Walter Tydecks

3D-Drucker

Die Fabrik der Zukunft: Kommt die Fabrik nachhause?
 

Druck einer Zahnbrücke
Druck einer Zahnbrücke mit dem Lasersinterverfahren

 

Beitrag für den Themenkreis Naturwissenschaft und Technik von 50plus aktiv an der Bergstraße am 22.10.2014 in Bensheim

 

Einleitung

Kommt die Fabrik nachhause? Von manchen Autoren wird vermutet, dass mit den 3D-Druckern eine dritte industrielle Revolution eingeleitet wird. Was kann gedruckt werden: Haushaltsgeschirr, Kleidung, Essen, Haushaltsgeräte oder einzelne Ersatzteile? Ein aktuelles Beispiel in Bensheim sind Produkte für Zahnärzte (Sirona). In diesem Beitrag sollen die Technik, die Möglichkeiten und die Zukunft der 3D-Drucker besprochen werden.

3D Druck Funktionsprinzip

Allgemeines Funktionsprinzip des Laser-Sinterns
Vorbereitend wird ein digitales Datenmodell des Bauteils erstellt. Mehrstufig wird auf einer frei beweglichen Druckfläche eine dünne Pulverschicht aufgetragen, mit einem Laserstrahl punktgenau gehärtet, bis von unten nach oben das dreidimensionale Objekt gedruckt ist. Abschließend wird das nicht verschmolzene, übrig gebliebene Material entfernt. Bildnachweis: EOS e-Manufacturing Solutions
Bei Hohlflächen z.B. innerhalb einer Kugel verbleibt das leichte Pulver in der Hohlfläche und stützt diese ab, oder es wird durch ein Loch entleert. In anderen Fällen wird das Druckobjekt in zwei oder mehrere Teile aufgeteilt, z.B. zwei Halbkugeln, die anschließend zusammengefügt werden.

Der 3D-Druck ist eine der wichtigsten neu entstehenden Technologien. Eine Übersicht dieser Technologien gibt das englisch-sprachige Wikipedia: Emerging Technologies. Das Marktforschungsinstitut Gartner hat für den IT-Bereich ein Modell zur Bewertung der Emerging Technologies entwickelt: Hype Cycles.

Der weltweite Umsatz von 3D-Druckern wird für 2014 auf 3,8 Mrd. Dollar geschätzt, eine Steigerung von 52% gegenüber 2013. Dennoch hat Gartner die hohen Erwartungen für die kommenden Jahre etwas zurückgenommen. 2013 wurden im Marktsegment der Geräte für Preise unter 100.000 $ ca. 55.000 Stück verkauft, davon in Westeuropa 14.000 (ITespresso 2013  ITespresso 2014).

Der Einsatz für den Endverbraucher ist noch begrenzt. Wer von sich selbst eine 15 cm große Skulptur aus einem 3D-Drucker erzeugen lassen will, zahlt dafür heute in einem Shop in Frankfurt 230 € (FAZ). Ein geschmacklich und gesundheitlich hochwertiges Stück Fleisch aus dem 3D-Drucker kostet dagegen derzeit noch 50.000 € ( Wikipedia ).

Es gibt eine stetig wachsende, über Internet verfügbare Menge von Vorlagen (Dateien), die wie ein Software-Load kopiert und ausgedruckt werden können. Beispiele von Lego-Steinen, Schachfiguren, Schmuck, Steckdosenschutz, Kabelhalter, Violinständer bis zu Brillengestellen zeigt das PC Magazin in der Ausgabe vom 11.8.2014. Heise Online vom 15.6.2013 nennt zahlreiche Datenbanken für 3D-Druck Objekte. Die Computer-Zeitschrift Chip hat einen umfassenden Test von Druckern mit Preisen zwischen 500 und 2.300 € veröffentlicht (Bestenliste, YouTube).

Einen ersten Überblick über 3D-Drucker gibt das 3Druck Magazin.

»Faszination an der Technologie: Die Vorstellung Produkte einfach Zuhause ausdrucken zu können, fasziniert viele Menschen und beflügelt den Trend noch weiter. Von der Maker- / Do It Yourself- / Open Source- Philosophie getragen und von Star Trek's Replicator fasziniert, entstand ein regelrechter Hype um diese Technologie. Manche sehen darin gar eine neue industrielle Revolution sowie eine Dezentralisierung und/oder Demokratisierung der Produktion» (3Druck Magazin).

Beispiele und Möglichkeiten

Das 3Druck Magazin listet die aktuell wichtigsten Einsatzbereiche auf:

2010 wurde von der Fraunhofer-Gesellschaft der Deutscher Zukunftspreis für den Druck eines künstlichen Elefanten-Rüssels vergeben: YouTube

Für den Mittelstand gibt es eine 3 Minuten-Einführung: Mittelstand-die-macher.de

Bei Arte wurde 2013 ein sehenswerter 30-minütiger Filmbeitrag gezeigt: YouTube

Großes Aufsehen erregte 2013 die Veröffentlichung eines Bauplans für eine Metall-Pistole, die mit einem 3D-Drucker gedruckt werden kann.

Die von Gartner entwickelte Grafik gibt eine sehr klare Übersicht über den Stand und die Geschichte des 3D-Drucks:

3D Drucker Hypo Cycle 2014

3D-Drucker Entwicklungszyklus nach Gartner

Quelle: Gartner)

Die Grafik ist am besten von rechts nach links zu lesen:

(1) Begonnen hat alles mit dem Prototyping: Das ist die Herstellung von Modellen für Produkte, die noch in der Entwicklung sind. Hier hat das 3D-Drucken volle Reife erreicht.

(2) Derzeit entstehen in allen Großstädten und über das Internet Studios, bei denen 3D-Erzeugnisse angefordert werden können. Professionell kann 3D-Druck bisher nur in größeren Firmen eingesetzt werden.

(3) Bei Heimanwendungen schlägt derzeit die überzogene Euphorie in Enttäuschung um. Die Privatkunden erkennen die Grenzen der von ihnen gekauften Drucker. Es wird einige Jahre dauern, bis sich der Markt voll entwickeln kann.

(4) In unterschiedlichen Bereichen entstehen zahlreiche Ideen für neue Anwendungen.

(5) Am Horizont tauchen rechtliche Fragen auf. Mit 3D-Druckern wird es sehr einfach möglich sein, vorhandene Geräte zu kopieren und per Druck zu vervielfältigen. Der Patentschutz ist umfassend infrage gestellt.

In Bensheim ist Sirona ein Beispiel, wie sich bereits heute 3D-Druck professionell einsetzen lässt. Die Realität sieht deutlich anders aus als manche Euphorie glauben lässt. Bevor darüber näher berichtet wird, sollen die wichtigsten Techniken der 3D-Drucker vorgestellt werden.

Technik

1985 bis 1991 entstanden drei verschiedene Technologien, aus denen die heute führenden Unternehmen für 3D-Drucker hervorgegangen sind. Sie sind in einem Punkt alle ähnlich: Das Produkt wird nicht subtraktiv aus einem festen Block herausgeschlagen (so wie ein Bildhauer aus einem Stück Marmor oder Holz seine Skulptur gestaltet), sondern schichtweise aufeinander gestapelt. Das spart enorm bei den Materialkosten.

Die unterschiedlichen Verfahren unterscheiden sich darin, ob flüssiges, schmelzfähiges oder pulverisiertes Material als Ausgangsstoff dient.

(1) 3D-Druck mit flüssigen Materialien. Stereolithografie Der US-Amerikaner Chuck Hull (* 1939) entwickelte 1984 das erste additive 3D-Druckverfahren. Flüssiger Kunststoff wird in ein Becken gefüllt und schichtweise mit einem Laserstrahl gehärtet. Das Verfahren wurde 1986 patentiert und wird über die von ihm gegründete Firma 3D Systems kommerzialisiert. 3D Systems ist einer der führenden Anbieter für 3D-Drucker (1000+ Mitarbeiter, Umsatz 2011 230 Mio $).

(2) 3D-Druck mit Pulver. Klebemittel werden ähnlich wie beim Tintenstrahldrucker auf ein Pulverbett gespritzt und härten es schichtweise aus.

3D-Druck mit Lasersintern oder Laserschmelzen. Das Verfahren wird seit 1991 entwickelt. Ein Pulverbett wird schichtweise von einem Laserstrahl überfahren und ausgehärtet. Für das Pulver können Keramik, Metalle, Glas als Material genutzt werden. Ein weltweit führender Anbieter ist die EOS bei München (rund 500 Mitarbeiter). 3D-Drucker von EOS sind z.B. bei Sirona in Darmstadt für das Drucken von Dentalprodukten für Zahnärzte im Einsatz.

(3) 3D-Druck mit geschmolzenen Materialien, Schmelzschichtung. Ein schmelzfähiges Material wird von einer Heizdüse verflüssigt und schichtweise wie mit einer Heißklebepistole auf eine Unterlage gespritzt, auf der es anschließend durch Abkühlen verfestigt. Das Verfahren wurde 1989 von Scott Crump als Patent angemeldet. Er vermarktet es über die Firma Stratasys (2011 530 Mitarbeiter und 484 Mio Umsatz). Dies Verfahren ist bis heute am stärksten verbreitet und wird sowohl von den Druckern genutzt, die privat gekauft werden können, als auch seit Ablaufen des Patents für RepRap, einem Open Source Hardware Projekt. 2013 hat Stratasys MakerBot erworben, einen der größten Hersteller für kleinere 3D-Drucker, das damit seine Beteiligung an der Open Source Hardware Richtung aufgab.

Deutlich anders arbeitet das Bioprinting. Beim Bioprinting werden wie aus einem Tintenstrahldrucker unterschiedliche Substanzen, die für den Aufbau von Zellen und Organen erforderlich sind, tröpfchenweise auf ein künstliches Gel gedruckt. Wie bei den anderen 3D-Druckverfahren wird Schicht für Schicht aufgebaut. Das Besondere beim Bioprinting ist, dass hier innerhalb des gedruckten Materials biologische Prozesse ausgelöst werden, wodurch erst das gewünschte Gewebe entsteht. Das soll Thema eines eigenen Beitrags werden.

3D-Druck in der Zahntechnik

Ein Anwendungsbereich von 3D-Druck ist die Dentaltechnik. Verschiedene Dentalfirmen bieten ihren Kunden 3D-Druck an. Ein führender Anbieter ist Sirona aus Bensheim. Der 3D-Druck ist ausgelagert an infiDent Services GmbH in Darmstadt. Der Ablauf erfolgt in folgenden Schritten:

Die Praxis zeigt, dass auch der 3D-Druck kein Selbstläufer ist. Das Kunststoffmodell weist ebenfalls Schrumpfungseigenschaften aus, die von der Größe und dem Material abhängig sind. Bei 3D Modellen kann das verbessert werden, indem hohle Modelle gedruckt werden. Im Ergebnis überwiegen eindeutig die Vorteile, doch können manuelle Nachbearbeitungen nicht ganz vermieden werden. Das Beispiel der Zahntechnik zeigt, dass derzeit ein professioneller Druck notwendig ist und noch nicht vollständig vom Kunden übernommen werden kann.

Dritte industrielle Revolution?

Maker-Bewegung

Ein Massenmarkt entwickelt sich unter der Bezeichnung »Maker-Bewegung«, »die man auch als Do-It-Yourself-Kultur mit dem Einsatz aktueller Technik beschreiben kann« (Wikipedia). Das ist eine neue Generation von Bastlern. Sie reparieren nicht nur beschädigte Teile, sondern versuchen so viel als möglich mit neuen Methoden selbst zu bauen und zu verbessern. 3D-Druck ist eine der wichtigsten Techniken. Im Juli 2014 fand dazu in Hannover eine eigene Messe statt (Heise). Die Maker vernetzen sich und tauschen Erfahrungen, Modelle, Anleitungen und druckbare Dateien aus.

Freie Hardware

RepRap: Wikipedia Ein Drucker, der sich selbst drucken kann, also replikativ ist. Beim Nachdruck des Druckers können Verbesserungen berücksichtigt werden, so dass sich der Drucker ständig weiter entwickelt. Die Blaupause ist nach dem Vorbild von Open Source allgemein zugänglich. Wer den Drucker zuhause für den Eigengebrauch einsetzt, ist in Europa von allen Patentrechten befreit.

Dezentralisierung

Die ökonomischen Konsequenzen sind noch nicht abzusehen. Zum einen wird die Produktion aus Billiglohnländern zurückverlagert, wodurch dort Arbeitsplätze verloren gehen, zum anderen können auch rückständige Länder mit einfachen Techniken unterschiedlichste Produkte herstellen. Das könnte zum Beispiel das Problem lösen, dass in unterentwickelten Ländern häufig Ersatzteile für defekte Komponenten fehlen.

»Interesse seitens Politik und Investoren: In jüngster Zeit erfährt diese Technologie auch einen Rückenwind seitens Politik und Investoren. Regierungen verschiedener Länder (darunter China, USA, UK und EU) sehen im der Additiven Produktionsformen eine Möglichkeit die Produktion wieder ins eigene Land zu bringen, Lohnkosten zu sparen oder die Innovationskraft zu steigern. Projekte und Forschungen rund um AM (Additive Manufacturing) wurden und werden von öffentlicher Hand und privaten Investoren gefördert» (3Druck Magazin).

Obama erwähnte die 3D-Drucker 2013 in seiner jährlichen Ansprache über die Lage der Nation »als die nächste Revolution in der Produktion«. Makerbot-Industries, ein Hersteller von 3D-Druckern, hat daraufhin vorgeschlagen, in USA alle Schulen mit 3D-Druckern auszustatten (3d-grenzenlos). Auch China zieht mit. Dort wurden Anfang 2014 an einem Tag 10 neue Hauser aus Bauschutt gedruckt. Der Markt ist in großer Bewegung. Die deutsche Position ist nicht schlecht. »Die Vorherrschaft über die Maschinen haben zumindest im industriellen Bereich deutsche Hersteller wie etwa SLM Solutions, Eos, Ex-One oder Concept Laser, die 2012 knapp 70 Prozent aller Maschinen hergestellt haben, die rund um den Globus verkauft wurden« (fazjob.net). Die Entwicklung wird von der Fraunhofer-Gesellschaft unterstützt, so von den Fraunhofer-Instituten für Produktionstechnik und Automatisierung in Stuttgart und für Lasertechnik in Aachen.

Rechtliche Fragen

Mit dem 3D-Druck stellen sich Fragen des Urheberrecht, Markenrecht und Designrecht. In aller Regel wird ein privater Gebrauch für unproblematisch gehalten (siehe z.B. Steffen Brunnenberg). Dies könnte sich möglicherweise im Zuge der Vereinbarungen des geplanten TTIP ändern.

Beispiele, die die Problematik verdeutlichen: Druck von Lego-Bausteinen, Ersatzteile für Markenartikel (z.B. Komponenten in Kühlschränken), Objekte in geschütztem Design (z.B. Flaschen im Coca-Cola-Format) oder Designer-Brillen.

Weiter müssen Fragen der Produkthaftung neu gestellt werden. Was geschieht, wenn sich jemand aufgrund eines falsch konstruierten oder fehlerhaft gedruckten Produkts verletzt?

Ein besonderer Fall ist die Verletzung des Waffenrechts. Mit 3D-Druck könnte die Beschaffung und Verbreitung von Waffen (von Pistolen bis zu Drohnen) unkontrollierbar werden.

Literatur und Links

3D-grenzenlos.de – Online-Magazin über 3D-Drucker; Link

3Druck Magazin; Link

Mathilde Berchen: Drucken in drei Dimensionen
in: Spektrum der Wissenschaft Juni 2014, S. 84-91

ddm Redaktion: Zahntechnische Modelle einfach ausdrucken? – Wenn es so einfach wäre
Generative Fertigungsverfahren im zahntechnischen Alltag, ein Besuch bei infiniDent Services GmbH in Darmstadt
in: ddm (digital dental magazin) 3 / 2014, S. 58-60; Link

Ernst & Young Studie: Deutsche Unternehmen führend beim Einsatz von 3D-Druck; 3Druck Com vom 25.7.2016

Frankfurter Allgemeine Zeitung Artikelübersicht

Handelsblatt Artikelübersicht

Heise Artikelübersicht

Thomas Isenburg: 3D-Drucker im Aufwind: Hype oder industrielle Revolution?
in: MM MaschinenMarkt 25 2013, S. 25-27; Link

Ökoinstitut Darmstadt: 3D-Drucker: Hype oder Chance?, Darmstadt 2013; Link

Martin Scheufens: Eine neue industrielle Revolution?
in: Spektrum der Wissenschaft Juni 2014, S. 92-95

Scinexx: Aus Pulver gebaut, Dossier zum 3D-Druck vom 24.6.2011; Link

Trends der Zukunft Artikelübersicht

Bildnachweis:

Druck einer Zahnbrücke mit dem Lasersinterverfahren: denttec mit einem Foto vom Hersteller EOS; Link

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