3D-Druck

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Ein ORDbot Quantum 3D Drucker
Das Video zeigt komprimiert auf vier Minuten das ca. 30-minütige Drucken einer Kugel im Fused Deposition Modeling-Verfahren.

Ein 3D-Drucker ist eine Maschine (in einer Analogie „Drucker" genannt), die dreidimensionale Werkstücke aufbaut. Der Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken [1] und Metalle.

Der 3D-Druck ist ein Generatives Fertigungsverfahren.

Beschreibung

Umwandlung eines 3D Modells in einen druckbaren Gegenstand.
3D-Drucker der Bauhütte der Sagrada Familia zu Herstellung komplexer Modelle

Unter 3D-Drucken versteht man in erster Linie den Fertigungsprozess des Urformens.

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

3D-Drucker dienten zunächst vor allem der Herstellung von Prototypen und Modellen, dann der Herstellung von Werkstücken, von denen nur geringe Stückzahlen benötigt werden. So verwendet z. B. der Flugzeughersteller Boeing in dem Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile.[2]

Einige grundlegende Vorteile gegenüber konkurrierenden Herstellungsverfahren führten und führen zu einer zunehmenden Verbreitung der Technik auch in der Massenproduktion von Teilen. Gegenüber dem Spritzgussverfahren z. B. hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass das aufwendige Herstellen von Formen und das Formenwechseln entfällt. Gegenüber allen Material wegnehmenden Verfahren wie Schneiden, Drehen, Bohren hat das 3D-Drucken den Vorteil, dass der Materialverlust entfällt. Meist ist der Vorgang auch energetisch günstiger, weil das Material nur einmal in der benötigten Größe und Masse aufgebaut wird. Siehe hierzu auch: Schnelle Fertigung.

Die wichtigsten Techniken des 3D-Druckens sind das selektive Laserschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen [3] für Metalle und das selektive Lasersintern für Polymere, Keramik [4] und Metalle, die Stereolithografie und das Digital Light Processing für flüssige Kunstharze und das Polyjet-Modeling sowie das Fused Deposition Modeling für Kunststoffe und teilweise Kunstharze.

Die erreichbare Auflösung eines Kunstharz-Druckers betrug Ende 2012 z. B. 0,043 mm in x- und y-Richtung und 0,016 mm auf der z-Achse.[5]

Eine weitere Stärke des 3D-Drucks ist Möglichkeit sehr komplexe Formen aufzubauen, die mit existieren Maschinen schwer oder gar nicht herstellbar sind. So verwendet die Bauhütte der Sagrada Familia 3D-Drucker, um Modelle für die sehr anspruchsvollen architektonischen Formen von Antonio Gaudi anzufertigen. Dessen Gewölbe bestehen etwa aus großen Drehhyperboloiden mit dazwischen eingeschalteten hyperbolischen Paraboloiden.

Die Raumfahrtfirma SpaceX von Elon Musk etwa fertigt die kleinen SuperDraco-Raketentriebwerke mit je einem Schub von 16.000 Pounds (71.100 Newton), von denen 8 in deren Raumschiff Dragon V2 eingebaut werden, mit 3D-Druckern.[6] [7]

Geschichte

Der 3D-Druck wurde 1983 von dem US-Amerikaner Chuck Hull erfunden.[8] Hull hat seine 3D-Druck-Technologie als Stereolithografie bezeichnet und im Jahre 1986 die erste Patentanmeldung publiziert.

Multipler 3D-Druck

Meist arbeiten 3D-Druckmaschinen nur mit einem Werkstoff oder einer Werkstoffmischung und einem Druckverfahren. Versuchsweise wurden aber schon kombinierte Druckverfahren erprobt. So haben etwa Wissenschaftler der Cornell-Universität eine komplette Zink-Luft-Batterie aus mehreren Werkstoffen gedruckt.[9]

Das Drucken von Kunststoffen in unterschiedlichen Härtegraden und Farben ist inzwischen auch simultan möglich. Dies macht Prozesse, die bisher mehrere Fertigungsschritte benötigten, in einem Arbeitsgang durchführbar. So kann beispielsweise ein Objekt stellenweise mit gummiähnlichen Flächen stoßresistent gemacht werden.[10]

Mittels Drucks in 2 Komponenten von denen später eine, die nur vorübergehende Heftfunktion hat, etwa durch Wasser herausgelöst oder als loses Pulver aus Fugen geblasen[11] wird, lassen sich einander durchdringende Teil (z.B. Glieder einer Kette) oder formschlüssig verbundene doch drehbare (Paradebeispiel: Differentialgetriebe) oder verschiebliche (z.B. Kolben in Zylinder) herstellen.

Industrie

3D-Drucker der Bauart Lasersintern

Bekannte Hersteller von 3D-Druckern sind im Bereich

Anwendungsgebiete

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

  • Kunst und Design
  • Architektur
  • Modellbau
  • Maschinenbau
  • Automobilbau

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

  • Luft- und Raumfahrtindustrie
  • Medizin- und Zahntechnik
  • Verpackungsindustrie
  • Bioprinting

Heimanwendung

Wikipedia-Globus als 3D-Druck

3D-Drucker für Heimanwender sind bereits ab rund 200 US$ (2013) erhältlich. Die passende Software wird mitgeliefert oder kann heruntergeladen werden. Objekte wie kleine Spielzeuge, Schmuck oder Stiftebecher sind damit möglich. Strukturell komplexere, sehr belastbare Objekte und einwandfreie Kurven sind jedoch nur mit professionellen Druckern herstellbar. Unterschiede in Leistungen und Funktionen sind beispielsweise in der Verarbeitung erkennbar.[12] Angaben über Geschwindigkeit und Auflösung sind kein Garant dafür, wie effektiv das Gerät mit dem verwendeten Material arbeitet und zu welchen Leistungen die Hardware tatsächlich imstande ist.[13]

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.[14] 3D-Scanner wandeln beliebige Objekte in Daten um. Dies funktioniert bereits mit einer einfachen Webcam und einer speziellen Software. Auch hierfür werden Online-Dienste angeboten, die ein Objekt anhand von Fotos aus verschiedenen Perspektiven in eine Datei umwandeln.

Für den 3D-Druck gelten die Regeln des Urheberrechts, jedoch auch Patente und Gebrauchsmuster sind zu beachten.[15]

3D-Druck und Kunst

Auch in die Kunstwelt findet der 3D-Druck langsam seinen Weg. Immer mehr Künstler arbeiten mit dem Medium 3D-Druck und nutzen die gestalterischen Möglichkeiten für Ihre Kunst. Bildhauer oder andere Künstler, die Skulpturen bzw. dreidimensionale Objekte erschaffen, haben immer den Hintergedanken an die technische Machbarkeit. Der 3D-Druck erweitert hier nicht nur den Horizont, da auch komplexeste Formen möglich sind, sondern setzt auch wirtschaftlich ganz neue Maßstäbe, da die aufwändige Handarbeit bis ins letzte Detail nur noch am digitalen Objekt vorgenommen werden muss, der Drucker dann die Gedanken in die Realität umsetzt. Künstler wie Moto Waganari oder Jan Davidoff nutzen die Technologie bereits zu Erschaffung von 3D-Kunst Skulpturen. Mit Artshapes hat sich bereits ein Anbieter gefunden, der für Künstler eine Anlaufstelle in Sachen 3D-Druck und Vermarktung von 3D-Kunst darstellt.

Diskurs und Auswirkungen

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 Verlagerung von Produktionsprozessen zu den Konsumenten zu erwarten. Außerdem würden Innovationsprozesse deutlich beschleunigt.[16] Einige britische Wissenschaftler sehen die Technik sogar als Grundlage für eine dritte industrielle Revolution.[17] 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 Ausrufung einer weiteren industriellen Revolution für übertrieben.[18] 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.[19] [20]

Unmittelbare Änderungen könnten die neuen Technologien laut einer Stellungnahme der DHL für das Transportwesen bedeuten: „Wir spielen einige Szenarien durch, was die neue Technologie für uns bedeuten könnte. Aber dass dadurch die Logistikbranche überflüssig sein wird, ist sicher sehr überspitzt." ... „Wir überlegen etwa, wie die Rohstoffe zu den Druckern kommen. Außerdem könnte man sich auch als Plattform für Intellectual Properties positionieren. Aber wir marschieren noch nicht in die eine oder in die andere Richtung."[21] Die Möglichkeit, Formen digital zu verbreiten und zu reproduzieren, führt zu Diskussionen über zukünftige Lösungen für ein Copyright von 3D-Objekten.[12] Insbesondere Design, Architektur und Kunst könnten davon betroffen sein. Auch 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 erfolgreichem Abschluss dieser Testphase plant der britische Bildungsminister Michael Gove nun mit weiteren Investitionen von rund 500.000 Pfund für die Ausstattung von öffentlichen Schulen mit 3D-Druckern in Großbritannien.[22] Ziel der USA ist es, im Laufe des Jahres 2014 alle öffentlichen Schulen mit 3D-Druckern auszustatten.[23]

Siehe auch

Datei:Venus vom Hohlen Fels Replik.jpg
Die Venus vom Hohlefels ist eine etwa 35.000 Jahre alte Figur. Die hier gezeigte Replik wurde mittels eines 3D-Druckers der Bauart Stereolithografie hergestellt.

Literatur

  • Andreas Gebhardt: Rapid Prototyping - Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Auflage. Hanser Verlag, München 2002, ISBN 3-446-21242-6. 
  • Petra Fastermann: 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie - kompakt erklärt. 1. Auflage. Springer Vieweg, Berlin, Heidelberg 2012, ISBN 978-3-642-29224-8. 
  • Gregor Honsel: Rapid Manufacturing. 3D-Druck war bisher ein Verfahren für wenige Spezialanwendungen in der Industrie. Jetzt erobert es den Massenmarkt – und setzt einen Kreativitäts-Turbo in Gang. In: Technology Review. Heise Zeitschriften Verlag, Hannover 2011 (heise.de). 
  • Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe. RWTH, Aachen 1999. 
  • Jean-Pierre Kruth: Binding Mechanisms in Selective Laser Sintering and Selective Laser Melting. In: Rapid Prototyping Journal. 2002, ISSN 1355-2546 , S. 26 ff. 
Commons: 3D-Drucker  – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Kunst

Einzelnachweise

  1. ↑ Georg Pichler: TU Wien: Neue Herzpumpe aus dem 3D-Drucker
  2. ↑ Kristin Hüttmann: 3-D-Druck sprengt Grenzen herkömmlicher Fertigungsverfahren. (Memento vom 9. Juni 2013 im Internet Archive ) In Financial Times Deutschland , 23. Januar 2012.
  3. ↑ Koike, M., Martinez, K., Guo, L., Chahine, G., Kovacevic, R., and Okabe, T., "Evaluation of Titanium Alloy Fabricated using Electron Beam Melting System for Dental Applications, the Journal of Materials Processing Technology, 211(8): 1400–1408; Kovacevic, R. and Smith, P., "A New Capability for Advanced Precision Manufacturing – Freeform Printing in Three Dimensions", AMMTIAC (DoD Information Analysis Center sponsored by the Defense Technical Information Center), Quarterly, Vol. 3, No. 2, 2008
  4. ↑ A. Kindtner, M. Kindtner, W. Kollenberg: Realisierung keramischer Prototyping mittels 3D-Druck und Heißgießen. In: Werkstoffzentrum Rheinbach (PDF; 1,3 MB).
  5. ↑ Schallplatten aus dem 3D-Drucker. In: heise online , 21. Dezember 2012.
  6. ↑ Elon Musk bei der Vorstellung des Raumschiffs am 29. Mai 2014 ab Minute 8.30; http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=yEQrmDoIRO8
  7. ↑ http://www.golem.de/news/raumfahrt-spacex-stellt-wiederverwendbare-raumfaehre-dragon-v2-vor-1405-106828.html
  8. ↑ CNN:The night i invented 3D printing
  9. ↑ http://ccsl.mae.cornell.edu/research/sff/SFFBatteryFaster.wmv
  10. ↑ Multi-Material 3D Printing. In: Cornell Creative Machines Lab (englisch).
  11. ↑ http://www.youtube.com/watch?v=gRZzIhEuEHw 3D-Drucker Zprinter 650 Deutsche Präsentation, Zcorporation, fabtory.de, youtube-video von 26. März 2009
  12. ↑ a b HappyLab Wien, Interview mit Karim Jafarmadar vom 28. Juli 2013 auf thegap.at
  13. ↑ 3D - The Making of, auf thegap.at vom 29. Juli 2013
  14. ↑ heise.de: Über 3D Hubs Drucker weltweit teilen, 6. November 2013
  15. ↑ Auch beim 3D-Druck gelten Urheberrecht und andere Schutzvorschriften (Heise.de vom 19. Dezember 2013 11:58)
  16. ↑ Hendrik Send: Die dritte industrielle Revolution. In: Deutschlandfunk , 2. November 2012.
  17. ↑ A third industrial revolution. In: The Economist , 21. April 2012 (englisch).
  18. ↑ Julian Wolf: 3D-Drucker führen zu keiner Revolution. In: gulli.com, 2. März 2013, abgerufen am 4. März 2013.
  19. ↑ Defense Distributed": Plan für Plastikpistole aus dem 3-D-Drucker ist offline
  20. ↑ This file has been removed from public access at the request of the US Department of Defense Trade Controls. Until further notice, the United States government claims control of the information.
  21. ↑ „3D-Drucker nach dem Hype - Utopien und Praxis - Die Welt aus dem Drucker" auf thegap.at vom 29. Juli 2013.
  22. ↑ „New 3D printers to boost STEM and design teaching", auf gov.uk vom 19. Oktober 2013
  23. ↑ USA plant jede öffentliche Schule mit 3D-Druckern auszustatten, In: 3D-grenzenlos.de vom 14. November 2013
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