3D-Druck Eine Trendtechnologie verändert die Produktion

Individuell angepasste Hörgeräte, Kleinteile für Gasturbinen, Häuser oder gar menschliche Haut: Das alles lässt sich heute bereits mithilfe des 3D-Drucks herstellen. Die Trendtechnologie stellt die Logik der Produktion auf den Kopf – und ermöglicht in vielen Branchen schnellere, kostengünstigere und präzisere Fertigungsprozesse. Manche Experten prophezeien deshalb schon die nächste industrielle Revolution.

Als der Ingenieur Chuck Hull Mitte der 1980er Jahre den ersten 3D-Drucker erfand, trat er eine Entwicklung los, die damals wohl kaum abzusehen war: Er ebnete den Weg für eine ganz neue Art der Produktion. Wo Material bisher durch Bearbeitung verkleinert und geformt wurde, wird es beim 3D-Druck nach und nach ergänzt. Man spricht deshalb auch von additiver Fertigung: der Fertigung durch Hinzufügen.

Die schichtweise Erschaffung von Gegenständen kam zunächst hauptsächlich für die Herstellung von Prototypen zum Einsatz. Dank verbesserter Verfahren und neuer Materialien sind die Anwendungsgebiete der Technologie inzwischen jedoch weitaus vielfältiger. Die Spanne reicht dabei von Skulpturen und Werkzeugen, über Zahnkronen, bis hin zu Gebäudeteilen. Plastik kommt dabei ebenso zum Einsatz wie Keramik, Edelstahl, Titan oder Beton – und sogar mit organischem Material haben Forscher bereits gedruckt.

Vor allem in innovationsstarken Industriezweigen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der Medizintechnik sowie der Elektronikbranche gehört die additive Fertigung bereits zum Alltag. Insbesondere individuelle Einzelstücke und Kleinserien lassen sich mittels 3D-Druck inzwischen wirtschaftlicher produzieren als mit herkömmlichen Methoden. Doch wie funktioniert der 3D-Druck eigentlich genau? Was ist damit heute schon möglich? Was nicht? Und wie verändert die Technologie unsere Gesellschaft?

Schicht für Schicht – und immer anders
3D-Druckverfahren im Vergleich
Für den 3D-Druck können ganz unterschiedliche Technologien und Materialien verwendet werden. Eines aber haben alle Verfahren gemeinsam: Immer beginnt die Gestaltung eines Objekts am Computer. Und immer entstehen auf Grundlage eines digitalen Entwurfs Gegenstände Schicht für Schicht.

Die digitale Konstruktion eines Modells bildet die Basis für den Druckprozess.

Die digitale Konstruktion eines Modells bildet die Basis für den Druckprozess.

Dabei muss jede Schicht mit der darunterliegenden fest verbunden werden. Nur so bleibt das fertige Objekt später stabil. Eine Grundvoraussetzung für das Material ist deshalb, dass es erhärtet, geschmolzen oder geklebt werden kann. Das passiert mit einem Laser, einer Heizdüse oder einem Klebstoff.

Von flüssig zu fest
Die bisher am längsten erprobte 3D-Druck-Methode ist die sogenannte Stereolithografie. Bei dem Verfahren, das bereits in den 1980er Jahren erfunden wurde, ist das Ausgangsmaterial flüssig – zum Beispiel Wachs, Kunstharz oder flüssiger Keramik. Diese Flüssigkeit wird für den Druckvorgang in ein Bad gefüllt. Dort härtet ein Laser das Material schichtweise auf einer Trägerplatte.

Zu Beginn befindet sich diese knapp unterhalb der Oberfläche. Ist die erste Schicht vollendet, fährt die Platte ein kleines Stück nach unten. Über die bereits erhärtete Schicht fließt nun flüssiges Material – daraus entsteht die zweite Schicht. Diese Prozedur geht so lange weiter, bis das dreidimensionale Modell vollendet ist. Der größte Vorteil der Methode: Oberflächen werden damit besonders fein und glatt. Geräte und Materialien sind allerdings recht teuer.

Aus Pulver geschmolzen
Das Selektive Laser Sintering funktioniert genau anders herum: Hier wird aus fest zunächst flüssig. Kunststoff, Quarz oder Metall kommen für die Fertigung als Pulver zum Einsatz. Eine dünne Schicht davon wird zunächst auf einer Plattform verteilt. Ein Laser schmilzt das Pulver nun genau dort, wo die erste Schicht des Modells entstehen soll. Anschließend muss diese trocknen und hart werden. Es folgt eine weitere Schicht Pulver – und der Prozess geht von vorne los.

Wie die Stereolithografie auch, ist das Selektive Laser Sintering vergleichsweise kostspielig. Es lässt jedoch den Einsatz einer großen Vielfalt an Materialien zu und erlaubt die Fertigung komplexer und mechanisch belastbarer Modelle. Dafür muss man in Kauf nehmen, dass der Druck lange dauert und die Oberfläche der Modelle leicht rau bleibt.

Kunststoffmodell eines Dinosauriers mit Stützstruktur, entstanden via FDM-Verfahren.

Kunststoffmodell eines Dinosauriers mit Stützstruktur, entstanden via FDM-Verfahren.

Nach dem Stapelprinzip
Beim Fused Deposition Modeling (FDM) bildet drahtförmiges Material aus Kunststoff oder Wachs die Ausgangsbasis: das sogenannte Filament. Eine beheizte Düse verflüssigt diesen Draht nun nach und nach und trägt ihn in Form von feinen Schnüren schichtweise auf einer Fläche auf. Nach dem Stapelprinzip entsteht so das gewünschte Objekt. Beliebt ist dieses Verfahren vor allem, weil es sehr kostengünstig ist. Der Nachteil: Die Methode ist weniger präzise als andere Verfahren – und sie dauert sehr lange.

Die Bezeichnung 3D-Druck hat sich inzwischen für alle Verfahren der additiven Fertigung etabliert. Streng genommen heißt aber nur eine ganz bestimmte Methode so. Bei dieser wird eine dünne Schicht aus Kunststoff-, Gips- oder Keramikpulver mithilfe eines Bindemittels verklebt. Darauf folgt eine neue Schicht Pulver, die ebenfalls verklebt wird – und so weiter. Der 3D-Druck punktet vor allem in Sachen Geschwindigkeit. Selbst komplexe und farbige Modelle lassen sich damit schnell fertigen. Ihre Oberfläche bleibt allerdings leicht rau.

Industrielle Fertigung wie gedruckt
Rapid Manufacturing auf dem Vormarsch
Mitte der 1980er Jahre jubelt die Industrie über den ersten 3D-Drucker. Das neuartige Gerät soll von nun an die Produktentwicklung vereinfachen. Denn um bestimmte Ideen vor der Massenfertigung zu testen, setzen Hersteller oft auf Modelle und Prototypen. Dank 3D-Druckern können diese einzelnen Testprodukte schneller als jemals zuvor gefertigt werden – das Rapid Prototyping ist geboren.

Mittels additiver Fertigung kann Siemens schneller und flexibler Ersatzteile für Gasturbinen herstellen.

Mittels additiver Fertigung kann Siemens schneller und flexibler Ersatzteile für Gasturbinen herstellen.

Heute beschränkt sich die Anwendung des 3D-Drucks jedoch längst nicht mehr auf Prototypen. Auch Werkzeuge, Ersatzteile und sogar komplette Endprodukte entstehen inzwischen mithilfe additiver Fertigungsverfahren. Experten sprechen in diesem Fall vom Rapid Manufacturing. Serienmäßig gedruckte Teile werden unter anderem in Autos, Zügen, Flugzeugen oder Kraftwerken verbaut.

Brennerteile aus dem Drucker
Der Technikkonzern Siemens produziert mithilfe der Zukunftstechnologie in seinem Werk im schwedischen Finspong zum Beispiel Kleinteile für Gasturbinen, die in Kraftwerken auf der ganzen Welt gebraucht werden. Das kann eine Zerstäuberdüse sein oder der Kopf für einen Gasbrenner, der den Brennstoff im Gemisch mit Luft verfeuert und auf diese Weise die Schaufelräder antreibt. “Diese Brenner werden schon bald in der oberen Hälfte komplett im 3D-Drucker hergestellt”, sagt Andreas Graichen, Leiter des Expertenteams für additive Fertigung.

Normalerweise werden Teile für solche Komponenten aufwendig aus Metall gegossen – ein Prozess, der mit der Vorbereitung der Gussform mehrere Wochen dauern kann. Die 3D-Druck-Maschine schafft das bei kleinen Teilen in nur 48 Stunden, also beinahe auf Knopfdruck. Der Vorteil: Werden diese Teile kurzfristig für eine Reparatur gebraucht, kann der Hersteller schnell liefern und muss die Produkte trotzdem nicht massenweise auf Lager halten. Das spart Platz und Kosten.

Im-Ohr-Hörgeräte sind klein, unauffällig und müssen für den Träger individuell angepasst werden.

Im-Ohr-Hörgeräte sind klein, unauffällig und müssen für den Träger individuell angepasst werden.

Lukrativ für Einzelstücke und Kleinserien
Hinzu kommt: Auch Veränderungen am Design sind nur wenige Mausklicks entfernt. Außerdem lassen sich bisher unmögliche Formen und Konstruktionen schaffen, zum Beispiel ineinander verschachtelte Hohlkörper oder doppelwandige Strukturen mit Wabenfüllung. Irgendwann einmal will Siemens sogar ganze Turbinenschaufeln drucken. Bislang ist das nur mit Prototypen gelungen. Doch dem echten Einsatz halten sie noch nicht stand.

Kein Problem ist dagegen die Produktion sogenannter Im-Ohr-Hörgeräte. Für diese Produkte gehört der 3D-Druck inzwischen zum Standardverfahren – nicht nur bei Siemens. Der Grund: Jedes dieser Produkte muss individuell an den Gehörgang des Trägers angepasst werden. Die Herstellung von Formen und Fertigungsstraßen lohnt sich für solche Einzelstücke nicht. Das gleiche gilt für kleinere Serienproduktionen.

Gebäude aus dem 3D-Drucker
Wie die neue Technik den Hausbau revolutioniert
Die ESA will mithilfe von 3D-Druckern Gebäude auf dem Mond bauen.

Die ESA will mithilfe von 3D-Druckern Gebäude auf dem Mond bauen.

Die Europäische Raumfahrtagentur ESA denkt bereits in ganz großen Dimensionen: Sie will eine komplette Mondbasis mit 3D-Druckern bauen. Die Idee: Anstatt Unmengen von Bauteilen durch den Weltraum zu transportieren, könnte man Gebäude und andere Infrastrukturen einfach aus ohnehin auf dem Himmelskörper vorhandenen Materialien drucken – beispielsweise dem Mondregolith.

“Der 3D-Druck stellt eine potenzielle Möglichkeit dar, die von der Erde aus notwendige Logistik zu reduzieren und die Besiedlung des Mondes damit zu erleichtern”, sagt Scott Hovland von der ESA. Großformatige Drucker könnten nach den Berechnungen der Experten Bauraten von zwei bis 3,5 Metern pro Stunde erreichen und so innerhalb einer Woche ein komplettes Gebäude für die ersten Siedler erschaffen.

Auf dem Mond Fiktion – auf der Erde Realität
Bislang ist das zwar noch Zukunftsmusik. Denn Faktoren wie der Schutz gegen Mondstaub – sehr gefährlich, wenn er in die Atemwege gelangt – erfordern weitere Studien. Ein anderer Knackpunkt: Das 3D-Druckverfahren funktioniert am besten bei Raumtemperatur. Die Temperaturen auf dem Mond schwanken zwischen den Tagen und den zwei Wochen langen Mondnächten jedoch enorm.

Auf der Erde ist man allerdings bereits einen bedeutenden Schritt weiter. Schon heute entstehen hier Gebäudeteile aus einer Paste von Bauschutt, schnell trocknendem Zement und einem speziellen Härtungsmittel, die ein 3D-Drucker Schicht für Schicht aufbaut. In China entstand auf diese Weise bereits eine Luxusvilla, in Dubai das erste komplett aus dem Drucker gefertigte und tatsächlich genutzte Bürogebäude der Welt.

Das Bürogebäude in Dubai wurde komplett aus gedruckten Bauteilen errichtet.

Das Bürogebäude in Dubai wurde komplett aus gedruckten Bauteilen errichtet.

Schneller und billiger
Das 2016 fertig gestellte Haus ist 250 Quadratmeter groß und entstand in weniger als drei Wochen. Gefertigt wurden die Gebäudekomponenten mit einem sechs Meter hohen, 36 Meter langen und zwölf Meter breiten Drucker. Nur sieben Arbeiter setzten das Haus schließlich vor Ort aus den gedruckten Teilen zusammen.

Diese Zahlen verdeutlichen, welche Vorteile die neue Technologie auch im Bereich von Architektur und Hausbau bringt: Es lassen sich Zeit und Personalkosten einsparen. Außerdem reduziert das Verfahren den Materialaufwand: Herkömmliche Baustoffe wie Stein oder Holz sorgen für viel Abfall, weil sie erst in die richtige Form gebracht werden müssen. Beim 3-D-Druck wird dagegen nur das Material verwendet, das tatsächlich gebraucht wird. Damit ist die Methode auch für den Häuserbau in Schwellen- und Entwicklungsländern interessant, wo möglichst schnell und kostengünstig dringend benötigter Wohnraum geschaffen werden könnte.

Organe auf Knopfdruck?
3D-Druck in der Medizin
Immer mehr an Bedeutung gewinnt der 3D-Druck auch für die Medizin. Vor allem im Bereich der Zahnmedizin und Prothesentechnik hat sich das Verfahren bewährt. Zahnersatz, künstliche Hüftgelenke oder Knochen aus additiver Fertigung sind in vielen Laboren und Praxen keine Zukunftsvisionen mehr – sondern entwickeln sich allmählich zum Standardverfahren.

Für ein schönes Lächeln: Zahnersatz wird künftig immer häufiger aus dem 3D-Drucker kommen.

Für ein schönes Lächeln: Zahnersatz wird künftig immer häufiger aus dem 3D-Drucker kommen.

Ein Scan aus dem Computertomographen oder einem speziellen 3D-Scanner gibt dabei den Bauplan vor, nach dem die Implantate passgenau für den Patienten zugeschnitten werden. Zahnkronen & Co können damit besonders schnell hergestellt werden. Und sie werden präziser als beispielsweise durch Frästechniken. Experten sagen dem medizinischen 3D-Druck gerade angesichts der alternden Gesellschaft und dem damit steigenden Bedarf an Prothesen und Implantaten ein enormes Marktpotenzial voraus.

Haut aus dem 3D-Drucker
Doch nicht nur Körper-Ersatzteile aus Metall oder Keramik könnten künftig per Druckverfahren entstehen. Wissenschaftler gehen noch einen Schritt weiter: Sie drucken mit organischem Material und wollen in Zukunft auf Knopfdruck Muskeln, Organe und Hautstücke produzieren. Vielen Patienten könnte dann schneller geholfen werden. Denn sie wären nicht mehr ausschließlich auf Organspenden angewiesen. Auch als Ersatz für Tierversuche bei Kosmetik- und Arzneimitteltests könnten sich die Organe aus dem 3D-Drucker eignen.

Zellen statt Tinte: Mit diesem Spezialdrucker haben die Forscher menschliche Hautstücke produziert.

Zellen statt Tinte: Mit diesem Spezialdrucker haben die Forscher menschliche Hautstücke produziert.

Was klingt wie Science Fiction, ist zumindest teilweise schon Realität. Spanischen Wissenschaftlern um Juan Francisco del Cañizo von der Complutense Universität Madrid ist es im Januar 2017 gelungen, auf diese Weise funktionsfähige menschliche Haut zu erzeugen. Dafür trägt ein Spezialdrucker Zellen und Biomoleküle der verschiedenen Hautschichten nacheinander auf. Erste Versuche zeigen: Die Haut aus dem Biodrucker ist intakt und wächst problemlos an, wenn sie Mäusen transplantiert wird.

Von der Niere noch weit entfernt
“Die mittels Drucker erzeugte Haut war der normalen menschlichen Haut sehr ähnlich und nicht von auf herkömmliche Weise im Labor produzierten zweischichtigen Hautstücken zu unterscheiden”, berichtet das Team. Die europäischen Behörden prüfen den Spezialdrucker der Forscher bereits, damit die mit ihm erzeugte Haut später für Transplantationen zugelassen werden kann.

Allerdings: Bis solche Verfahren zum Alltag in den Krankenhäusern gehören und herkömmliche Methoden womöglich ersetzen, ist noch einige Forschung nötig. Funktionsfähige Nieren oder Herzen nach diesem Prinzip zu produzieren – davon sind Mediziner zum Beispiel noch weit entfernt.

Gelingt ihnen dieser Schritt, wäre das ein gewaltiger Durchbruch: “Wenn in 30 bis 50 Jahren Organe gedruckt werden könnten, wäre die medizinische Versorgung eine vollkommen andere als heute”, sagte der Innovations-Experte Markus Safaricz vom Industrieverband Spectaris vor Kurzem dazu in der ARD.

Auf dem Weg zur Fertigungsdemokratie
Wie wirkt sich der Trend auf Gesellschaft und Umwelt aus?
Der 3D-Druck krempelt schon heute viele Bereiche des Lebens um. Die Technologie verändert die Logik der Produktion und eröffnet zahlreiche neue Möglichkeiten. Doch wie wird sich der Trend in Zukunft fortsetzen? Und welchen Einfluss hat das auf unsere Gesellschaft?

Ebnet der 3D-Druck den Weg für die nächste industrielle Revolution?

Ebnet der 3D-Druck den Weg für die nächste industrielle Revolution?

Experten sprechen bereits von der nächsten industriellen Revolution. Sie glauben: Der 3D-Druck wird die Arbeitsteilung in unserer globalisierten Wirtschaft fundamental umwälzen. Die Technologie könnte in Zukunft nicht nur viel Personal überflüssig machen. Sie könnte die Produktion auch dorthin verlagern, wo der Endverbraucher ist. Güter ließen sich dann so kostengünstig vor Ort drucken, dass Billigproduzenten in Ländern wie China und exportorientierte Staaten wie Deutschland das Nachsehen haben.

Jeder wird zum Produzenten
Doch damit nicht genug: Womöglich drucken wir Verbraucher in Zukunft immer öfter selbst, was wir gerade brauchen. Der Kunde wird damit zum Produzenten. Schon heute lassen sich mit 3D-Druckern für den Heimbedarf allerlei praktische Dinge in den eigenen vier Wänden herstellen – von Dübeln, über Spielfiguren bis hin zu Ersatzteilen fürs Fahrrad.

Bislang ist das nur etwas für Liebhaber, weil die Verfahren weder kostengünstiger, noch schneller sind als der Gang zum Baumarkt, Kaufhaus oder Supermarkt – ganz im Gegenteil. Sobald sich das aber ändert, könnte sich unsere Gesellschaft zu einer Fertigungsdemokratie entwickeln, prognostizieren Fachleute.

Wer ständig Neues ausdrucken kann, produziert womöglich auch mehr Müll.

Wer ständig Neues ausdrucken kann, produziert womöglich auch mehr Müll.

Fragliches Umweltpotenzial
Der Vorteil: Diese Art der Herstellung spart Material und Ressourcen, sie reduziert Lagerhaltungs-, Transportkosten und Verpackungen. Davon könnte langfristig auch die Umwelt profitieren. Doch wie nachhaltig die Produktion künftig wirklich ist, hängt von vielen Faktoren ab. “Bei der Bewertung des Umweltpotenzials für den Klima- und Ressourcenschutz sind noch viele Fragen offen”, betonten Forscher des Öko-Instituts noch vor knapp zwei Jahren.

Werden bestimmte Rohstoffe für die Verfahren zum Beispiel verstärkt gebraucht? Wie viel Energie verbraucht die Herstellung der Ausgangsmaterialien für den Druck? Womöglich mehr als durch wegfallende Transportkosten eingespart wird? Und produzieren wir in Zukunft mehr Müll? Kritiker befürchten: Wir könnten Produkte kürzer nutzen und eher wegwerfen, wenn wir sie problemlos immer wieder neu “ausdrucken” können.

Quelle: Scinexx.de

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