Erfolgsgeschichte 3D-Druck: Noch lange kein Ende in Sicht

Individuell angepasste Brillengestelle, Kleinteile für Gasturbinen, Häuser oder gar menschliche Haut: All dies lässt sich schon heute mithilfe eines 3D-Druckers produzieren. Die Trendtechnologie stellt die Jahrzehnte vorherrschenden Grundprinzipien auf den Kopf, sorgt sie doch in unterschiedlichsten Branchen für schnellere, preiswertere und genauere Fertigungsprozesse. So manch ein Experte sagt deshalb schon die nächste industrielle Revolution voraus. 

Als der Ingenieur Chuck Hull in den 1980er Jahren den wohl ersten 3D-Drucker entwickelte, legte er damit den Grundstein für eine Entwicklung, die zu damaligen Zeiten wohl kaum abzusehen war: Das Zeitalter einer ganz neuen Art der Produktion. Wo früher Material im Prozess der Bearbeitung verkleinert wurde, wird es beim 3D-Druck Schritt für Schritt ergänzt. Es ist nicht umsonst die Rede von additiver Fertigung. Einer Fertigung durch Hinzufügen. 

Die Entwicklung

Die schichtweise Erschaffung von Gegenständen fand zunächst überwiegend in der Herstellung von Prototypen seinen Platz. Dank optimierter Verfahren und neuer Materialien sind die Anwendungsgebiete und Möglichkeiten der 3D-Druck-Technologie heute deutlich umfassender. Es beginnt etwa bei der Erschaffung von Skulpturen und Werkzeugen, über Zahnkronen, bis hin zu kompletten Dächern und findet dort längst nicht sein Ende. Kunststoffe, aber auch Keramik, Edelstahl, Titan oder Beton sind heute geeignete Materialien für den 3D-Druck. 
Insbesondere in erfindungsreichen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik sowie der Elektronikbranche zählt die additive Fertigung bereits zum Tagesgeschäft. Erst kürzlich wurde ein 3D-Drucker auf die internationale Raumstation ISS geflogen. Er soll der Besatzung der ISS Ersatzteile bei Bedarf vor Ort, und selbst herstellen. Das ersetzt den aufwendigen Frachtverkehr von der Erde aus. 

Doch wie genau funktioniert denn nun ein solcher 3D-Drucker? Welche Möglichkeiten ergeben sich schon heute? Und wie verändert der 3D-Druck unsere Gesellschaft?

Der Verfahrensablauf

Es gibt unterschiedliche Verfahren des 3D-Druckes, eines haben aber alle gemeinsam: Erster Punkt ist immer die Gestaltung des zu druckenden Objekts am Computer. Auf der Grundlage eines digitalen Entwurfs entstehen die Druckerzeugnisse Schicht für Schicht.

Hierbei  muss jede Schicht mit der jeweiligen Schicht darunter fest verbunden werden, anderenfalls wird keine Stabilität erreicht. Für den 3D-Druck eignen sich daher nur Materialien, die erhärtet, geschmolzen oder geklebt werden können. Die geschieht regelmäßig mithilfe eines Lasers, einer Heizdüse oder einem Klebstoff.

Flüssig in fest

Die wohl am längsten praktizierte 3D-Druck-Methode ist die sogenannte Stereolithografie. Bei diesem Verfahren, entwickelt in den 80ern, ist das Ausgangsmaterial flüssig, etwa Wachs, Kunstharz oder flüssiger Keramik. Eben diese Flüssigkeit wird für den Druckvorgang in ein Bad gefüllt. Dort angekommen erhärtet ein Laser das Material schichtweise auf einer so bezeichneten Trägerplatte.

Anfangs befindet sich diese knapp unterhalb der Oberfläche. Ist die erste Schicht vollzogen, fährt die Platte ein Stück herunter. Über die nunmehr hart gewordene Schicht fließt nun wieder flüssiges Material, woraus eine zweite Schicht entsteht. Dies vollzieht sich so lange, bis das dreidimensionale Modell erschaffen ist. Durch dieses Verfahren Oberflächen werden damit besonders fein und glatt, die Anschaffung der Geräte und Materialien ist allerdings immer noch sehr kostenintensiv. 

Aus Pulver geschmolzen

Das Selektive Laser Sintering funktioniert im Grunde genau verkehrt herum: Aus dem im Ausgang festen Material wird zunächst flüssiges. Hier kommen Kunststoffe, Quarze oder Metalle für die Fertigung als Pulver zum Einsatz.

Von einem solchen Pulver wird zunächst eine dünne Schicht auf einer Plattform verteilt. Ein Laser bringt das Pulver nun genau an der Stelle zum Schmelzen, wo die erste Schicht des Druckmodells entstehen soll. Hierauf folgt eine Trocknung und Erhärtung. Anschließend folgen weitere Schichten des Pulvers, und der Prozess vollzieht sich von Vorne. 

Wie die Stereolithografie gilt auch das Selektive Laser Sintering als relativ kostspielig. Es lässt jedoch Raum für die Nutzung zahlreicher unterschiedlicher Materialien und ermöglicht die Fertigung komplexer und mechanisch strapazierfähiger Modelle. Allerdings sind die Druckprozesse beim Laser Sintering wesentlich zeitintensiver. 

Nach dem Stapelprinzip

Beim Fused Deposition Modeling (FDM) dient ein drahtförmiges Material aus Kunststoff oder Wachs als Ausgangsbasis, auch genannt Filament. Eine beheizte Düse verflüssigt diesen Draht und trägt ihn in kleinen Mengen (Schlieren) schichtweise auf einer Druckföäche auf. Nach dem Stapelprinzip entsteht so das gewünschte 3D-Objekt. Das FDM Verfahren gilt als sehr preiswert, hat aber auch einige Nachteile. Sie gilt als weniger präzise als andere Verfahren und braucht vergleichsweise lange

So viel zu den Verfahren: Was genau können wir im Bereich des 3D-Drucks noch erwarten und wie bestimmt und verändert das Verfahren unsere Lebensweise? Erfahren Sie weiteres zum Thema im nächsten Artikel in unserer Reihe zum 3D-Druck. Vielen Dank für´s Lesen!

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