren: Beim Laminated Object Modelling (LOM) legt die Maschine die Schichten übereinander und ein Laser schneidet das Werkstück zu. Bei anderen Systemen werden verschiedene Materialien automatisch kombiniert. Der Lebensmittelriese Nestlé möchte seine Nespresso-Kapsel weiterentwickeln. Man plant dort eine Maschine mit dem programmatisch Namen „Iron Man“, die ihrem Besitzer seinen individuell zugeschnittenen Nährstoffmix zaubern soll.

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Disney, der Meister der Illusion, stellt eine Stickmaschine mit Computeranbindung als 3D-Drucker vor, die Teddybären produziert. Auch das T-Shirt zum Aufsprühen ist kein wirklicher 3D-Druck.

Die dritte Dimension

Echte 3D-Drucker sind davon Welten entfernt. Sie verarbeiten industrielle Rohstoffe: Metalle und Legierungen, Kunststoffe und Harze, aber auch Keramiken, was für die Zahntechnik interessant ist. Außerdem agieren echte 3D-Drucker tatsächlich in drei Dimensionen. Anders als beim platten Pfannkuchen wird der Materialauftrag in vielen Schichten wiederholt, wobei die einzelnen Schichten untrennbar verbunden werden. Das entstandene Werkstück ist wie aus einem Guss, obwohl das eigentlich zweidimensionale Druckverfahren in mehreren Schichten wiederholt wird.

Ausnahmen bestätigen hierbei die Regeln: Ein Kleid für Dita von Teese wurde in Einzelteile ausgedruckt und anschließend gefärbt, mit Schmucksteinen besetzt und zusammengefügt. Die einzelnen Bögen, die aussehen wie die Netze, in denen empfindliches Obst verkauft wird, stammen aber tatsächlich auch dem Drucker.

Die drei wichtigsten Verfahren

Fused Deposition Modelling (FDM)

Dieses Verfahren ist dem alltäglichen Drucken mit Tinte auf Papier sehr ähnlich. Gedruckt wird mit Thermoplasten. Das sind Kunststoffe, die unter Hitzeeinwirkung schmelzen und dann gut formbar sind. Sie werden als langes Band auf einer Spule in das Gerät eingesetzt. Das Band wird während des Drucks abgewickelt, erhitzt und zu einer beweglichen Düse transportiert. Sie gießt das Material an den vom Computer vorgegebenen Stellen auf die Oberfläche. Ist eine Schicht fertig, wird die nächste aufgetragen.

Am Ende des Verfahrens stehen Teile mit relativ grober Struktur, da die Schichtdicke verhältnismäßig groß ist. Die Teile müssen also gegebenenfalls händisch nachbearbeitet werden. Außerdem brauchen komplexere Formen mit überhängenden Teilen eine Stützkonstruktion, da das Material sonst einfach nach unten fließen würde. Manche Geräte gießen die Stützen gleich mit, bei anderen müssen sie vom Nutzer passgenau aufgestellt werden. Weil die Technik (ähnlich dem Nutelladrucker) recht einfach ist, gibt es Drucker mit FDM-Prinzip schon für kleines Geld für den Hausgebrauch.

Selektives Lasersintern (SLS)

Auch beim Lasersintern wird mit Hitze gearbeitet. Der große Unterschied zur FDM besteht darin, dass das Material in Pulverform flächendeckend auf einem Arbeitstisch verteilt wird. Zum Einsatz kommen Metalle, Kunststoffe und Mischungen aus beiden. Ein Laser fährt über die Fläche (oder die Arbeitsfläche wird entsprechend bewegt) und schmilzt das körnige Material an gewünschten Stellen an, sodass es verklebt. Ist eine Ebene fertig gesintert, wird eine neue Materialschicht aufgetragen. So baut der computergesteuerte Laser nach und nach die Figur auf.

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Weil das umgebende Pulver überhängende Partien trägt, ist keine Stützkonstruktion nötig. Das fertige Teil wird aus dem Pulver genommen und gereinigt. Je nach Material trägt eine thermische Endbearbeitung zur Stabilität bei. Die relativ raue Oberfläche kann mechanisch geglättet werden. Der nicht verschmolzene Rohstoff kann beim nächsten Stück wiederverwendet werden.

Eine Variante ist das Selektive Laserschmelzen (SLM), bei dem der metallische Ausgangsstoff vollständig geschmolzen wird. Durch die große Hitze hat das Material zu 99 Prozent die Eigenschaften des Ausgangsgranulats. Gleiches gilt für das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), das massive, lunkerfreie und sehr robuste Teile hervor bringt.

Stereolithographie (SLA)

Die Stereolithographie arbeitet mit besonderen Flüssigkeiten, den Photopolymeren. Sie härten bei Bestrahlung mit Licht aus. Das flüssige Kunstharz befindet sich in einem Becken mit einer höhenverstellbaren Plattform. Der Laser ist auf die Oberfläche gerichtet, wo er das Material punktgenau aushärtet. Ist eine Schicht fertig, fährt die Arbeitsfläche einige Millimeter herunter und weiteres Kunstharz wird aufgefüllt.

Auch bei diesem Verfahren werden gegebenenfalls Stützen für überhängende Teile benötigt, die sonst in der Flüssigkeit nach unten sinken müssten, solange sie keine Verbindung zum Hauptkörper haben. Wenn das Teil fertig ist, wird es aus der Flüssigkeit gehoben und gereinigt. Nach einer Feinbearbeitung wird das Material oft noch im UV-Ofen abschließend gehärtet.

3D-Druck für jedermann

Einfache 3D-Drucker arbeiten nach dem FDM-Prinzip und werden immer erschwinglicher. Schon für unter 1000 Euro gibt es Drucker oder Drucker-Bausätze im Fachhandel. Jeder Baster, der über ausreichende CAD-Kenntnisse verfügt, kann seinen eigenen Figurenpark drucken. Die Kosten für Geräte und Verbrauchsmaterialien befinden sich im Sinkflug. Enthusiasten sprechen schon von der Demokratisierung des 3D-Drucks.

Wer aber die Technik fürchtet, bestellt sein Unikat bei spezialisierten Firmen, die notfalls die Digitalisierung der Originalform übernehmen und das perfekt endbearbeitete Teil nach Hause schicken. So kann jedermann für relativ wenig Geld seine Lampe oder ein elektrisches Gerät retten, das sonst wegen fehlender Ersatzteile entsorgt werden müsste. Billiger wird’s, wenn man seine Figur hohl anlegt, da bei den meisten pro Kubikzentimeter Volumen abgerechnet wird. Anders das Plastikbaby. Vorfreudige Eltern, die 500 Euro übrig haben, können die Bilder ihres 3D-Ultraschalls ausdrucken lassen und ihr Baby bis zur Geburt als Miniatur bewundern.

Ist das Kind erst da, braucht es Platz. Bauen Sie Ihr neues Haus doch auch im 3D-Verfahren Contour Crafting. Flüssiger Beton wird direkt auf der Baustelle zu einem ganzen Haus gespritzt. Ein anderes Projekt stellt riesige Einzelteile in einer Art 3D-Druck her und setzt sie planvoll zusammen. In den Niederlanden steht ein Haus aus dem Drucker sogar für Besucher offen.

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Alles Öko oder was?

Vielleicht wird die westliche Welt also schon bald von noch mehr Plastik zugeschüttet, weil in jedem Haushalt ein 3D-Drucker jeden noch so kurzlebigen Wunsch erfüllt. Könnte man diesem Szenario vorbeugen, indem man die verwendeten Kunststoffe wenigstens wiederverwertet? Idealerweise steckt Hans Mustermann eine ausgediente Plastikflasche an einer Seite seines Druckers in einen Schacht und kann nach einigen Minuten gegenüber das selbstentworfene Spielzeug für seine Tochter entnehmen. Tatsächlich gibt es dieses Vor-Ort-Recycling schon für Büropapier, das danach eine sinnvolle Anschlussverwendung auf der Toilette findet.

Das Unternehmen 3DSYSTEMS verspricht, dass sein 3D-Drucker tatsächlich mit Reststoffen arbeitet. Die Realität ist leider nicht ganz so edel wie das Testimonial, der Rapper Will.I.am, es darstellt. In Wirklichkeit wird der Drucker mit einer Kartusche aus Kunststoff bestückt, der lediglich zu 25 Prozent aus recyceltem Plastik besteht. Das entspricht nur drei durchschnittlichen Wasserflaschen je Kartusche, die für mehrere kleine Gegenstände reicht. Das ist nicht viel, aber zumindest ein Anfang.

Die Macht in den Händen der Falschen

Jede Technologie ist nur so edel, hilfreich und gut wie die Menschen, die sie bedienen. Mit Sicherheit muss das Potenzial des 3D-Drucks reguliert werden, denn die ersten Schusswaffen wurden schon gedruckt. Militärs wollen den Waffenbau direkt am Einsatzort etablieren. Braucht die Truppe dort dringend eine bestimmte Waffe, wirft sie für einige Stunden den Drucker an, anstatt nach der Order tagelang abzuwarten.

Diese Möglichkeit passt einem jungen Amerikaner hervorragend in sein anarchisches Weltbild. Von staatlicher Regulierung hält er nicht allzu viel. Stattdessen fordert er das Recht auf eine Waffe für jeden Bürger. Um sein Projekt zu beschleunigen, hatte er 2013 kurzerhand einen Bauplan ins Internet gestellt, der in 3D-Drucker eingespeist werden kann. Die Knarre als Open-Source Projekt sozusagen. Zwar konnte die Regierung die Erstveröffentlichung löschen, wer aber intelligent danach sucht, muss feststellen, dass das Internet tatsächlich nichts vergisst.

Rosige Aussichten

Es tut sich sehr viel auf dem Gebiet. Neben der laufenden Forschung arbeiten viele Startups auf unterschiedlichen Ebenen an der Kommerzialisierung und Weiterentwicklung der Möglichkeiten. Denn die Aussichten sind gut. Die Technologie ist zwar schon mehr als 20 Jahr alt, macht aber erst jetzt deutliche Fortschritte, da die Drucker den Massenmarkt erreichen. Immer mehr Einsatzgebiete werden erschlossen. Industriell sind Rapid Tooling und Rapid Manufacturing auf dem Vormarsch: Werkzeuge oder gleich die Produktion selbst wird mit 3D bewältigt.

Die Bildungslandschaft zieht nach und schafft neue Studiengänge. In Würzburg und an drei weiteren führenden Universitäten der Welt wird der Master-Studiengang in Tissue Engineering geschaffen, der sich mit dem Einsatz von biologischen Geweben in der Medizin beschäftigt. Aussichtsreich sind auch Projekte, die auf die Nachbildung von Knochenteilen, Prothesen oder Zähnen mit herkömmlichen Materialien abzielen. Passgenaue Hörgeräte für die individuelle Ohranatomie oder individuelle Gipsverbände können den Tragekomfort erheblich verbessern.

Die Zukunft ganz nah

Einzig die Logistikbranche würde von der Durchsetzung des 3D-Drucks nicht profitieren. Dass sie gänzlich überflüssig würde, steht hingegen nicht zu befürchten, schließlich müssen die Materialien auch zum Drucker transportiert werden, solange das Materialrecycling nicht ebenso massentauglich ist. Dennoch könnte das Transportvolumen bei Fertigprodukten abnehmen. Davon profitierte immerhin die Umwelt.

Im April hat ein Forscher aus Taiwan eine mutige Voraussage gewagt, seinen wissenschaftlichen Aufsatz aber inzwischen zurückgezogen. Er hatte verkündet, dass es schon in 20 Jahren möglich sein werde, mit einem Drucker Moleküle zu erstellen. Der Drucker wäre mit reinen chemischen Elementen bestückt und könnte selbst komplexe Verbindungen etwa für Medikamente an praktisch jedem Ort der Welt herstellen.

Die benötigten riesigen Datenmengen dafür würden in einer Datencloud gespeichert und von einem beliebigen Computer aus abgerufen. Auch wenn der prognostizierte Zeitraum zu optimistisch ist, wird die Forschung früher oder später tatsächlich ein Gerät hervorbringen, das praktisch alles ausgeben kann. Wenn es so weit ist, können wir uns wirklich schon ein bisschen wie auf einem Raumschiff fühlen.

„Tee, Earl Grey, heiß."

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