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3D-Druck

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

Der 3D-Druck (auch 3-D-Druck)[1], auch bekannt unter den Bezeichnungen Additive Fertigung, Additive Manufacturing (AM), Generative Fertigung oder Rapid Technologien[2], ist eine umfassende Bezeichnung für alle Fertigungsverfahren, bei dem Material Schicht für Schicht aufgetragen und so dreidimensionale Gegenstände (Werkstücke) erzeugt werden. Dabei erfolgt der schichtweise Aufbau computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder festen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (siehe CAD). Beim Aufbau finden physikalische oder chemische Härtungs- oder Schmelzprozesse statt. Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken[3] und Metalle. Inzwischen wurden auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck von Teilen aus Kohlenstoff entwickelt.[4] 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 schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Daneben gibt es Anwendungen im Heim- und Unterhaltungsbereich sowie in der Kunst.


Inhaltsverzeichnis

BeschreibungBearbeiten

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.

 
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 z. B. der Flugzeughersteller Boeing in dem Kampfjet F-18 Hornet 86 Lasersinterteile.[5]

In Verbindung mit weiteren modernen Technologien wie zum Beispiel dem Reverse Engineering (Digitalisieren), 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).[6]

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 das 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.[7] Weitere Vorteile bestehen darin, dass unterschiedliche Bauteile auf einer Maschine gefertigt und komplizierte Geometrien erzeugt werden können.[8]

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

Die wichtigsten Techniken sind das Laserstrahlschmelzen und das Elektronenstrahlschmelzen[9][10] für Metalle und das Lasersintern für Polymere, Keramik[11] 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.[12] 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.[13]

Die Raumfahrtfirma SpaceX von Elon Musk fertigt die Brennkammern für die Raketentriebwerke von Dragon V2 mit 3D-Druckern im Direct-Metal-Laser-Sintering-Verfahren.[14][15]

Ein Statusbericht der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) vom September 2014 zu 3D-Druck bzw. den additiven Fertigungsverfahren bietet eine allgemeine Orientierung.[16]

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

GeschichteBearbeiten

1981 hatte Charles W. Hull die Stereolithographie erfunden, und im Jahr 1983 wurde das Verfahren erstmals in die Praxis umgesetzt.[17] Das erste 3D-Konstruktionsprogramm ist seit 1985 erhältlich. Im darauffolgenden Jahr (1986) publizierte Hull die erste Patentanmeldung. Das Prinzip des Lasersinterns wurde 1987 von Charles Deckard, Universität Texas, veröffentlicht. Der erste 3D-Drucker war 1988 käuflich zu erwerben. Außerdem erfanden in diesem Jahr der Amerikaner S. Scott Crump und seine Frau Lisa das Fused Layer Modeling. 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.[18] Parallel dazu hat sich das 3D-Siebdruckverfahren aus dem schon lange bekannten Siebdruck entwickelt.

Steigerung der WirtschaftlichkeitBearbeiten

Die Faktoren Aufbaugeschwindigkeiten und Losgrößen definieren die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit einer 3D-Druck Fertigung. Diese Faktoren verändern sich kontinuierlich durch den Stand der Technik.

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.[19]

Bei Losgrößen gelten folgende Faustregeln:

  • Stückzahl 1 bis ca. 1.000 pro Jahr: Die 3D-Druckverfahren sind typischerweise die wirtschaftlichste Option.
  • Stückzahl 1.000 bis 100.000 pro Jahr: Die Herstellung in einer Form aus Metall sollte durch 3D-Druckverfahren als eine mögliche Variante bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung berücksichtigt werden.
  • Stückzahl größer 100.000 pro Jahr: Eine besonders langlebige, aus Vollmaterial klassisch gefertigte Geometrie ist voraussichtlich am sinnvollsten.

Die Aufbaugeschwindigkeiten z. B. des selektiven Laserschmelzens entwickeln sich stetig nach oben. Gründe sind: Höhere Laserleistungen (wie z. B. 1-kW-Laserquellen oder der Einsatz multipler Laserquellen – Stichwort Multilaser-Technologie).

Zur Veranschaulichung ein Vergleich der Aufbauraten, so wie sie von der Unternehmensberatung Roland Berger[20] 2013 erwartet wurden:

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

Klassifizierung der FertigungsverfahrenBearbeiten

Auf dem Markt existieren zahlreiche 3D-Drucktechnologien, die diverse Materialien verwenden. Verschiedene Hersteller verwenden für ähnliche 3D-Drucktechnologien oftmals unterschiedliche Bezeichnungen. Laut aktuellem Normentwurf DIN EN ISO/ ASTM 52900 werden die Fertigungsverfahren in folgende Kategorien eingeteilt:

  1. Freistrahl-Bindemittelauftrag,
  2. Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung,
  3. Materialextrusion,
  4. Freistrahl-Materialauftrag,
  5. pulverbettbasiertes Schmelzen,
  6. Schichtlaminierung und
  7. badbasierte Photopolymerisation[21]

3D-DruckverfahrenBearbeiten

Laut VDI 3405 gehören zu den etablierten additiven Fertigungsverfahren:

Weitere 3D-Druckverfahren sind:

Manche dieser Verfahren – wie das Auftragschweißen, das Kaltgasspritzen oder die elektrophoretische Abscheidung – sind auch in der konventionellen Fertigung bekannt. Sie können jedoch durch Ansteuerung mit 3D-Daten in entsprechend gebauten Anlagen als 3D-Druckverfahren eingesetzt werden.

Kombinierte 3D-DruckverfahrenBearbeiten

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.[26]

MehrkomponentenverfahrenBearbeiten

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.[27] Die konturierten Flächen – auf denen die Agents aufgetragen wurden – werden über eine Wärmequelle ausgehärtet. Um scharfe Konturen zu ermöglichen, wird ein weiterer Agent verwendet.[28]

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.[29]

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[30] wird, lassen sich einander durchdringende oder formschlüssig verbundene, doch drehbare oder verschiebbare Teile herstellen.[31] Bei der Oberflächenbehandlung gibt es Überschneidungen mit anderen bzw. ähnlichen Verfahren.

HybridverfahrenBearbeiten

Außerdem werden Verfahren in Hybridmaschinen eingesetzt, die 3D-Druckverfahren beispielsweise mit spanabhebenden Verfahren kombinieren. Dazu gehören Maschinen der Firmen DMG Mori[32] und Hermle,[33] 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.

AnwendungsgebieteBearbeiten

 
Lautsprechergehäuse aus 3D-Drucker

Grundsätzlich ist zu unterscheiden zwischen der Herstellung von Modellen, Prototypen und Einzelstücken einerseits und der Serienfertigung andererseits:

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

  • Kunst und Design
  • Architektur
  • Modellbau
  • Maschinenbau
  • FabLabs
  • Automobilbau
  • Bauverfahren (Contour Crafting)
  • Wissenschaftlichen Laboratorien
  • Fertigung von Ersatzteilen für den Eigenbedarf

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

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

IndustrieBearbeiten

 
Gerät zum Lasersintern

Das Fused Deposition Modeling, welches Kunststoffe verarbeitet, ist bereits seit den 1990er Jahren kommerziell im Einsatz. Gegenwärtig werden 3D-Drucker, die Metall verarbeiten können, immer interessanter. Das liegt vor allem in der Tatsache begründet, dass sich so auch relativ einfach Bauteile herstellen lassen, die sich auf Grund der komplexen Geometrie (z. B. mit Hinterschnitten oder integrierten Kühlkanälen) nicht mit den konventionellen Fertigungsverfahren herstellen lassen. 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 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.

HeimanwendungBearbeiten

 
Wikipedia-Globus als 3D-Druck

3D-Drucker für Heimanwender ermöglichen die Herstellung von Objekten wie kleinen Spielzeugen, Schmuck oder Stiftebechern. Strukturell komplexere, sehr belastbare Objekte und einwandfreie Kurven sind nur mit professionellen Druckern herstellbar. Neben den auch bei 2D-Druckern wesentlichen Eigenschaften wie Geschwindigkeit und Auflösung ist bei 3D-Druckern wichtig, welche Materialien verwendet werden können und wie sie verarbeitet werden. Im Modellbau lässt die Qualität von „Billig-Druckern“ jedoch oft zu wünschen übrig.[7]

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.[36] 3D-Scanner, um Objekte in Daten umzuwandeln, sind nicht immer erforderlich. Manchmal funktioniert das bereits mit einer einfachen Webcam und einer speziellen Software. Es 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,[37] insbesondere bei Patenten und Gebrauchsmustern sowie im gewerblichen Gebrauch.

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.[38] Eine weitere Studie von Durach, Kurpjuweit und Wagner (2017) erachtet 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]

Die weit verbreiteten 3D-Drucker für die Heimanwendung (besonders RepRap-Modelle) verwenden zum Großteil Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) als Material, das sich auf Grund der sehr einfachen Verarbeitbarkeit und des günstigen Preises besonders eignet. Daher unterstützen praktisch alle bekannten 3D-Drucker für die Heimanwendung diesen Materialtyp. Werden höhere Festigkeiten, Hitzebeständigkeit und Langlebigkeit im Vergleich zu PLA gefordert, eignet sich der Einsatz von ABS besonders. ABS ist allerdings schwerer zu verarbeiten als PLA, benötigt eine beheizte Druckplatte und hat einen höheren Schmelzpunkt von über 220 °C.[39]

Metall-3D-Druck für die Heimanwendung ist derzeit noch nicht möglich. Lediglich bei Metallfolien gibt es erste Entwicklungen, um etwa Leiterplatten herzustellen. Darüber hinaus verhindern Patente die Entwicklung von Metall-3D-Druckern auf Basis der SLS-Technologie für den Hausgebrauch.[40]

3D-Druck und KunstBearbeiten

Die Kunstwelt nutzt zunehmend den 3D-Druck. Bildhauer oder andere Künstler, die Skulpturen und dreidimensionale Objekte erschaffen, müssen stets die technische Machbarkeit im Blick haben. Der 3D-Druck erweitert das Spektrum, da auch komplexeste Formen möglich sind. Die Technologie setzt neue Maßstäbe, da aufwändige Handarbeit bis ins letzte Detail am digitalen Objekt geplant werden kann und der Drucker dies in die Realität umsetzt. Die Arbeit des Künstlers konzentriert sich somit auf die digitale Vorarbeit am Computer und die Nachbearbeitung des vom Drucker erzeugten Objekts, beispielsweise im Rahmen einer Oberflächenbehandlung und -gestaltung.

3D-Druck in wissenschaftlichen LaboratorienBearbeiten

In biotechnologischen, chemischen und physikalischen Laboren wird der 3D-Druck angewendet, um Reaktionsgefäße, Messapparaturen und Minireaktoren geeigneter Geometrie zu erzeugen.[41] 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.[42] 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.[41][42] 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.[43]

3D-Druck im BauwesenBearbeiten

Beim Hausbau können Roboter mit Hilfe von Beton den Rohbau erstellen. Das geht sehr schnell und sehr kostengünstig.

Normen und RichtlinienBearbeiten

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[44], 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.[45]

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.[46]

DateischnittstellenBearbeiten

3D-DateiformateBearbeiten

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.[47] 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.

SchichtdateiformateBearbeiten

Da die 3D-Druckverfahren schichtweise arbeiten, müssen die 3D-Konstruktionsmodelle für den Fertigungsprozess in Schnittkonturen zerlegt werden.[47] 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.[48]

Besonderheiten einer 3D-KonstruktionBearbeiten

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.[49]

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.[50]

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 (Beeinflussung des E-Moduls). Die Kraftableitung im Bauteil kann wesentlich intelligenter und anwendungsbezogen ausgelegt werden. Insgesamt sind solche 3D-Bauteile leistungsfähiger.

Diskurs und AuswirkungenBearbeiten

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.[51] Einige britische Wissenschaftler sehen die Technik sogar als Grundlage für eine erneute sogenannte industrielle Revolution.[52] 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.[53]

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.[54]

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 oder eine Renaissance des Do-it-Yourself.[55]

Die Möglichkeit, Formen digital zu verbreiten und zu reproduzieren, führt zu Diskussionen über zukünftige Lösungen für ein Urheberrecht bzw. Patentrecht von 3D-Objekten.[56] 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.[57]

Optionen des 3D-DruckensBearbeiten

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3D-Druck Verfahren werden 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.[58]
  • Ergänzung: Klassische und 3D-Druck Strategien können verknüpft werden, siehe Hybridbauweise.[47]
  • 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.[59]
  • 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.[60]
  • Paradigmenwechsel: In bestimmten Branchen ist der Paradigmenwechsel bereits vollzogen. Bei Entwicklungen in der amerikanischen Raumfahrt wird aus Zeit- und Kostenüberlegungen das 3D-Drucken als Standard praktiziert.
  • Lebenszykluskosten und Produktionskosten: Die Kosten für einen Produkt-Lebenszyklus können bei einer 3D-Druck Strategie tendenziell niedriger ausfallen; bei den Produktionskosten kommt es auf die Losgröße an, welche Technologie vorzuziehen wäre
  • 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[59]
  • die gesamte Prozesskette wird digital: Der Zahnarzt scannt das Gebiss mit einem Interoral-Scanner. Daraus entstehen CAD-Rohdaten, die in einem Dentallabor in Dentalimplantate umgesetzt werden.[47]
  • Varitäten- und Unikat-Option: Individuelle Produktlösungen (Unikate), Production-on-demand und größere Losgrößen sind keine Widersprüche. Production-on-demand verändert die Logistikkonzepte und Ersatzteilbevorratungen.[61]
  • Prozessrisiko sinkt tendenziell: Der Anwender einer Laserschmelzanlage hat eine vergleichsweise prozessstabile, dokumentationsfähige und validierte Anlage, die durch den digitalen Ansatz ein geringeres Fehlerrisiko gegenüber konventionellen Verfahren erwarten lässt.
  • Bionik und die Veränderungen von Konstruktionsstrategien: Die Geometriefreiheit sorgt für neue Produktideen. Leichtbauansätze und bionische Strukturen werden möglich.[58]
  • Werkzeuglose und formlose Fertigung, indem die CAD-Daten mit dem 3D-Drucker umgesetzt werden.[62]
  • Möglichkeit sehr kleine Strukturen zu fertigen.[63]

3D-Druck und ArbeitsschutzBearbeiten

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).[64]

So 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.[65]

Auch bei der Untersuchung von Anlagen zur Kunststofferzeugung sowie an Tischgeräten bei büroähnlichen Arbeitsplätzen waren alle Stoffe und die Konzentration der A- und E-Stäube unauffällig bzw. unter der jeweiligen Bestimmungsgrenze.

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. Bei Metallpulvern ist zusätzlich der Explosionsschutz zu beachten.[66]

Einen Überblick über die Auswirkungen des 3D-Drucks auf die Umwelt allgemein liefert ein Trendbericht des Umweltbundesamtes.[67]

AusblickBearbeiten

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Das 3D-Drucken zählt zu den Eckpfeilern des Ansatzes der Industrie 4.0.

Es ergeben sich, bedingt durch den technischen Fortschritt, ansteigende Losgrößen, die wirtschaftlich gefertigt werden können. Höhere Losgrößen werden durch die Option individueller Produkte in einem Schuss (one shot) ergänzt. Die Lebenszykluskosten (z. B. für Werkzeugbereitstellung und -pflege) können durch eine additive Fertigung sinken. Die additive Fertigung unterstützt Hersteller bei der Verwirklichung ihrer Nachhaltigkeitsziele.

Digitale Produkte treten in einen Wettbewerb mit analogen Produkten. Aber 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.

Ergänzende VerfahrenBearbeiten

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

  • Hybridisierung mit anderen Materialien (zum Beispiel Kohlenstofffasern) oder anderen Halbzeugen (Rohren, Platten, …)

Siehe auchBearbeiten

 
Die Venus vom Hohlefels ist eine etwa 35.000 Jahre alte Figur. Das hier gezeigte Replika wurde mittels eines 3D-Druckers der Bauart Stereolithografie hergestellt.

LiteraturBearbeiten

  • Den Stand der Technik von 2014 vermittelt der VDI Statusreport AM 2014.
  • Andreas Gebhardt: Generative Fertigungsverfahren – Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion. 4., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Hanser, München 2013, ISBN 978-3-446-43651-0.
  • Berger, Hartmann, Schmid: 3D-Druck – Additive Fertigungsverfahren – Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing. 2. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2013, ISBN 978-3-8085-5034-2.
  • Martina Reinhardt: 3D-Druck für Einsteiger. Alles, was Hobbyanwender wissen müssen. Deutscher Drucker Verlagsgesellschaft, Ostfildern 2014, S. 60 (online).
  • Stefan Nitz: 3D-Druck – Der praktische Einstieg. Galileo Press, Bonn 2014, ISBN 978-3-8362-2875-6, S. 324.
  • Peter König: Einführung für Einsteiger: So funktionieren 3D-Drucker. Der Spiegel, Hamburg 2014 (online).
  • 3D-Druck (C’t-Sonderheft). Heise, Hannover 2014, S. 124.
  • Andreas Gebhardt: Rapid Prototyping – Werkzeuge für die schnelle Produktentstehung. 2. Auflage. Hanser, München 2002, ISBN 3-446-21242-6.
  • Petra Fastermann: 3D-Druck/Rapid Prototyping: Eine Zukunftstechnologie – kompakt erklärt. 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, Hannover 2011 (online).
  • Wilhelm Meiners: Direktes Selektives Laser Sintern einkomponentiger metallischer Werkstoffe (= Berichte aus der Lasertechnik). Shaker, Aachen 1999, ISBN 3-8265-6571-1 (Zugleich Dissertation an der 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.
  • Ian Gibson, et al.: Additive manufacturing technologies : 3D printing, rapid prototyping, and direct digital manufacturing. New York, Springer 2015, ISBN 978-1-4939-2112-6.
  • Dries Verbruggen, Claire Warnier (Hrsg.): Dinge drucken. Wie 3D-Drucken das Design verändert. Aus dem Englischen von Cornelius Hartz, Berlin 2014, ISBN 978-3-89955-529-5.
  • Dr. Andreas Leupold, Silke Glossner (Hrsg.): 3D Printing. Recht, Wirtschaft und Technik des industriellen 3D-Drucks , München 2017, ISBN 978-3-406-70751-3.

RundfunkberichteBearbeiten

WeblinksBearbeiten

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

EinzelnachweiseBearbeiten

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  4. CARBOPRINT: SGL Group und ExOne bringen Kohlenstoff für 3D-Druck auf den Markt. In: 3Druck.com, 27. Februar 2018.
  5. Kristin Hüttmann: 3-D-Druck sprengt Grenzen herkömmlicher Fertigungsverfahren. (Memento vom 9. Juni 2013 im Internet Archive) In Financial Times Deutschland, 23. Januar 2012.
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  69. Wikimedia Commons ermöglicht Upload von 3D-Modellen. In: 3Druck.com, 26. Februar 2018.