3D-Druck

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3D-Drucker

Der 3D-Druck (auch 3-D-Druck),[1] auch bekannt unter den Bezeichnungen additive Fertigung (englisch Additive Manufacturing, AM), generative Fertigung oder Rapid-Technologien,[2] ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) zu erzeugen.

Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (siehe CAD/CAM). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt.

Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken[3] und speziell aufbereitete Metalle.[4] Inzwischen wurden auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck von Teilen aus Kohlenstoff entwickelt. Obwohl es sich oft um formende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben (zum Beispiel Gussformen).

3D-Drucker werden in der Industrie, im Modellbau und der Forschung eingesetzt zur Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen, Endprodukten und für private Nutzung verwendet. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich, dem Baugewerbe sowie in der Kunst und Medizin.[5]

Beschreibung

Der Einsatz dieser Verfahren erfolgt bei der parallelen Fertigung sehr kleiner Bauteile in größeren Stückzahlen, für Unikate bei Schmuck oder in der Medizin- und Dentaltechnik sowie der Kleinserienfertigung oder Einzelfertigung von Teilen mit einer hohen geometrischen Komplexität, auch mit zusätzlicher Funktionsintegration.

Im Gegensatz zu Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren (Trennen) erhöht sich beim 3D-Druck die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie und sinkender benötigter Stückzahl.

Umwandlung eines 3D-Modells in einen druckbaren Gegenstand

In den letzten Jahren wurden die Anwendungsgebiete für diese Fertigungsverfahren auf weitere Felder ausgedehnt. 3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen (Rapid Prototyping), dann der Herstellung von Werkzeugen (Rapid Tooling) und schließlich von Fertigteilen (Rapid Manufacturing), von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. So verwendet zum Beispiel der Flugzeughersteller Boeing in dem Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile.[6] In Verbindung mit weiteren modernen Technologien wie zum Beispiel dem Reverse Engineering, dem CAD sowie heutigen Verfahren des Werkzeugbaus wird die Verfahrenskette innerhalb der Produktentwicklung auch als Rapid Product Development bezeichnet. Weiterhin wird durch die digitale Schnittstelle der 3D-Drucker und deren automatisierter Fertigungsprozesse eine dezentrale Produktion ermöglicht (

Cloud Producing

).[7] Einige grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik, auch in der Serienproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwändige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen Material abtragenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der zusätzliche Bearbeitungsschritt nach dem Urformen entfällt. Meist ist der Vorgang energetisch günstiger, insbesondere wenn das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Wie bei anderen automatisierten Verfahren ist je nach Anwendungsbereich eine Nachbearbeitung notwendig.[8] Weitere Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Bauteile auf einer Maschine gefertigt und komplizierte Geometrien erzeugt werden können.[9]

3D-Drucker der Bauhütte der Sagrada Família zur Herstellung komplexer Modelle

Die wichtigsten Techniken sind das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen[10][11] für Metalle und das Lasersintern für Polymere, Keramik[12] und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Layer Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze.

Die erreichbare Genauigkeit eines Kunstharz-Druckers betrug Ende 2012 bei der Positionierung 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.[13] Eine weitere Stärke des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, komplexe Formen aufzubauen, die mit anderen Maschinen schwer oder gar nicht herstellbar sind. So verwendet die Bauhütte der Sagrada Família 3D-Drucker, um Modelle für die sehr anspruchsvollen architektonischen Formen von Antonio Gaudí anzufertigen. Dessen Gewölbe bestehen etwa aus großen Drehhyperboloiden mit dazwischen eingeschalteten hyperbolischen Paraboloiden.

Kombinierte Verfahren ermöglichen die werkzeuglose Produktion von Mikrobauteilen, Fluidik und Mikrosystemen. Über Photopolymerisation werden auf Kunststoffen basierte Mikrobauteile hergestellt. Metallische und andere funktionelle Schichten werden direkt strukturiert und schichtübergreifend integriert. Elektronische Bauelemente wie Prozessoren, Speicherelemente, Sensoren, passive Bauteile und Energiespeicher werden im Stack oder lateral eingebaut und parallel kontaktiert.[14]

Die Raumfahrtfirma SpaceX von Elon Musk fertigt die Brennkammern für die Raketentriebwerke von Dragon V2 mit 3D-Druckern im Direct-Metal-Laser-Sintering-Verfahren.[15][16]

Ein Statusbericht der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) vom September 2014 zu 3D-Druck bzw. den additiven Fertigungsverfahren bietet eine allgemeine Orientierung.[17]

Innerhalb der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren stellen die 3D-Drucker die wichtigste Teilklasse der additiven, also aufbauenden Fabrikatoren dar.

Geschichte

1981 hatte Chuck Hull die Stereolithografie erfunden, und im Jahr 1983 wurde das Verfahren erstmals in die Praxis umgesetzt.[18] Das erste 3D-Konstruktionsprogramm ist seit 1985 erhältlich. Im darauffolgenden Jahr (1986) publizierte Hull die erste Patentanmeldung. Das Prinzip des Lasersinterns wurde 1987 von Carl Deckard (* 1961), Universität Texas, veröffentlicht.[19] Der erste 3D-Drucker konnte 1988 gekauft werden. Außerdem erfanden in diesem Jahr der Amerikaner S. Scott Crump und seine Frau Lisa das Fused Layer Modeling.[20] 1991 kam die erste Fused Layer Modeling-Anlage auf den Markt. Im Jahr 2000 wurde die Polyjet-Technologie von dem Unternehmen Objet (heute stratasys) eingeführt. Seit 2010 ist ein Fused-Layer-Modeling-Drucker für den Heimbedarf erhältlich. Parallel dazu hat sich das 3D-Siebdruckverfahren aus dem schon lange bekannten Siebdruck entwickelt.

Ab etwa 2018 wurden erste Versuche vorgestellt, Schallwellen zur Formgebung zu verwenden.[21] Forschende der Concordia-Universität stellten ein derartiges Verfahren erstmals 2022 als Direct Sound Printing (DSP) vor.[22]

Klassifizierung der Fertigungsverfahren

Auf dem Markt existieren zahlreiche 3D-Drucktechnologien, die diverse Materialien verwenden. Verschiedene Hersteller verwenden für ähnliche 3D-Drucktechnologien oftmals unterschiedliche Bezeichnungen. Laut aktueller Norm DIN EN ISO/ASTM 52900:2022-03[23][24] werden die Fertigungsverfahren in sieben Kategorien eingeteilt. Beispielhaft werden hier die elf in der VDI-Richtlinie 3405:2014-12 genannten additiven Fertigungsverfahren den Kategorien zugeordnet.[25][26] Darüber hinaus gibt es eine Vielzahl an etablierten und in Entwicklung befindlichen Verfahren. Diese sind in den jeweiligen Hauptartikeln aufgeführt. Einen Überblick über die Verfahren und die Klassifizierung gibt die Liste der Additiven Fertigungsverfahren.

Freistrahl-Bindemittelauftrag

Zu den Verfahren des Freistrahl-Bindemittelauftrages zählen die Additiven Fertigungsprozesse, bei denen ein flüssiges Bindemittel selektiv aufgetragen wird, um pulverförmiges Material zu verbinden.[23] In diese Kategorie fällt unter anderem das 3D-Drucken (auch Binder Jetting)[25][26]

Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung

Zum Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung zählen die Additiven Fertigungsprozesse, bei denen gebündelte thermische Energie genutzt wird, um Material, dort wo es aufgebracht wird, zu verbinden.[23]

Materialextrusion

Zur Materialextrusion zählen die Additiven Fertigungsprozesse bei denen Material selektiv durch eine Düse oder Öffnung abgelegt wird.[23] In diese Kategorie fällt unter anderem das Fused Layer Modelling.[25][26]

Freistrahl-Materialauftrag

Zu den Verfahren des Freistrahl-Materialauftrages zählen die Additiven Fertigungsprozesse, bei denen Rohmaterial in Form von Tropfen selektiv abgelegt wird.[23] In diese Kategorie fallen unter anderem das Poly-Jet Modelling und das Multi-Jet Modelling[25][26]

Pulverbettbasiertes Schmelzen

Zu den Verfahren des pulverbettbasierten Schmelzen zählen die Additiven Fertigungsprozesse bei denen thermische Energie selektiv Regionen eines Pulverbettes verbinden oder verschmelzen.[23] In diese Kategorie fallen unter anderem das Laser-Sintern, das Laser-Strahlschmelzen, das Elektronen-Strahlschmelzen und das Thermotransfer-Sintern.[25][26]

Schichtlaminierung 

Zu den Verfahren der Schichtlaminierung zählen die Additiven Fertigungsprozesse, bei denen Lagen (z. B. Platten) eines Materials verbunden werden um ein Bauteil zu formen.[23] In diese Kategorie fällt unter anderem das Layer Laminated Manufacturing.[25][26]

Badbasierte Photopolymerisation

Zu den Verfahren der badbasierten Photopolymerisation zählen die Additiven Fertigungsprozesse, in denen flüssiges Photopolymer in einem Behälter selektiv ausgehärtet wird, hervorgerufen durch eine Licht aktivierte Polymerisation.[23] In diese Kategorie fallen unter anderem die Stereolithografie und das Digital Light Processing.[25][26]

Weitere Kategorien

Kombinierte 3D-Druckverfahren

Meist arbeiten 3D-Druckmaschinen nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Versuchsweise wurden schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben Wissenschaftler der Cornell-Universität die Teile für eine Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gefertigt.[27] Eine ähnliche Anwendung ist das Fuel Cell Printing des Druckmaschinenherstellers Thieme GmbH & Co. KG aus Teningen, eine Art 3D-Siebdruck mit unterschiedlichen Materialien zur Herstellung von Brennstoffzellen, welche vergleichbar mit Batterien aus mehreren Schichten – wie etwa Isolierschichten und Membranen – aufgebaut werden.[28] Zu den Extrusionsverfahren zählt ein anderes kombiniertes Druckverfahren, die Faserverbund-Coextrusionstechnologie des Luxemburger Unternehmens Anisoprint. Mit einem speziellen – im ungehärteten Zustand niedrigviskosem – Polymer imprägnierte Fasern werden erwärmt, so dass die Polymere aushärten und eine feste, steife Substanz ergeben. Diese derart behandelten Verbundfasern werden zusammen mit Kunststoff durch eine Düse gezogen, so dass der Kunststoff die Fasern miteinander verbindet.[29]

Mehrkomponentenverfahren

Hewlett-Packard hat Ende Oktober 2014 einen 3D-Drucker mit der Multi Jet Fusion-Technologie vorgestellt. Bei diesem 3D-Druckverfahren werden auf das im Bauraum des 3D-Druckers liegende Pulver verschiedene flüssige Materialien (sogenannte Agents) aufgesprüht. Die konturierten Flächen – auf denen die Agents aufgetragen wurden – werden über eine Wärmequelle ausgehärtet. Um scharfe Konturen zu ermöglichen, wird ein weiterer Agent verwendet.

Das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben ist inzwischen simultan möglich. So können Prozesse in einem Arbeitsgang durchgeführt werden, wo bisher mehrere Fertigungsschritte benötigt wurden. Beispielsweise kann ein Objekt stellenweise mit gummiähnlichen Flächen stoßresistent gemacht werden.[30]

Mittels Drucks in zwei Komponenten, von denen später eine, die nur vorübergehende Heftfunktion hat, etwa durch Wasser herausgelöst oder als loses Pulver aus Fugen geblasen[31] wird, lassen sich einander durchdringende oder formschlüssig verbundene, doch drehbare oder verschiebbare Teile herstellen. Bei der Oberflächenbehandlung gibt es Überschneidungen mit anderen bzw. ähnlichen Verfahren.

Hybridverfahren

Außerdem werden Verfahren in Hybridmaschinen eingesetzt, die 3D-Druckverfahren beispielsweise mit spanabhebenden Verfahren kombinieren. Dazu gehören Maschinen, welche Laserauftragschweißen bzw. das Metall-Pulver-Auftragverfahren mit Fräsverfahren verbinden und die Bearbeitung eines Werkstückes in einer Aufspannung ermöglichen. Die Bearbeitung in einer Aufspannung bedeutet, dass das Werkstück nur einmal in der Maschine eingespannt/befestigt werden muss, obwohl es mit mehreren Werkzeugen bearbeitet wird. Jede Übergabe an ein anderes Spannwerkzeug kann mit dem Risiko verbunden sein, dass die geforderte Genauigkeit bzw. die zulässigen Toleranzen nicht mehr eingehalten werden.

Anwendungsgebiete

Lautsprechergehäuse aus 3D-Drucker

Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen der Herstellung von Modellen, Prototypen und Einzelstücken einerseits und der Serienfertigung andererseits. Klaudius Henke von der TU München kritisiert: „Der 3D-Druck macht nicht in jedem Fall Sinn, sondern vor allem dort, wo geometrisch komplexe Bauteile in kleinen Stückzahlen zu realisieren sind“.[32] Gleichzeitig ermöglichen additive Fertigungsverfahren neue Produkteigenschaften oder differenzierten Materialeinsatz und können dadurch zu Einsparungen oder Substitution von knappen Ressourcen wie etwa seltenen Erden führen. Damit können Produkte effizienter oder auch nachhaltiger hergestellt werden.[33]

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In folgenden Bereichen wird 3D-Druck zur Herstellung von Modellen, Prototypen und Einzelstücken eingesetzt:

  • Kunst und Design
  • Schmuck und Mode
  • Brillen
  • Architektur
  • Modellbau
  • Maschinenbau
  • FabLabs
  • Automobilbau
  • Bauverfahren (Contour Crafting)
  • Wissenschaftlichen Laboratorien
  • Fertigung von Ersatzteilen für den Eigenbedarf
  • Handwerk, z. B. Erstellung von Modellen für den Metallbau

In folgenden Bereichen wird 3D-Druck zur Serienfertigung eingesetzt:

  • Luft- und Raumfahrtindustrie[34]
  • Medizin- und Zahntechnik
  • Verpackungsindustrie
  • Bioprinting

Industrie

Gerät zum Lasersintern

Das Fused Deposition Modeling, welches Kunststoffe verarbeitet, ist bereits seit den 1990er Jahren kommerziell im Einsatz. Darüber hinaus kann eine breite Palette an Metallen und Legierungen für den 3D-Druck verwendet werden. Auf Grund der Komplexität der Geräte mit Laser, Galvo-Scannern und spezieller Materialanforderungen sind die Investitionen jedoch wesentlich höher als bei der Kunststoffverarbeitung. Neben den hohen Kosten gibt es noch weitere Hürden, die einer großflächigen industriellen Nutzung von 3D-Druckern entgegenstehen, wie zum Beispiel die teilweise noch unzureichende Qualität, eine niedrigere Produktionsgeschwindigkeit oder fehlendes Know-how der Unternehmen.[35]

Bekannte Hersteller und Anbieter sind im Bereich selektives Lasersintern/Selektives Laserschmelzen die Unternehmen Concept Laser, EOS, SLM Solutions Group; im Bereich Binder Jetting das Fraunhofer-Institut für Gießerei-, Composite- und Verarbeitungstechnik IGCV, oder das Unternehmen Voxeljet, 3D Systems (das vormalige Z-Corp-Verfahren firmiert seit Januar 2012 unter dem Namen 3D Systems). Ferner gibt es noch die Bereiche Elektronenstrahlschmelzen, Stereolithografie, Digital Light Processing, Polyjet-Modeling und 3D-Siebdruck.

Die ThyssenKrupp Marine Systems in Kiel entwickelten mit dem „Thyssen Krupp Tech Center Additive Manufacturing“ in Essen einen komplexen Steuerblock für Rohrleitungen. Ein solcher Muldensteuerblock ist nur halb so schwer wie aus der konventionellen Fertigung.[36]

Metallbasierte Additive Fertigung

Die additive Fertigung von Metallbauteilen kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Herstellung von Metallbauteilen entsteht das Metallbauteil mit vollwertigen Eigenschaften direkt durch den additiven Aufbau. Bei der indirekten additiven Fertigung wird durch den 3D-Druck lediglich ein Grünling erzeugt, der dann in Ofenprozessen entbindet und zum gewünschten Metallbauteil gesintert wird. Diese Prozesskette hat eine große Ähnlichkeit zum Metal Injection Moulding (MIM, konventionelles Fertigungsverfahren der Pulvermetallurgie).[37]

Polymerbasierte Additive Fertigung

In der Kunststoffverarbeitung haben die additiven Fertigungsverfahren ihren Ursprung. Bereits seit den 1980er-Jahren werden unterschiedliche Technologien eingesetzt und entwickelt. Besonders die Entwicklung von Prototypen aus Kunststoffen steht dabei im Vordergrund. Mittlerweile haben die kunststoffverarbeitenden Verfahren einen Reifegrad erreicht, der die Serienfertigung von Hochleistungspolymeren in zertifizierten Branchen, wie der Luftfahrt oder der Medizintechnik ermöglicht.[38]

Heimanwendung

Wikipedia-Globus als 3D-Druck

3D-Drucker für Heimanwender unterscheiden sich in der Arbeitsweise nicht grundsätzlich von professionell eingesetzten Geräten, unterliegen jedoch verschiedenen Einschränkungen, primär hinsichtlich der verarbeitbaren Materialien sowie der möglichen Baugrößen. Ganz überwiegend werden Drucker für Kunststofffilamente eingesetzt, zunehmend aber auch Drucker für UV-aushärtende Harze (Resin) in LCD-Technik.

Neben den auch bei 2D-Druckern wesentlichen Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Auflösung ist wichtig, welche Materialien verwendet werden können und wie sie verarbeitet werden. Die weit verbreiteten 3D-Drucker für die Heimanwendung (besonders die teil-autoreplikativen RepRap-Modelle) verwenden zum Großteil Polylactide (PLA) als Material, das sich auf Grund der relativ einfachen Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises besonders eignet. Daher unterstützen praktisch alle bekannten 3D-Drucker für die Heimanwendung diesen Materialtyp. PLA eignet sich sehr gut für Deko-Objekte, Anschauungsmodelle, Spielzeuge, Schmuck- oder Gebrauchsgegenstände, die keiner erhöhten mechanischen und thermischen Belastung ausgesetzt sind und die, da es weder dauerhaft wetterfest noch UV-stabil ist, nicht im Außenbereich eingesetzt werden.

Werden höhere Festigkeiten, Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit im Vergleich zu PLA gefordert, eignet sich der Einsatz von ABS. ABS ist allerdings schwerer zu verarbeiten als PLA, benötigt eine beheizte Druckplatte und hat einen höheren Schmelzpunkt von über 220 °C.[39]

Zunehmend wächst auch im Heimbereich die Verwendung technischer Kunststoffe wie ASA (Einsatz wie ABS, aber für den Außenbereich geeignet, da UV-beständig), PETG oder TPE/TPU (Flexfilamente). Andere technische Kunststoffe wie Polyamid (Nylon) oder Polycarbonat sind mit Druckern in Basisausstattung nicht verarbeitbar, da sie beispielsweise Drucktemperaturen über 250 °C, spezielle Druckbetten oder zwingend einen geschlossenen Bauraum benötigen.

Echter Metall-3D-Druck für die Heimanwendung ist derzeit wegen der erforderlichen Nachbearbeitungsschritte nicht üblich. Die für den Hobbybereich angebotenen „Metall“-Filamente weisen, ähnlich wie „Holz“- oder „Stein“-Filamente nur einen gewissen Anteil entsprechender Füllstoffe auf, um eine spezielle optische Anmutung zu erreichen.[40] Der Einsatz von glas- oder kohlefaserverstärkten Kunststoffen für mechanisch hochbelastbare Objekte ist auch mit Hobbydruckern möglich, allerdings verschleißen die üblichen Messingdüsen damit sehr schnell. Für viele Fabrikate sind Ersatzdüsen aus gehärtetem Stahl oder sogenannte Rubindüsen verfügbar.

Für den Modellbau reicht die Auflösung von Filamentdruckern gewöhnlich nicht aus.[8] Hier ist eher der Einsatzbereich der Resin-Drucker zu finden, die Detailauflösungen bis unter 20 µm erreichen können.

Fertige Modelle für den 3D-Druck in Form von CAD-Dateien können von Online-Tauschplattformen wie Thingiverse heruntergeladen werden. Bei der Verwendung von fremden Modellen ist zu beachten, dass auch für den 3D-Druck die Regeln des Urheberrechts gelten,[41] insbesondere bei Patenten und Gebrauchsmustern. Zeitgleich ist die Weiterentwicklung von Heim-3D-Druckern und deren Anwendung eng mit Open-Source-Hardware und freien Lizenzen verbunden.[42][43][44]

Es ist außerdem möglich, sein Objekt in einem FabLab ausdrucken zu lassen oder die CAD-Datei bei Online-Services hochzuladen und sich sein Produkt nach Hause liefern zu lassen. 3D-Scanner, um Objekte in Daten umzuwandeln, sind nicht immer erforderlich. Manchmal funktioniert das Erstellen des digitalen Modells bereits mit einer Webcam und einer speziellen Software. Es werden auch Online-Dienste angeboten, die ein Objekt anhand von Fotos aus verschiedenen Perspektiven in eine Datei umwandeln.

3D-Druck und Kunst

Auch in der Kunstwelt verbreitet sich die Nutzung von 3D-Druck.[45] Künstler kreieren mit Hilfe von 3D-Druckern Skulpturen, Reliefs und andere dreidimensionale Objekte. Künstler setzen die Technologie sowohl zur Erstellung von Prototypen als auch für die fertigen Kunstwerke ein. Hierbei kommen unterschiedliche Materialien zum Einsatz.[46] Der 3D-Druck erweitert das Spektrum, da auch komplexeste Formen möglich sind.[47]

3D-Druck in wissenschaftlichen Laboratorien

In biotechnologischen, chemischen und physikalischen Laboren wird der 3D-Druck angewendet, um Reaktionsgefäße, Messapparaturen und Minireaktoren geeigneter Geometrie zu erzeugen.[48] Beispielsweise werden Stopped-Flow-Kammern und Strömungsreaktoren für die Umsetzung von sehr kleinen Volumina im Bereich weniger Milliliter gedruckt. Über die Wahl der Geometrie der Mischkammer kann dabei teilweise das sich bildende Produkt gesteuert werden.[49] Bei dem 3D-Druck von Gefäßen mittels Fused Deposition Modeling besteht die Möglichkeit, Reaktanden während des 3D-Druckes in den inneren Hohlraum einzufüllen und so geschlossene Reaktionsgefäße zu erzeugen.[48][49] Durch den 3D-Druck von Objekten in Form der Geometrie von klassischen Küvetten und Messröhrchen z. B. für die UV/VIS, IR- oder NMR-Spektroskopie in einer Schutzgasatmosphäre können dabei empfindliche Reagenzien eingeschlossen und der Reaktionsverlauf ohne Probenentnahme mit verschiedenen Routinemethoden untersucht werden.[50] Auch in der naturwissenschaftlichen Ausbildung und Lehre werden 3D-gedruckte Modelle eingesetzt. Von besonderem Interesse ist dabei die maßstabsgetreue Wiedergabe der Realität. So können maßstabsgetreue Molekülmodelle in stereochemischen Vorlesungen zur Diskussion von Bindungslängen, Bindungswinkeln und deren Auswirkung auf die Molekülstruktur und Reaktivität herangezogen werden.[51]

Da alle die Dateien aller 3D-Druck-Modelle frei mit Fachkollegen geteilt werden können, befördert die Verfügbarkeit der Technologie zum Teil bedeutende Kosteneinsparungen.[52]

3D-Druck im Bauwesen

Eco-sustainable 3D printed house "Tecla".jpg
Datei:Sustainable 3D-printed house - Tecla.webm
Das Tecla-Öko-Haus aus einer Ton-Mixtur zum Stand 2021[53]

Die Idee zum Einsatz im Bauwesen entstand aus den Erfahrungen mit Fertighäusern. Damit kann ein Gebäude exakt nach der Computerzeichnung entstehen.[54] Weitere Vorteile können ein geringerer Arbeitsaufwand, geringere Baukosten, höhere Nachhaltigkeit, schnellere Produktion und verbesserte Ermöglichung eines Eigenbaus sein.[55][56][57] Es wird auch für zukünftige Projekte im All in Betracht gezogen.[58]

Normen und Richtlinien

Zu den additiven Fertigungsverfahren erstellt der VDI eine ganze Richtlinienfamilie (VDI 3405). Einige der Richtlinien wurden bereits von der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) veröffentlicht,[59] wie VDI 3405 Blatt 1.1 zur Qualifizierung von Pulvern für das Lasersintern von Kunststoffbauteilen (Polyamid 12/PA12), VDI 3405 Blatt 2.2 Materialkenndatenblatt für das Laserstrahlschmelzen von Bauteilen aus Nickellegierung (Inconel 718) oder VDI 3405 Blatt 2.3 zu Vorgehensweisen, Methoden und relevanten Kenngrößen zur Charakterisierung von Metallpulver. Zahlreiche andere Richtlinien befinden sich im Entwicklungsstadium oder es werden noch Projekte dazu durchgeführt.[60]

Das DIN hat am 13. Juli 2018 den Normenausschuss „Fachbereichsbeirat Additive Fertigungsverfahren“ im DIN-Normenausschuss Werkstofftechnologie gegründet, um die bisherige Arbeit in internationalen Ausschüssen der ISO und ASTM International im Bereich additive Fertigung zu stärken. So wurden bisher diverse internationale Normen ausgearbeitet, die sich mit dem Thema 3D-Druck befassen.[61]

Am 18. November 2019 wurde mit der DIN SPEC 17071 ein Leitfaden für qualitätsgesicherte Prozesse erstellt, der einheitliche Anforderungen an die additive Fertigung definiert. Dabei werden „alle qualitätsrelevanten Punkte wie die Mitarbeiter, die Dokumentation der Arbeitsschritte, die Infrastruktur und die Qualifizierung von Anlagen, Materialien und Prozessen“ in die Betrachtung einbezogen. Dadurch soll es auch kleinen und mittleren Unternehmen ermöglicht werden, „eine risikominimierte, industrielle Fertigungsreife aufzubauen“.[62]

Dateischnittstellen

3D-Dateiformate

Die Übergabe der 3D-Modelle von CAD zu 3D-Druck CAM findet meist über die STL-Schnittstelle statt. Da diese lediglich Informationen über die Geometriedarstellung abbildet, werden alternativ auch andere Dateiformate verwendet, um zusätzliche Informationen auszutauschen. Die Formate VRML und OBJ speichern zusätzlich zur Geometrie noch Farbinformationen. Das in der Norm ISO/ASTM 52915 definierte AMF-Format geht noch weiter und kann allgemeine Informationen wie Materialeigenschaften abbilden und erlaubt darüber hinaus die Möglichkeit, gekrümmte Flächen zu speichern.[63] Das jüngste gängige Format ist das 3MF-Format, auch dieses speichert Informationen zusätzlich zu den Geometrieinformationen. Das in der Norm ISO/ASTM 52915-16 definierte Format wurde vor allem bekannt durch die Einführung von Microsoft in seinem Betriebssystem Windows 8.1.

Schichtdateiformate

Da die 3D-Druckverfahren schichtweise arbeiten, müssen die 3D-Konstruktionsmodelle für den Fertigungsprozess in Schnittkonturen zerlegt werden.[63] Neben einer Vielzahl an proprietären Dateiformaten unterschiedlicher Anlagenhersteller, werden für den Austausch der Schichtinformationen die beiden Dateiformate CLI und SLC verwendet. Diese Dateien können im einfachsten Fall lediglich die Beschreibung der Konturen für jede Schicht enthalten oder aber darüber hinaus bereits Informationen zum Fertigungsprozess. Am ausgeprägtesten ist dies beim G-Code, der in einer speziellen Ausprägung im Bereich des Fused Layer Modeling eingesetzt wird.[64]

Besonderheiten einer 3D-Konstruktion

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Die Konstruktionsmöglichkeiten hinsichtlich Geometriefreiheit und Leistungsfähigkeit der Bauteile (z. B. mechanische Belastbarkeit), wahlweise auch erweitert um einen Leichtbauansatz oder eine Funktionsintegration, machen es wenig sinnvoll, eine konventionelle Konstruktion 1:1 mittels 3D-Druck herzustellen. Hier hat sich der Begriff „verfahrensgerechtes Konstruieren“ durchgesetzt.

Verfahrensgerechtes Konstruieren zielt auf drei Kernfelder ab:

  • digitale Geometrien mit Leichtbaupotential, Funktionsintegration und höherwertigen Leistungsmerkmalen.
  • digitale Strukturen (bionische Konstruktionen, selektive Dichten, Waben, Knoten, Gitter etc.).
  • digitale Materialien (neue Legierungen und Additive führen zu verbesserten Materialeigenschaften).

Ausgangsbasis ist eine CAD/CAX-Konstruktion, als Teil einer digitalen Prozesskette.

Ebenso sind hybride Ansätze aktuell Themen der Konstruktion. Beispiele sind Bauteile, die eine konventionell gefertigte Komponente aufweisen (als Gussteil oder als Zerspanungsteil), auf die eine 3D-Druck-Komponente aufgebracht wird. Die konventionelle Komponente wird unter Zeit- und Kostenaspekten für eine einfache Geometrie gewählt. Die 3D-Druck-Komponente ist dann die komplexere Geometrie (z. B. mit integrierten Kühlmittelkanälen). Ein Beispiel dafür ist die Schneidplattenbohrer QTD-Serie von Mapal.[65]

Ein anderer Ansatz ist die hybride Kombination von geformten Profilen und additiv hergestellten Knoten, wie beispielsweise bei der topologisch optimierten Rahmenstruktur (Spaceframe) des „EDAG Light Cocoon“ Autokonzepts.[66]

Das Ergebnis verfahrensgerechter Konstruktionen überrascht nicht nur optisch. Bionisch ausgelegte Leichtbauteile können durchschnittlich 20–30 % leichter ausgelegt werden als gefräste oder gegossene Bauteile. In einigen Fällen erreicht die potenzielle Gewichtsreduktion auch 60 % bis 80 %, wenn rechtwinklige Metallblöcke zu reinen Verbindungskörpern werden.

Wichtig ist auch, die Bauteilanforderungen hinsichtlich thermischer und mechanischer Eigenschaften zu erfassen und mit einer gezielt auf das Verfahren abgestimmten Konstruktion zu erschließen. Konkret bedeutet dies, dass die Teile nicht nur mehr können, sie sind auch leichter und weisen eine andere Geometrie auf.

Durch selektive Dichten können Bauteile gewünschte Elastizitäten (auch partiell) aufweisen. Die Kraftableitung im Bauteil kann wesentlich intelligenter und anwendungsbezogen ausgelegt werden. Insgesamt sind solche Bauteile leistungsfähiger.

Diskurs und Auswirkungen

Laut einer 2017 durchgeführten Umfrage des Digitalverbands Bitkom hat knapp jeder fünfte Bundesbürger (18 %) schon selbst einmal einen 3D-Druck angefertigt oder anfertigen lassen. Die meisten taten dies bei einem Dienstleister (9 %). 5 Prozent druckten auf einem eigenen 3D-Drucker, weitere 3 Prozent fertigten den 3D-Druck an ihrem Arbeitsplatz an.[67] Eine weitere Studie aus dem Jahr 2017 erachtete es als unwahrscheinlich, dass innerhalb der nächsten 10 Jahre 3D-Drucker großflächig zu Hause genutzt werden. Stattdessen werden sich 3D-Druck-Dienstleister zunehmend etablieren, die sowohl für Unternehmen als auch für Konsumenten 3D-Druckaufträge erfüllen.[35]

In der Wissenschaft hat parallel zur technischen Weiterentwicklung und der zunehmenden Verbreitung von 3D-Druckverfahren eine Diskussion über die wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Folgen dieser Entwicklung begonnen. Einige Forscher erwarten einschneidende Veränderungen im wirtschaftlichen Gefüge. Diese seien beispielsweise durch die Veränderung von Produktionsprozessen zu erwarten. Insbesondere ermöglichen es 3D-Druckverfahren Unternehmen, ihre Produkte in der Nähe ihrer Kunden zu fertigen, wodurch Lieferketten insgesamt agiler werden.[35] Außerdem würden Innovationsprozesse deutlich beschleunigt.[68] Einige britische Wissenschaftler sehen die Technik sogar als Grundlage für eine erneute sogenannte industrielle Revolution.[69] Kritiker dieser Annahme, wie der Mathematiker Hartmut Schwandt von der Technischen Universität Berlin, halten dem entgegen, dass die Prozess- und Materialkosten bei der individuellen Fertigung wesentlich höher seien als bei der Massenfertigung. Aus diesem Grund hält er die Bezeichnung „industrielle Revolution“ für übertrieben.[70]

Kritisiert wurde die Veröffentlichung von kostenlosen Bauplänen für den Druck einer Waffe im 3D-Verfahren durch Cody Wilson auf einer Internetseite. Die Baupläne mussten auf Druck des US-Verteidigungsministeriums wegen des Vorwurfs des Verstoßes gegen Waffen-Exportvorschriften von der Internetseite entfernt werden.[71]

Laut einer Studie des Instituts für ökologische Wirtschaftsforschung biete der mögliche Dezentralisierungstrend Chancen für Nachhaltigkeit. Die Studie kommt zu dem Ergebnis, dass wenn sich Netzwerke bilden, in denen Nutzer beginnen, zur Herstellung von Waren kollaborativ zusammenzuarbeiten, sich die bisher monopolisierte Welt der Produktion demokratisiere. Jedoch brauche es neue Protagonisten für Nachhaltigkeit, die die neuen Technologien so einsetzen, dass sie soziale und ökologische Vorteile erschließen. Die „Maker“-Bewegung, die auf Kreativität statt auf große Fabriken setzt, könnte eine wichtige Rolle spielen.[72]

Die Möglichkeit, Formen digital zu verbreiten und zu reproduzieren, führt auch zu Diskussionen über zukünftige Lösungen für ein Urheberrecht bzw. Patentrecht von 3D-Objekten.[73] Nach Ansicht von Kritikern verhindern Patente zum Beispiel die Entwicklung von Metall-3D-Druckern auf Basis der SLS-Technologie.[40] Insbesondere Design, Architektur und Kunst könnten davon betroffen sein. Als Bildungsinstrument wird der Einsatz der 3D-Drucker bereits an einigen Schulen erprobt. In Großbritannien wurden beispielsweise mehrere Schulen in einem Testprogramm mit einem 3D-Drucker ausgestattet. Nach dem erfolgreichen Abschluss dieser Testphase plante der britische Bildungsminister Michael Gove weitere Investitionen von rund 500.000 Pfund für die Ausstattung von öffentlichen Schulen in Großbritannien mit 3D-Druckern.[74]

Die deutsche Expertenkommission Forschung und Innovation verwies im Jahr 2015 darauf, dass „additive Fertigung die industrielle Produktion“ in Deutschland stärken kann, „sie empfiehlt, die Rahmenbedingungen für AF zu überprüfen und die Forschung in diesem Bereich systematischer als bisher zu fördern“.[75]

Optionen des 3D-Druckens

3D-Druck-Verfahren werden bisher vor allem dann eingesetzt, wenn geringe Stückzahlen, eine komplizierte Geometrie und ein hoher Grad der Individualisierung gefordert sind. Solche Bereiche sind unter anderem der Werkzeugbau, die Luft- und Raumfahrt oder medizinische Produkte.

Die Möglichkeiten und Potenziale der additiven 3D-Fertigung kann man an folgenden Themen und Beispielen aufzeigen:

  • Substitution: Klassische Fertigungsstrategien werden um 3D-Druck-Verfahren ergänzt – bestimmende Faktoren der Entscheidung lauten: Losgrößen, Kosten, Zeit und Qualitätsanforderungen oder Komplexität der Bauteile und Funktionsintegration.[76]
  • Ergänzung: Klassische und 3D-Druck-Strategien können verknüpft werden, siehe Hybridbauweise.[63]
  • Prototypenbau: In der Luft- und Raumfahrt mit den branchentypischen kleinen Stückzahlen, aber hoher Entwicklungstätigkeit hat ein 3D-Druck Ansatz zahlreiche Vorteile: Versuchsträger, Triebwerke oder metallische Baugruppen entstehen werkzeuglos und schnell. Die Entwicklungsgeschwindigkeit nimmt zu.[77]
  • Prothesen/Implantate: In der Medizintechnik ermöglicht der 3D-Druck die Fertigung originalgetreuer Modelle, Implantate und Prothesen. Dabei werden Kunststoffe, Metalle, Mineralien sowie Keramik verwendet, um unterschiedlichste Einsatzmöglichkeiten zu ermöglichen, wodurch sich die Erzeugnisse auch hinsichtlich der Qualität sowie Lebensdauer unterscheiden.
  • Steigerung der Wirtschaftlichkeit: Im Gegensatz zu Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren, also Trennen, erhöht sich bei 3D-Druck-Verfahren die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie.[78]
  • Paradigmenwechsel: In bestimmten Branchen ist der Paradigmenwechsel bereits vollzogen. Bei Entwicklungen in der Luft- und Raumfahrt wird aus Zeit- und Kostenüberlegungen das 3D-Drucken als Standard praktiziert.[79][80]
  • bedarfsnahe Fertigung (dezentral oder zeitlich): Die dezentrale Fertigung (Cloud Producing) und die Fertigung „on demand“ bieten zahlreiche Vorzüge in Bezug auf Kosten und CO₂-Emission. Speziell für die Luftfahrt ist es zukünftig möglich, Ersatzteile „on demand“ zu fertigen ohne Werkzeugvorhaltungen. Das revolutioniert die Logistikkonzepte der Luftfahrtbranche und reduziert die Revisionszeiten von Flugzeugen.[77]
  • Herstellungsprozesse können teilweise digital werden: Der Zahnarzt scannt das Gebiss mit einem Interoral-Scanner. Daraus entstehen CAD-Rohdaten, die in einem Dentallabor in Dentalimplantate umgesetzt werden.[63]
  • Varietäten- und Unikat-Option: Individuelle Produktlösungen (Unikate), Production-on-demand und größere Losgrößen sind keine Widersprüche. Production-on-demand verändert die Logistikkonzepte und Ersatzteilbevorratungen.[81]
  • Bionik und die Veränderungen von Konstruktionsstrategien: Die Geometriefreiheit sorgt für neue Produktideen. Leichtbauansätze und bionische Strukturen werden möglich.[76]
  • Werkzeuglose und formlose Fertigung, indem die CAD-Daten mit dem 3D-Drucker umgesetzt werden.[82]
  • Möglichkeit, sehr kleine Strukturen zu fertigen.

3D-Druck und Arbeitsschutz

Mögliche Emissionen aus 3D-Druckern und dadurch verursachte Gesundheitsbelastungen für Beschäftigte sind im Arbeitsschutz noch wenig erforscht. Erste Ergebnisse von Messungen im Produktionsbereich und an büroähnlichen Arbeitsplätzen zeigen, dass die inhalative Exposition gegenüber pulverförmigen Materialien unterhalb der Arbeitsplatzgrenzwerte (AGW) liegen können, sofern man staubmindernde Maßnahmen ergreift (Absaugung an der Entstehungsstelle, Kapselung). Die Ergebnisse von Staubmessungen entlang einer beispielhaften Prozesskette für das Laserstrahl-Schmelzen von Metallen lagen unter den AGW für A-Staub und für E-Staub.[83]

Es hat sich bei der Untersuchung zur inhalativen Exposition gegenüber Gefahrstoffen bei Laserstrahl-Schweißanlagen ergeben, dass die Konzentration von A-Staub und E-Staub nur in wenigen Fällen über dem Beurteilungsmaßstab (Maximale Arbeitsplatz-Konzentration der Deutschen Forschungsgemeinschaft) lagen. Untersucht wurden Anlagen zur additiven Fertigung, bei denen pulverförmige legierte Stähle und verschiedene pulverförmige Legierungen auf Basis von Nickel, Aluminium, Titan und Kupfer eingesetzt wurden.[84]

Bei der Untersuchung eines kommerziell erhältlichen Tischgeräts in einer Prüfkammer lagen die Messwerte der Stoffe aus der Gruppe der flüchtigen organischen Verbindungen (VOC) und der Aldehyde alle unter dem Innenraumrichtwert I (RW I) oder unter dem entsprechenden Leitwert 1. Kunststoffe wie Polyethylenterephthalat (PET) oder Polylactide (PLA), die bei ca. 210 °C verarbeitet werden, emittieren Teilchenzahlen im Bereich der ubiquitären Belastung. Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) und Nylon, die eine Verarbeitungstemperatur von ca. 250 °C erfordern, emittierten in dem Bereich, der an einer mehrspurigen Straße zu finden ist. Insgesamt lagen alle Partikelmesswerte unter dem Wert für die Vergabegrundlage für den Blauen Engel RAL UZ 205 „Bürogeräte mit Druckfunktion“.[85]

Generell muss beim Einsatz von 3D-Druckern auf ausreichende Belüftung und staubarmes Arbeiten geachtet werden. Zudem sollten sich 3D-Drucker in einem separaten Raum befinden, und man muss die jeweils zulässige maximale Erhitzungstemperatur einhalten.

Der Einsatz von 3D-Druckern in ausreichend belüfteten Räumen führt jedoch zu großen Temperaturunterschieden der einzelnen Filamentschichten. Infolgedessen kommt es bei einigen Kunststoffen wie ABS und Polycarbonat zu einem Materialverzug (auch Warping genannt). Darüber hinaus können sich die während des Schmelzvorgangs freigesetzten Partikel im Raum verteilen und an Oberflächen absetzen. Besondere Umsicht verlangt der Umgang mit 3D-Tischdruckern in Schulen.[86] Bei Metallpulvern ist zusätzlich der Explosionsschutz zu beachten.[87]

Ein 3D-Druckergehäuse kann dabei helfen, die Emissionen, von denen einer Studie zufolge ein gewisses Gesundsheitsrisiko ausgeht, zu senken.[88] Es gibt jedoch kaum Hersteller, die 3D-Druckergehäuse für private Einsatzzwecke anbieten. Die Firma PCPointer hat basierend auf mechanische Komponenten der MISUMI Europa GmbH ein Projekt zum Bau eines professionellen DIY-3D-Druckergehäuses für private Zwecke vorgestellt, das mit einem Filtersystem bestehend aus einem Carbon- und HEPA-Filter ausgestattet ist.[89][90]

Einen Überblick über die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Umwelt allgemein liefert ein Trendbericht des Umweltbundesamtes.[91]

Ausblick

Im Rahmen der Industrie 4.0 ist die Verknüpfung von Digitalisierung und 3D-Druck ein weiterer Meilenstein, der die Produktion erneut revolutionieren wird.[92]

Die jüngste Entwicklung zur Verbesserung der Aufbaugeschwindigkeiten ist die Multilaser-Technik, bei der 2, 4 oder mehr Laserquellen die Belichtung ausführen. Wesentlich für die Qualität des Bauteils ist jedoch nicht nur der rein quantitative Ansatz, sondern auch die Fehlerrate bei der Produktion. Hier spielen verschiedene Faktoren eine Rolle.[93]

Zur Veranschaulichung ein Vergleich der Aufbauraten, so wie sie von der Unternehmensberatung Roland Berger[94] 2013 erwartet wurden:

  • Jahr 2013 – 10 cm³/h
  • Jahr 2018 – 40 cm³/h
  • Jahr 2023 – 80 cm³/h

Es ergeben sich, bedingt durch den technischen Fortschritt, ansteigende Losgrößen, die wirtschaftlich gefertigt werden können. Die Lebenszykluskosten (z. B. für Werkzeugbereitstellung und -pflege) können sinken und die Fertigungsprozesse werden sicherer.[95] Die additive Fertigung verringert außerdem den Produktionsabfall und kann Hersteller so bei der Verwirklichung ihrer Nachhaltigkeitsziele unterstützen.[96]

Nur wenn das digitale, additiv aufgebaute Bauteil besser, leistungsfähiger, schneller verfügbar, leichter oder/und kostengünstiger ist, kann sich die 3D-Druck-Option am Markt durchsetzen.

Die Folgetechnologien bei 3D-Druckverfahren werden angewendet um die Bauteile zu veredeln:

Siehe auch

Literatur

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  • Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina, Union der deutschen Akademien der Wissenschaften, acatech – Deutsche Akademie der Technikwissenschaften: Additive Fertigung – Entwicklungen, Möglichkeiten und Herausforderungen. Halle an der Saale 2020, ISBN 978-3-8047-3636-8.

Rundfunkberichte

Weblinks

Commons: 3D-Drucker – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise und Anmerkungen

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